авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

ИНСТИТУТ

ЭКОНОМИКИ,

Шевченко И.В.

УПРАВЛЕНИЯ

И ПРАВА

Концепции современного

естествознания

Учебно-практическое пособие

Рекомендовано экспертным советом

по дистанционному образованию

Института экономики, управления и права

в качестве учебно-практического пособия

для систем высшего и дополнительного

образования КАЗАНЬ 2008 Аннотация ……………………………………………………………………..6..

Требования ГОС к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы по дисциплине «Концепции современного естествознания»………………………………………………………………….7 …..

Введение…………………………………………………………………………...8 Тема 1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры. Наука и её роль в современном мире………………………………………………………………9 1.1 Культура. Специфика естественнонаучной и гуманитарной культур.. 1.2 Наука и её роль в современном мире. Естественные и гуманитарные науки……………………………………………………………………… Тема 2.История развития естествознания. Панорама современного естествознания…………………………………………………………………. 2.1 История естествознания. Понятие о научных революциях………… 2.2 Панорама и важнейшие достижения современного естествознания.. 2.3 Тенденции развития современного естествознания…………………. Тренировочный тест по темам 1-2…………………………………………… Контрольные вопросы по темам 1-2………………………………………… Тема 3. Естественнонаучное познание. Научный метод,………………….. 3.1 Естественнонаучное познание и его структура……………………... 3.2 Методы естественнонаучного познания…………………………… 3.3 Принципы познания в естествознании: причинность, наблюдаемость, отбор, симметрия. Критерии научности……………………………………. 3.4 Состояние физической системы……………………………………… 3.5 Динамические и статистические закономерности в природе……… 3.6 Термодинамический метод исследования макросистем. Понятие об энтропии…………………………………………………………………. 3.7 Процессы самоорганизации в природе. Понятие о синергетике….. Тренировочный тест по теме 3……………………………………………… Контрольные вопросы по теме 3…………………………………………… Тема 4. Фундаментальные концепции физического описания природы… 4.1 Материя. Движение. Взаимодействия. Дальнодействие и близкодействие………………………………………………………. 4.2 Корпускулярные и континуальные концепции описания природы. 4.3 Концепции пространства и времени………………………………… 4.

3.1 Основные свойства пространства и времени………………….. 4.3.2 Пространство и время в классической механике. Механический Принцип относительности Галилея…………………………….. 4.3.3 Пространство и время в свете теории относительности Эйнштейна……………………………………………………………………… Тренировочный тест по теме 4………………………………………………. Контрольные вопросы по теме 4…………………………………………… Тема 5. Естественнонаучная картина мира…………………………………. 5.1 Особенности современной естественнонаучной картины мира….. 5.2 Структурные уровни организации материи………………………….. 5.3 Корпускулярно-волновой дуализм света…………………………… 5.4 Концепции микромира……………………………………………….. 5.4.1 Основные идеи и принципы квантовой механики……………. 5.4.2 Эволюция представлений о строении атома………………… 5.4.3 Строение атомного ядра. Понятие о кварках и ускорителях элементарных частиц…………………………………………… 5.5 Концепции мегамира…………………………………………………. 5.5.1 Современные представления о Вселенной…………………… 5.5.2 Структура Вселенной…………………………………………... 5.5.3 Солнечная система……………………………………………… 5.5.4 Земля – планета Солнечной системы………………………… 5.5.5 Антропный принцип. Тонкая подстройка Вселенной………. Тренировочный тест по теме 5………………………………………………. Контрольные вопросы по теме 5…………………………………………….. Тема 6. Химические концепции……………………………………………… 6.1 Место химии в современном естествознании…………………….. 6.2 Химический элемент. Химические вещества……………………... 6.3 Химические связи…………………………………………………… 6.4 Химические реакции. Реакционная способность…………………. 6.5 Биохимические концепции…………………………………………. Тренировочный тест по теме 6………………………………………………. Контрольные вопросы по теме 6…………………………………………….. Тема 7. Биологические концепции…………………………………………... 7.1 Концепции возникновения жизни…………………………………. 7.2 Сущность живого, его основные признаки………………………. 7.3 Структурные уровни живого………………………………………. 7.4 Клетка как «первокирпичик» живого. Понятие о стволовых клетках………………………………………………………………………… 7.5 Механизм управления клеткой……………………………………. 7.6 Генетика. Генная инженерия………………………………………. 7.7 Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем.. 7.8 Понятие о биоэтике…………………………………………………. Тренировочный тест по теме 7……………………………………………….. Контрольные вопросы по теме 7…………………………………………….. Тема 8. Происхождение и эволюция человека……………………………... 8.1 Человек как предмет естественнонаучного познания………….. 8.2 Возникновение человека ( антропогенез )………………………. 8.3 Биологическое и социальное в историческом и индивидуальном развитии человека………………………………………………… 8.4 Сознательное и бессознательное в человеке……………………. 8.5 Человек: индивид и личность……………………………………. Тренировочный тест по теме 8. …………………………………………… Контрольные вопросы по теме 8…………………………………………… Тема 9.Биосфера. Учение В.И.Вернадского о биосфере. Ноосфера……. 9.1 Человек и биосфера. Ноосфера………………………………… 9.2 Человек и космические циклы. Необратимость времени…….. Тренировочный тест по теме 9……………………………………………… Контрольные вопросы по теме 9…………………………………………… Литература…………………………………………………………………… Итоговый тест для контроля знаний………………………………………... 112.

Вопросы для подготовки к зачёту………………………………………… Примерная тематика рефератов и презентаций…………………………… Глоссарий…………………………………………………………………….. Список цитируемой литературы…………………………………………… Об авторе Шевченко Инна Викторовна.

Окончила физико-математический факультет Саратовского государственного педагогического института, очную аспирантуру по кафедре молекулярной спектроскопии. Кандидат физико математических наук, доцент.

Работала заведующей кафедрой физики в Саратовском высшем военном инженерном училище ракетных войск, затем в Казанском артиллерийском университете, в настоящее время – доцент Казанского института экономики, управления и права. Автор более семидесяти научных статей и учебно-методических пособий, из них более десяти статей опубликованы в академических журналах.

E-mail : Shevchenko_iv @mail.ru Тел.(8432) 273-18- Аннотация Дисциплина «Концепции современного естествознания» является одной из фундаментальных в современной системе подготовки высококвалифицированных специалистов, осуществляемой ВУЗами.

Концептуальные естественнонаучные знания всё более проникают в гуманитарную сферу, они дают представление о структуре и свойствах окружающего мира, о месте Человека в этом мире, способствуют выработке адекватного отношения к нему. Естественные науки позволяют не только создавать новейшие технологии, но и способствуют формированию научного мировоззрения и особого типа рационального мышления у людей, профессиональная деятельность которых не имеет прямого отношения к естествознанию: экономистов, юристов, психологов, менеджеров и т.п.

Концептуальные знания о важнейших достижениях современного естествознания необходимы любому образованному человеку независимо от рода его деятельности.

Курс «Концепции современного естествознания» позволяет студентам на основе полученных знаний сформировать представление о современной естественнонаучной картине мира, а также противостоять получившим распространение в последнее время антинаучным взглядам, псевдонаукам типа астрологии, магии, эзотерических учений и т.д.

Методологическим стержнем курса является эволюционно синергетическая парадигма, которая органически объединяет принципы универсального эволюционизма и самоорганизации и поможет студентам осмыслить диалектику развивающегося мира как единой целостной системы.

При рассмотрении основных концепций физики, химии, биологии и других естественных наук студенты встретятся со специфической терминологией ( выделено курсивом), толкование которой даётся в конце учебного пособия в глоссарии.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ Уважаемый студент дистанционной формы обучения! Мы уверенны в том, что Вы осознанно выбрали такую форму получения образования, а это значит, что в Вашей учёбе большая доля времени должна быть отведена на с а м о с т о я т е л ь н у ю р а б о т у. Знания не приходят сами по себе, их нужно усердно добывать, и у Вас всё получится !

В предлагаемом Вам пособии излагается материал по девяти темам. В конце тем даются тесты для самопроверки ( тренировочные) и контрольные вопросы. В конце пособия приведены тесты по всему курсу. Для получения зачёта по дисциплине Вам необходимо из каждой темы выбрать по одному вопросу и дать на него ответ в объёме не более 1,5 страниц. Получится всего 9 ответов. Ответы по темам можно заменить презентациями (2-3).

Затем проработать тест в конце пособия и отметить в нём правильные ответы. Весь этот материал Вы перешлёте по электронной почте своему преподавателю (тьютору).

Если по какой-либо причине такая форма отчётности Вам покажется неудобной, то можно сдавать зачёт в традиционной форме – по билетам. Для этого в конце пособия приведены вопросы для подготовки к зачёту.

Не ограничивайтесь материалом в электронном варианте. Обязательно используйте литературу, которая указана в конце пособия – автора выберите сами.

ТРЕБОВАНИЯ ГОС К ОБЯЗАТЕЛЬНОМУ МИНИМУМУ СОДЕРЖАНИЯ ОСНОВНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

Естественнонаучная и гуманитарная культуры;

научный метод;

история естествознания;

тенденции развития;

корпускулярная и континуальная концепции описания природы;

порядок и беспорядок в природе;

хаос;

структурные уровни организации материи;

микро-, макро- и мегамиры;

пространство, время;

принципы относительности;

принципы симметрии;

законы сохранения;

взаимодействие, дальнодействие;

состояние;

принципы суперпозиции, неопределённости, дополнительности;

динамические и статистические закономерности в природе;

законы сохранения энергии в макроскопических процессах;

принцип возрастания энтропии;

химические процессы, реакционная способность веществ;

внутреннее строение и история геологического развития Земли;

современные концепции развития геосферных оболочек;

литосфера как абиотическая основа жизни;

экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая, геофизико-геохимическая;

географическая оболочка Земли;

особенности биологического уровня организации материи;

принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем;

многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы;

генетика и эволюция;

человек, биосфера и космические циклы;

ноосфера, необратимость времени, самоорганизация в живой и неживой природе;

принципы универсального эволюционизма;

путь к единой культуре.

Используемые в тексте сокращения СТО – специальная теория относительности;

ОТО – общая теория относительности;

ЕНКМ – естественнонаучная картина мира;

ТСВ – тепловая смерть Вселенной;

БВ – большой взрыв;

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота;

РНК – рибонуклеиновая кислота;

ГМ – генно-модифицированный.

ВВЕДЕНИЕ Окружающий нас мир природы не перестаёт удивлять нас своим разнообразием. В нём есть место порядку и хаосу, гармонии и катастрофам, бесконечно малому и бесконечно большому, живому и неживому, красивому и безобразному, простому и сложному. Нас поражает целесообразность и гармония, царящие во всём этом многообразии природы, но, по выражению великого Эйнштейна, «самое удивительное свойство нашего мира- это то, что он познаваем».

Современные науки (физика, химия, биология, социальные науки) дают нам частичные знания о мире, но жизнь во Вселенной не расчленена на отдельные процессы, она представляет собой органическое целостное единство. Дисциплина Концепции современного естествознания и предназначена для формирования целостного научного мировоззрения, для понимания современной естественнонаучной картины мира.

ТЕМА 1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры Наука и её роль в современном мире 1.1 Культура. Специфика естественнонаучной и гуманитарной культур.

Одной из отличительных особенностей человеческой жизнедеятельности является то, что она проходит не только в естественном мире ( в мире природы), но и в том мире, который человек создаёт себе сам – в мире культуры. Под культурой в широком смысле понимается совокупность материальных и духовных ценностей, создаваемых веками человеком и человечеством. Это достижения в социальной, производственной, научной, технической, интеллектуальной деятельности.

Все достижения материальной и духовной культуры вместе с носителями этой культуры, т.е людьми, составляют цивилизацию.

Самостоятельными составляющими духовной культуры являются наука, искусство, религия.

Мир человеческой культуры существует не обособленно от природы, а внутри неё. Любой объект культуры имеет природную основу и социальное содержание. Результатом этой двойственности и явилось возникновение двух типов культуры: естественнонаучной и гуманитарной., которые почти до середины 20-го века развивались параллельно, нигде не пересекаясь. По мнению Ч.П.Сноу, духовный мир интеллигенции раскололся на две противоположные части. На одном полюсе – художественная интеллигенция («лирики»), на другом – учёные («физики») Такое противостояние имело отрицательные последствия, одним из которых можно считать, например, наметившийся экологический кризис как результат дисбаланса естествознания (с соответствующими новыми технологиями) и этическими и эстетическими нормами. С середины 20-го века намечается тенденция к сближению естественной и гуманитарной культур.

1.2 Наука и её роль в современном мире. Естественные и гуманитарные науки Из всех видов знаний, доступных человеку, наиболее точными, а, следовательно, и наиболее ценными для успеха в его деятельности, являются н а у ч н ы е знания, специфика которых состоит в следующем: 1) Наука представляет собой знания объективные, она стремится познать окружающий мир таким, каков он есть, не отдавая предпочтений никаким явлениям, не преуменьшая их и не преувеличивая. Человек науки должен быть равнодушен и невозмутим по отношению к окружающему миру. 2) Наука представляет собой знания рациональные, т.е. обоснованные и доказательные. Для этого служит набор научных методов (наблюдения, эксперимент, логические умозаключения и т.д.). 3) Научное знание системно.

Наука это не совокупность отрывочных знаний, а стройная система принципов, положений, которые связаны между собой и не противоречат друг другу.

Основное предназначение науки - систематизация, упорядочение сложных явлений окружающего мира, она связана с познавательной деятельностью людей, является формой общественного сознания и непосредственной производительной силой;

наука напрямую участвует в образовании и профессиональной подготовке специалистов, она является проявлением информационной сущности общества, базовым показателем национальной культуры, гарантом прогрессивного развития государства.

Наука является одним из способов постижения мира.

Основная задача научного знания заключается в обнаружении объективных законов действительности, исследовании, в первую очередь, общих, существенных свойств предмета или явления, их необходимых характеристик и их выражении в системе абстракций. Без этого не может быть науки, т.к. само понятие научности предполагает открытие законов, углубление в сущность изучаемых явлений.

Науки тоже принято подразделять на естественные и гуманитарные.

Естественные науки это науки о природе (физика, химия, биология, астрономия и др.), они позволяют познавать окружающий нас мир природы, они составляют теоретическую основу техники, медицины, современных технологий (нанотехнологии, биотехнологии), являются научным фундаментом философского материализма. Как правило, естественные науки подкреплены математикой, поэтому их называют т о ч н ы м и науками. Но есть исключения. Например, в настоящее время естественнонаучные знания являются определяющим фактором в экономике – базовым ресурсом, орудием конкуренции. Человек, способный умело и эффективно управлять – менеджер, должен обладать всесторонними фундаментальными знаниями, среди которых важнейшую роль играют естественнонаучные знания.

Естественнонаучные знания нередко называют интеллектуальным капиталом. Гуманитарные науки – это науки о человеке, общественном бытии и сознании. К ним относятся история, филология, обществознание и многие другие, которые представляют человеческую и культурную реальность. Есть науки пограничные, например, психология.

Методологическое сопоставление естественных и гуманитарных наук часто даёт замечательные научные результаты. Например, современное естествознание невозможно представить без статистических методов исследования, но зародились они в гуманитарных науках, в трудах социологов-экономистов. Междисциплинарный подход становится особенно важным в современной науке, где социальное и естественнонаучное понимание имеют единую конечную цель – достичь истинного знания.

Гармония Человека и Природы может быть достигнута только в единстве естественнонаучной и гуманитарной культур, результатом которого должно быть формирование единой науки о человеке, обществе, государстве, природе и жизни.

ТЕМА 2. История развития естествознания. Панорама современного естествознания.

2.1 История естествознания. Понятие о научных революциях Современное естествознание своими корнями уходит в античный мир древних Греции и Рима. Древнегреческие мыслители – натурфилософы стремились дать целостную картину мира, опираясь на свои вымыслы, догадки, умозрительные представления. Их взгляды во многом были ошибочными, но поиски ответов на многие поставленные ими вопросы привели в будущем к появлению зачатков естественных наук. Назовём наиболее видных представителей натурфилософии.

Аристотель (384-322 г г. до н.э.) в своих трудах стремился создать законченную картину мира, его научные интересы касались физики, математики, астрономии, биологии, он заложил основы логики. Он исходил из того, что весь окружающий мир на Земле состоит из четырёх первоначал, «стихий» - это земля, вода, воздух и огонь. Небо в своей основе имеет пятый элемент – эфир. У него было своё трактование понятий материи, движения, пространства, времени. Учение Аристотеля было противоречивым, содержащим большое количество научных заблуждений, но в целом оно находило поддержку у античных мыслителей и оставалось авторитетным на протяжении многих веков. Заслуга Аристотеля состоит не только в том, что его труды дали начало естествознанию в целом, но и в том, что они выдвинули целый ряд вопросов, ответить на которые смогли учёные через тысячи лет.

Демокрит (460-370 г.г. до н.э.) считается основоположником атомистической концепции. Именно он ввёл представление об атомах как о мельчайших, неделимых «первокирпичиках» материи, которые имеют разную форму и находятся в непрерывном движении.

Эпикур (341-270г.г. до н.э.) дополнил и углубил атомистическое учение Демокрита, выдвинув гипотезу о том, источник движения атомов находится в них самих.

Лукреций ( 99-55 г.г. до н.э.), поддерживая взгляды Демокрита и Эпикура, написал поэму «О природе вещей» ( 6 книг), где в стихотворной форме выдвинул ряд новых идей, касающихся строения вещества, закона сохранения вещества, хаотического движения молекул и т.д.

В конце 6-го века до н.э. в Древней Греции сложилось первое в истории человечества научное сообщество – Пифагорейский союз, основателем которого был Пифагор (580-500 г.г до н.э.). Основное мировоззренческое положение Пифагора : мир есть число.

В древнегреческой культуре – в её научной ветви_ развивалась в основном математика. Пифагорейцы заложили основы такого представления о мире и способах его познания, в соответствии с которыми математика является ключевым инструментом познания.

Значительный вклад в развитие античной математики внёс систематизатор математической науки и педагог Евклид ( 3 в. до н.э.), труды которого позволили создать стройную геометрическую теорию – известную в настоящее время евклидову геометрию, описывающую метрические свойства пространства.

Архимед (287-212г.г. до н.э.) своими трудами в области статики и гидростатики дал образцы применения математики в естествознании и технике. Современное естествознание невозможно представить без знания закона Архимеда (о выталкивающей силе, действующей на тело, погруженное в жидкость или газ), механику – без представлений о центре тяжести, о различных системах рычагов и блоков для поднятия тяжёлых тел, без полиспаста, планетария (прибор, который наглядно показывает движение небесных тел) и т.д.

Древнегреческий астроном Птолемей (ок.90 –ок.160г.г.), используя взгляды Анаксимандра и Аристотеля, разработал геоцентрическую систему мира, которая просуществовала примерно 1,5 тысячи лет.

К этому времени относится возникновение двух религий: в 1 веке зародилось христианство (как религия угнетённых), а в 7 веке - ислам.

Эпоха средневековья в Европе характеризуется закатом греко римской культуры и усилением влияния церкви на все стороны духовной жизни общества. Вплоть до 12-13вв европейская культура переживала период упадка. В то же время на Востоке отмечается прогресс научных знаний, труды древнегреческих мыслителей были переведены на арабский язык. В 12 веке были открыты университеты (Парижский, Оксфордский, Кембриджский), но изучалось в них исключительно богословие.

Естествознание в современном понимании ещё не сформировалось – это был преднаучный период, когда ещё не были открыты объективные законы природы.

Начиная с 16, в характер научного прогресса существенно меняется – идёт не просто накопление научных знаний, а возникают переломные моменты, кризисы, выход из которых приводит к новому видению мира. В генезисе научного знания эти переломные этапы получили название научных революций.

Первая научная революция произошла в эпоху возрождения (конец 15 в. – начало 16в.). Произошло не просто возрождение культурных ценностей античности, а создавалась новая культура – развивалось искусство, утверждались идеи гуманизма, существенным был научный прогресс. Одним из революционных факторов было создание польским астрономом, каноником и доктором богословия Николаем Коперником (1473-1543 г.г.) гелиоцентрической системы мира, согласно которой отвергалась модель мироздания Птолемея. Используя идеи древнегреческого философа и астронома Аристарха Самосского (320-250 до н.э.), Коперник совершил переворот в естествознании. По его системе мироздания в центре Вселенной находится не Земля, а Солнце, а сама Земля вместе с другими планетами и звёздами вращаются вокруг Солнца.

Недостатком его модели было представление о том, что Вселенная ограничена твёрдой сферой, на которой закреплены неподвижные звёзды.

Существенной чертой гелиоцентрической системы Коперника была идея всеобщего движения как всеобщем свойстве небесных объектов.

Одним из активных сторонников учения Коперника был итальянец Джордано Бруно (1548-1600г.г.), который представлял Вселенную бесконечной с множеством тел, подобных Солнцу, и окружающих его планетах. Инквизиция, опасаясь распространения идей Бруно, в 1592 году арестовала его и спустя 8 лет нахождения в тюрьме как нераскаявшегося еретика его сожгли на костре на Площади цветов в Риме.

В 16 в. зародилась классическая механика и экспериментальное естествознание в целом. Этому способствовали труды Коперника, Галилея, Леонарда да Винчи, Кеплера, Ньютона, Гюйгенса, Эйлера, Лагранжа, Ломоносова и др., которые положили начало формированию вторую научную механистической картины мира и подготовили революцию.

Итальянский физик, астроном и математик Галилео Галилей (1564 1642 г.г.) заложил основы классической механики, решив самую фундаментальную проблему - проблему движения. Он выдвинул идею об относительности движения и сформулировал принцип относительности, установил закон инерции, исследовал свободное падение тел, проводил астрономические исследования. Он построил телескоп (трубу Галилея) с 32 кратным увеличением и открыл спутники Юпитера, фазы Венеры, пятна на поверхности Солнца и горы на Луне. Галилей был активным защитником идей Коперника о гелиоцентрической картине мира, которая постоянно подвергалась нападкам со стороны католической церкви. За это Галилей был подвергнут суду инквизиции, которая вынудила его публично отречься от гелиоцентрического учения.

Астрономическое учение Галилея было развито немецким математиком и астрономом Иоганном Кеплером (1571-1630 г.г.). Вместо круговых движений планет он ввёл представления об эллиптических орбитах и установил три закона движения планет вокруг Солнца ( три закона Кеплера). Как и Галилей, Кеплер был сторонником гелиоцентрической системы мира, поэтому значительная часть его научных трудов была занесена Ватиканом в список запрещённых книг.

Английский физик Исаак Ньютон (1643-1727г.г.) продолжил и завершил работы Галилея по созданию классической механики. Ньютон сформулировал три закона механики, а также открытый им закон всемирного тяготения. Это поистине универсальный закон, которому подчиняются все тела, как самые малые, так и самые большие;

как земные, так и небесные.

Исаак Ньютон Его главным научным трудом были «Математические начала натуральной философии», которые заложили основы современной физики и предопределили направление развития физики и всего естествознания на столетия вперёд. Учёные-естествоиспытатели считали классическую механику прочным незыблемым основанием естествознания. Такой подход обусловил господство механистического мировоззрения, которое преобладало в естествознании вплоть до 20 века.

Третья научная революция связывается с работами Иммануила Канта (1724-1804 г.г.), Пьера Лапласа (1749-1827 г.г.). Жоржа Кювье (1769 1832 г.г.), Батиста Ламарка (1744-1829 г.г.), Чарлза Дарвина (1797-1875 г.г.), Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1907 г.г.) и др.

Немецкий философ Иммануил Кант и французский математик и астроном Пьер Лаплас независимо друг от друга предложили космогоническую гипотезу возникновения Солнечной системы из газовой туманности, которая получила название гипотезы Канта-Лапласа.

Французский естествоиспытатель Жорж Кювье связывал развитие нашей планеты с происходящими на ней катастрофами, всемирными катаклизмами (глобальные наводнения, подъём и опускание материков, разломы земной коры и пр.), которые изменяли геологические условия и видовой состав растительного и животного мира. Эта концепция известна в науке как катастрофизм Кювье. Прямо противоположной была концепция французского естествоиспытателя Ламарка - сторонника эволюционной теории, который считал движущей силой эволюции живого мира плавно изменяющиеся условия окружающей среды. Главная идея его учения состоит в том, что приобретённые под влиянием внешней среды функционально морфологические изменения в живых организмах передаются по наследству.

Таким образом, Ламарк был создателем первой целостной систематической (хотя и ошибочной) концепции эволюции живой природы.

В отличие от умозрительной концепции Ламарка, Дарвин создал своё эволюционное учение, основанное на анализе огромного фактического материала. Дарвин утверждал, что органический мир без саморазвития не существует и развитие является необходимым условием существования вида, условием его адаптации к окружающей среде. Согласно его гипотезе, виды с их относительно целесообразной организацией, возникли и возникают в результате отбора и накопления качеств, полезных для организмов в их борьбе за существование. В результате конкуренции особи хуже приспособленных видов вымирают. Эволюционистская теория Дарвина тоже имела ряд существенных недостатков.

В 1869 году русский химик Д.И.Менделеев опубликовал работу, в которой был изложен принцип построения периодической системы элементов (в будущем этот принцип был подкорректирован законами квантовой физики). Периодическая система Менделеева дала возможность не только систематизировать известные, но и предвидеть существование новых, ещё неизвестных химических элементов и точно предсказать их основные свойства. Процесс заполнения таблицы Менделеева продолжается и в настоящее время.

В 18 веке наступил период очищения естествознания от натурфилософских, метафизических представлений, основанных на рассмотрении явлений в их неизменности и независимости друг от друга, отрицающих внутренние противоречия как источник их развития. К таким понятиям и представлениям относятся флогистон (как материальная субстанция, обеспечивающая горение), теплород (особый фантастический вид »жидкости», ответственной за тепловые явления,), жизненная сила, эфир и др. Это очищение явилось результатом работ таких учёных как А.Лавуазье, М.В.Ломоносов, Велер, Майер, Ампер, Майкельсон и др.

Последняя научная революция произошла в 20 веке в результате тех открытий в естествознании, которые способствовали коренному изменению ранее существовавшего естественнонаучного мировоззрения. Далее будут рассмотрены основные открытия в естествознании 20 века.

2.2 ПАНОРАМА И ВАЖНЕЙШИЕ ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ В античной философии возникла идея атомизма, согласно которой все вещества состоят из атомов, находящихся в постоянном движении и взаимодействующих между собой. Вплоть до конца 19 века атом считался пределом деления вещества. Однако после открытия в 1897 году явления радиоактивности стало ясно, что атом имеет сложное строение. Исторически первой была планетарная модель атома, согласно которой атом состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из кварков, свойства которых изучает квантовая хромодинамика.

Развитие атомной физики привело к открытию реакций деления тяжёлых атомных ядер и синтезу лёгких, которые привели к созданию атомной и водородной бомб. Реакции деления заложили основу ядерной энергетики, а проблему управляемой промышленной термоядерной реакции предстоит ещё решить.

К началу 20 века было известно всего несколько элементарных частиц:

это электрон, протон, фотон и нейтрон. К концу 20 века стало известно более 350 элементарных частиц, что привело к появлению физики элементарных частиц. У микрочастиц были обнаружены особые свойства, которые не позволяли применять к ним законы классической физики. Трудами таких учёных, как М.Планк, Н.Бор, Борн, Э.Резерфорд, Гейзенберг, де Бройль, Шредингер были заложены основы физики микромира – квантовой механики. В основе этой физической теории лежит представление о том, что каждой частице материи присущи и свойства волны (так называемый корпускулярно-волновой дуализм материи ).

В 20 веке изменились представления о пространстве и времени. Этому способствовало опубликование Альбертом Эйнштейном (1879-1955 г.г.) теории относительности (специальной и общей), выводы которой казались противоречащими «здравому смыслу». Свойства пространства и времени перестали считаться абсолютными, они связаны не только между собой, но и со свойствами материи.

Общая теория относительности была положена в основу современной релятивистской космологии, которая предсказала, а американский астрофизик Эдвин Хаббл (1889-1953 г.г.) экспериментально обнаружил факт расширения нашей Вселенной.

Значительный вклад в современное естествознание вносят исследования в области молекулярной биологии. В 1953 году англичанин Ф.Крик и американец Д.Уотсон расшифровали структуру молекулы ДНК, что позволило установить природу гена. Расшифрован генетический код, выявлены и исследованы механизмы и пути образования белка в клетке.

Началась расшифровка геномов растений и животных. К 2001 году закончилась расшифровка генома человека.

Были начаты опыты по клонированию растений и животных, которые открывают путь к клонированию органов и тканей. Важнейшим событием в развитии генетики стало открытие мутаций - возникающих внезапно изменений в наследственной системе организмов. Современный уровень знаний позволяет не только понять эти тонкие процессы, но и использовать их в нужных целях в генной инженерии.

Открытия в естествознании 20 века подготовили и обеспечили научно-техническую революцию, которая в значительной мере определила характер социальных процессов и дала развитие таким техническим направлениям, как атомная энергетика, ракетно-космическая техника, электронно-вычислительная техника. Теперь на повестке дня стоят нано- и биотехнологии.

За выдающиеся открытия в естествознании в 20 веке начала присуждаться Нобелевская премия, которая является самой престижной международной наградой. Учредителем этой премии был шведский химик, изобретатель и предприниматель Альфред Нобель (1833 – 1896). «Моё непременное требование,- писал Нобель,- заключается в том, чтобы при присуждении премии национальность претендентов не имела никакого значения, а получали бы её самые достойные.» Первым лауреатом Нобелевской премии по физике стал немецкий исследователь Вильгельм Рентген за открытие излучения, получившего его имя. Наша страна дала миру более двадцати лауреатов Нобелевской премии, среди которых Л.Д.Ландау – за исследования по теории конденсированных сред, в особенности жидкого гелия;

Н.Г.Басов и А.М.Прохоров – за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, которые привели к созданию лазеров и мазеров;

П.Л.Капица – за открытия в области физики низких температур;

Ж.И.Алфёров – за развитие гетероструктур для высокоскоростной и оптической электроники;

В.Л.Гинзбург –за пионерский вклад в теорию сверхпроводимости и сверхтекучести. На основе сверхпроводимости созданы магниты ускорителей заряженных частиц, магнитно-резонансные томографы, сильноточные цепи питания промышленных установок и др.

2.3 ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Общими закономерностями современного этапа развития естествознания являются следующие:

1. Стремительное увеличение объёма научной информации – за каждые 10-15 лет она удваивается, т.е. объём научной информации растёт по экспоненте.

2. Идут процессы дифференциации и интеграции наук, которые в научной деятельности находятся в единстве, взаимно дополняют друг друга.

Со времён античности, когда все знания о природе были объединены в общее понятие натурфилософии, по мере накопления знаний началось их разделение, дробление на более мелкие разделы и подразделы. Например, знания о наиболее общих свойствах материального мира привели к возникновению физики, которая постепенно дифференцировалась и возникло семейство таких наук, как механика, электродинамика, оптика, молекулярная физика и т.д. Так же интенсивно делились и химия (на органическую, неорганическую, аналитическую и т.д.), и биология, которая в настоящее время включает в себя более пятидесяти научных дисциплин.

Дифференциация научных знаний продолжается и в настоящее время, однако по мере накопления частных знаний всё очевиднее становится необходимость объединения (интеграции) достижений и методов разных наук для понимания сложных природных систем. Процессы интеграции происходят через возникновение так называемых пограничных наук:

биофизики, биохимии, астрофизики, химической термодинамики, инженерной психологии, космической медицины и т.д. Ярким примером интеграции в науке является возникновение с и н е р г е т и к и - науки о процессах самоорганизации в открытых неравновесных системах различной природы (в физических, химических, социально-экономических, геополитических и др.).

3. Научный прогресс неразрывно связан с прогрессом экспериментальной базы, измерительной техники, с информационным обеспечением. Современная техника позволяет проникнуть в тайны микромира (электронные микроскопы, компьютерные томографы,, рентгенографические, ультразвуковые, электронографические и другие методы исследования);

современные космические аппараты, радиотелескопы, зонды, международные космические станции позволяют получать научную информацию не только об околоземном пространстве, но и удалённых на большие расстояния космических объектах Вселенной.

Практически фантастические возможности для обмена информацией даёт Всемирная система общедоступных электронных сетей («Интернет»).

Тренировочный Т Е С Т по темам 1, 1.К естественным относятся следующие науки:

1) математика, экономика, психология;

2) история, литература, социология;

3) физика, химия, биология.

2.Концептуальный принцип изучения естествознания:

1)позволяет получить фундаментальные, комплексные знания о природе, а на их основе более глубоко изучить узкоспециализированные дисциплины;

2) позволяет получить знания о природе в общих чертах;

3)позволяет выбрать наиболее интересные знания о природе.

3.В современном понимании управление состоит:

1) в практическом использовании полученных знаний;

2) в поиске наиболее эффективных способов систематического и целенаправленного применения имеющихся знаний для получения ожидаемых результатов;

3) в умении видеть конечную цель.

4.Сверхзадача естествознания как единой науки о природе состоит:

1) в обеспечении индивидуального понимания мира;

2) в объяснении природных явлений;

3) в объективном объяснении сущности социальных явлений.

5. Для естественных наук характерно (а):

1)истолкование, интерпретация явлений, которые не сводятся полностью к рациональным началам;

2) индивидуальное понимание мира;

3) высокая степень объективности и достоверности.

6. Псевдонаука- это:

1)алхимия, астрология, хиромантия, кибернетика;

2) деятельность, которая представляясь научной, не является таковой по своему содержанию, методам или результатам;

3)результаты деятельности верующих учёных.

7. Наука в современном смысле этого слова возникла:

1) в античном мире ( в древних Греции и Риме);

2) в 17-18 веках;

3) в 20 веке.

8. Тенденции развития современного естествознания следующие:

1) оно всё более превращается в одну науку с единым предметом и методами исследования;

2) оно всё более распадается на несвязанные между собой дисциплины;

3) оно представляет собой комплекс научных дисциплин, всё теснее связываемых друг с другом междисциплинарными концепциями и идеями.

К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е В О П Р О С Ы по темам 1, 1. В чём заключается специфика естественнонаучной и гуманитарной культур и в каком взаимоотношении они находятся?

2. Какие открытия и научные концепции в наибольшей степени повлияли на развитие современной цивилизации? Каковы тенденции развития современного естествознания?

3. Какова роль естественнонаучных знаний в Вашей профессиональной подготовке?

4.Что представляют собой научные революции и какова их роль в развитии естествознания?

ТЕМА 3. Естественнонаучное познание. Научный метод 3.1 Естественнонаучное познание и его структура Естественнонаучное познание - это процесс постижения и с т и н ы.

Истина это знание, совпадающее с сущностью объективной действительности. В современном понимании постижение истины связано с установлением причинно-следственных связей явлений и свойств природы, с экспериментальным подтверждением истинности теоретических утверждений. Эксперимент, опыт – критерии естественнонаучной истины. Истина не зависит ни от человека, ни от человечества. Будучи объективной по содержанию, истина субъективна по форме – как результат человеческого мышления. Поэтому говорят об о т н о с и т е л ь н о й истине, которая содержит элемент абсолютного знания. Развитие естествознания представляет процесс последовательного приближения к абсолютной естественнонаучной истине.

Основная задача научного знания заключается в обнаружении объективных законов действительности, исследование, в первую очередь, общих, существенных свойств предмета или явления, их необходимых характеристик и их выражение в системе абстракций. Без этого не может быть науки, т.к. само понятие научности предполагает открытие законов, углубление в сущность изучаемых явлений.

Структуру естественнонаучного познания можно представить как совокупность следующих этапов: 1) наблюдения, сбор твёрдо установленных фактов, относящихся к исследуемому явлению. Факты это верифицированные (достоверно проверенные) события, подкреплённые наблюдениями, измерениями, экспериментами, моделированием и т.д. По выражению российского академика И.П.Павлова, «Факты это воздух Учёного, Науки»;

2) на основе закономерностей,обобщающих определённые факты, происходит постановка проблемы - это формулировка (осмысление) нашего знания о том, что необходимо познать. Сформулировать проблему – это наполовину её решить;

3) выдвижение гипотез – научных предположений на основе изученных фактов. В выдвижении гипотез участвуют интуиция, логика, воображение;

4) доказательства - это, как правило, эксперименты для проверки того, что подтверждается в гипотезе, а что отбрасывается. Таким образом, в основе естественнонаучного познания лежат объективность, воспроизводимость, непредвзятость. Истинность знаний подтверждается практикой.

3.2 Методы естественнонаучного познания Понятие «метод» (от греческого «методос» - путь к чему-либо) означает совокупность приёмов и операций практического и теоретического освоения действительности. Древнекитайский мыслитель Конфуций (552 479 гг. до н.э.) утверждал: «Три пути ведут к знанию: путь размышления – это путь самый благородный, путь подражания – это самый лёгкий путь и путь опыта – это путь самый горький». Если в начале развития цивилизации преобладал благородный путь познания, то в настоящее время определяющим стал путь опыта, эксперимента, практики – самый трудный, но результативный путь познания окружающего мира. Метод вооружает человека системой принципов, требований, правил, руководствуясь которыми он может достичь намеченной цели. Владение методом определяет направление и последовательность действий при решении тех или иных задач. Видный философ 17 века Ф.Бэкон сравнивал метод познания с фонарём, который освещает дорогу путнику, идущему в темноте.

Существует целая область знания, которая занимается изучением методов познания и называется методологией. Методы научного познания принято подразделять по степени их общности, т.е. по широте применимости в процессе научного исследования. В истории познания известно два в с е о б щ и х метода: диалектический и метафизический. Метафизический метод основан на рассмотрении явлений в их неизменности и независимости друг от друга, он отрицает внутренние противоречия как источник их развития.

Приблизительно с конца 18 века этот метод стал вытесняться из естествознания диалектическим методом, который рассматривает явления в их развитии и самодвижении.

О б щ е н а у ч н ы е методы познания используются в различных областях науки и подразделяются на эмпирический (основанный на непосредственном исследовании реально существующих объектов путём наблюдений, измерений, экспериментов) и теоретический (это более высокая ступень научного познания, здесь используются обобщённые понятия и представления, итогом которого становятся гипотезы, теории, законы). Оба общенаучных метода взаимосвязаны и дополняют друг друга.

Ч а с т н о н а у ч н ы м и называются такие методы познания, которые используются в каких-то конкретных науках, например, физические, биологические, химические методы и др.

На эмпирическом уровне познания основными методами являются наблюдения и эксперимент. На теоретическом уровне научного познания имеет место индукция, дедукция, анализ, синтез, аналогии, сравнения, моделирование. Научное познание строится из перекрёстного процесса исследований и рассуждений с различных точек зрения. Совпадение результатов, полученных разными методами исследований, дают уверенность в надёжности полученных знаний.

Научному познанию присущи строгая доказательность, обоснованность результатов и достоверность выводов. Но вместе с тем, здесь немало гипотез, догадок, предположений и т.п. Поэтому важное значение имеют методологическая подготовка и философская культура исследователя.

Несмотря на то, что научный метод позволяет нам правильно познавать и предсказывать явления природы, он имеет некоторую ограниченность.

Границы научного метода пока ещё размыты. Это говорит о том, что реальный мир гораздо богаче и сложнее, чем его образ, который создаётся наукой.

3.3 Принципы познания в естествознании: причинность, наблюдаемость, отбор, симметрия. Критерии научности В естественных науках существуют специальные принципы или правила, которые позволяют избегать ошибок и гораздо быстрее приходить к намеченной цели. К числу таких правил относят: принцип причинности, принцип наблюдаемости, принцип соответствия, принцип симметрии и другие. Рассмотрим кратко суть этих принципов.

причинности Принцип состоит в признании причинной обусловленности любого явления и необходимой связи причины и следствия.

Причинность - это определённая форма упорядоченности процессов, явлений в пространстве и времени, связь между отдельными состояниями материи в процессе её движения. Причина – это то, что приводит к изменениям, а следствие – это те изменения, которые возникают при наличии причины.

Причина и следствие могут переходить друг в друга, меняться местами, т.е.

являются относительными и существуют в единстве. По времени причина всегда предшествует следствию.

Причинные связи носят объективный характер, на них основано научное познание действительности и организована практическая деятельность человека. Причинность - это одна из форм выражения д е т е р м и н и з м а - учения о всеобщей закономерной связи природных, социальных и психических явлений. Сущность детерминизма состоит в том, что всё существующее в природе, в мире возникает и уничтожается з а к о н о м е р н о, в результате действия каких-то причин.

Все явления природы о б у с л о в л е н ы, однако не все связи и отношения выступают одинаково: одни из них неизбежны, другие случайны.

Поэтому причинность может проявляться в зависимости от свойств изучаемого объекта по-разному. В макроскопических процессах причинность может выражаться в форме однозначных динамических закономерностей, в микромире – через статистические (вероятностные) закономерности. В физике это называется квантово-механической причинностью.

Принцип наблюдаемости требует, чтобы в науку вводились не умозрительные, а н а б л ю д а е м ы е величины, т.е. величины, которые поддаются измерению.

Принцип отбора – это законы, выделяющие из возможных (виртуальных) состояний определённое множество допустимых, которые и проявляются в природе. В мире неживой природы – это законы физики и химии. Эти законы остаются справедливыми и в мире живого вещества, но здесь к ним добавляются ещё и свои, биологические.

К числу важнейших принципов отбора относят законы сохранения.

Наиболее известные из них – законы сохранения вещества, энергии, импульса, заряда и др. Эти законы носят абсолютный, всеобщий характер.

Согласие с законами сохранения ещё не означает, что интересующее нас явление может иметь место. Но если соответствующие законы нарушаются, то такие явления или процессы происходить не могут.

Принцип симметрии. В переводе с греческого симметрия означает соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей.

Античные философы считали симметрию и порядок сущностью прекрасного.

Окружающий мир обладает многочисленными свойствами симметрии.

Наиболее общие и фундаментальные из них – это симметрии пространства времени, из которых вытекает существование фундаментальных законов сохранения и предельно возможной скорости движения, относительность пространственных и временных промежутков, тесная связь между материальными телами и геометрией пространства-времени.

С симметрией мы встречаемся повсюду: в природе, в технике, в науке, в искусстве. Симметрия противостоит хаосу, она наблюдается везде, где есть хоть какая-то упорядоченность. В этом смысле симметричными являются такие явления, как смена дня и ночи, времён года, круговорот веществ в природе и др. Законы природы также подчиняются принципу симметрии, который в широком смысле означает неизменность свойств по отношению к разнообразным операциям (поворотам, отражениям, переносам и т.д.).

Поэтому существуют поворотная, зеркальная, переносная и другие симметрии, которые называются геометрической симметрией.

Развитие материального мира сопровождается цепочкой нарушений симметрии.

Критерии научности представляют собой совокупность принципов, по которым научные знания могут быть отграничены (демаркированы) от знаний ненаучных. В 30-е годы 20 века таким принципом был провозглашён принцип верификации, т.е. возможность проверки, экспериментального подтверждения знания. Однако эта концепция была подвергнута критике, суть которой сводилась к утверждениям о том, что в науке кроме верифицируемых результатов, могут быть и такие, которые не сводятся только к экспериментам и непосредственно из них не следуют.

По мнению учёных, проверка гипотез на принадлежность к науке должна заключаться не только в поиске подтверждающих фактов, но и в реализации попыток опровержения (фальсификации) знания.

Фальсифицируемость знания эквивалентна возможности экспериментального опровержения. Например, бесчисленное множество яблок падает вниз, но достаточно хотя бы одному яблоку начать двигаться в другом направлении, как закон всемирного тяготения будет опровергнут.


В современной научной практике наряду с критериями верификации и фальсификации используются также и другие гносеологические критерии отличия и предпочтения знания – систематичность, непротиворечивость, когерентность, полезность, простота, красота.

3.4 Состояние физической системы Физическая система – это совокупность материальных объектов, взаимодействующих между собой. В естествознании выделяются два больших класса рассматриваемых систем: системы неживой природы и системы живой природы. Каждая из этих систем имеет свои структурные уровни организации.

Состояние физической системы – это конкретная определённость системы, однозначно определяющая её эволюцию во времени. Для задания состояния системы необходимо: 1) определить параметры состояния системы. Например, для механической системы такими параметрами являются совокупность координат и импульсов всех элементов, составляющих эту систему;

в равновесной термодинамике состояние системы описывается внутренней энергией и энтропией и т.д. 2)выделить начальные условия рассматриваемой системы;

3)применить законы, описывающие эволюцию данной системы (в механике это законы Ньютона, в термодинамике – законы термодинамики и т.д.) Если система не обменивается с внешней средой ни веществом, ни энергией, ни информацией, то такая система называется закрытой (замкнутой, изолированной). В противном случае система будет открытой.

Все реальные системы являются открытыми – они обмениваются с внешней средой веществом, энергией, информацией. Закрытые системы представляют собой модели, абстракции.

3.5 ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В ПРИРОДЕ Одна из главных задач научной теории заключается в том, чтобы по заданному состоянию системы предсказать её будущее или восстановить прошлое этой системы.

Динамической теорией называется теория, основанная на динамических законах. Динамическим физическим законом называется закон, отражающий объективную закономерность в форме однозначной взаимосвязи физических величин, выражаемой количественно. Чаще всего динамические закономерности применяются к отдельным объектам или системам, состоящим из небольшого количества объектов и выражаются однозначной функцией от характеристик пространства и времени, например, вида f (x,t). Казалось, что динамические теории несут наиболее фундаментальные, наиболее точные знания. Отсутствие полного однозначного описания какого-либо явления рассматривалось как следствие недостаточности информации. Примерами динамических теорий могут служить классическая механика, электродинамика Максвелла, теория относительности и др.

Абсолютизацию динамических закономерностей обычно связывают с Лапласом - представителем классического детерминизма, согласно которому все явления в природе предопределены с жёсткой необходимостью.

Отсюда утвердилось мнение, что только динамические законы полностью отражают причинность в природе. Полученные на их основе результаты имеют не только достоверный (с вероятностью, равной единице), но и однозначный характер.

В середине 19 века при рассмотрении механических систем, состоящих из огромного числа частиц, Максвелл пришёл к выводу, что такую задачу надо решать иначе, чем в классической механике. Для анализа таких систем Максвелл внедрил в физику понятие вероятности, разработанное математиками для анализа случайных процессов, и установил статистический закон распределения молекул по скоростям, который оказался достаточно простым и очевидным. Статистическая теория позволяет предсказывать лишь вероятности тех или иных значений физических величин. Примерами таких теорий являются молекулярно кинетическая теория, теория эволюции Дарвина, генетика и др. В статистических теориях состояние механической системы характеризуется не полным набором значений координат и импульсов, а вероятностью того, что эти значения лежат внутри определённых интервалов. Состояние системы задаётся с помощью функции распределения, зависящей от координат и импульсов всех частиц системы и от времени. По известным функциям распределения можно найти средние значения любой физической величины, зависящей от координат и импульсов, и вероятность того, что эта величина принимает определённое значение в заданных интервалах.

Со статистическими теориями в естествознание вошло понятие флуктуаций. Флуктуации – это случайные отклонения характеристик системы от наиболее вероятного или среднего значения. Динамические теории не учитывают и не допускают флуктуаций, а статистические теории не только допускают, но и выводят их на передний план. В настоящее время преобладает представление, что наиболее фундаментальными, т.е.

глубоко и полно описывающими реальность, являются наиболее статистические теории. Противоречия между динамическими и статистическими теориями нет. Динамическая теория всегда играет роль приближения, упрощения соответствующей статистической теории. Это проявление принципа соответствия. Так для классической механики статистическим аналогом является квантовая механика, для термодинамики статистическая механика и т.д. Единственным исключением является общая теория относительности, статистический аналог которой – квантовая теория гравитации – ещё не создан, поскольку квантовые гравитационные эффекты должны проявляться в условиях, которые практически невозможно создать в лаборатории или обнаружить в современной Вселенной.

3.6 Термодинамический метод исследования макросистем.

Понятие об энтропии Единой мерой всех форм движения материи является энергия. Она характеризует физическую систему (а в общем случае любую термодинамическую систему) с точки зрения возможных в ней количественных и качественных преобразований. Есть различные формы существования энергии - кинетическая (связанная с движением), потенциальная (связанная с гравитационным взаимодействием), тепловая, электрическая, световая, ядерная, химическая и др. Термодинамика - это учение о связи и взаимных превращениях различных видов энергии, теплоты и работы. Следовательно, используя эти понятия, можно исследовать разные природные процессы: механические, тепловые, электромагнитные, ядерные и другие - и термодинамика выступает здесь как метод исследования. При этом здесь не учитывается молекулярное строение тел, на котором основана молекулярная физика. Термодинамика представляет собой динамическую теорию, а молекулярная физика – статистическую. В основе термодинамики лежат три закона.

Первый закон термодинамики является по существу законом сохранения и превращения энергии: Теплота, полученная телом, идёт на увеличение его внутренней энергии и на совершении этим телом работы. Из этого закона вытекает вывод о том, невозможен вечный двигатель первого рода, т.е такой, который бы совершал работу без подвода энергии извне.

Второй закон термодинамики продолжает мысль первого и утверждает, что не вся полученная телом теплота переходит в работу, Другими словами: невозможен вечный двигатель второго рода, т.е. такой коэффициент полезного действия которого был бы равен единице. Второй закон термодинамики имеет множество эквивалентных формулировок, этот закон даёт представление о направленности термодинамических процессов в природе. Так, например, из собственных наблюдений мы знаем, что в изолированной системе, состоящей из тел с различной температурой, теплота самопроизвольно будет всегда переходить от того тела, температура которого выше, к тому, у которого температура ниже. Это утверждение тоже одна из формулировок второго начала термодинамики. Обратный процесс невозможен;

достигнув равновесия, система сама по себе из него не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приводящие к термодинамическому равновесию, необратимы. Двигатель, работающий только за счёт энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы фактически вечным двигателем (его называют вечным двигателем второго рода), но второй закон термодинамики исключает возможность создания такого двигателя. В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы.

Для рассмотрения других формулировок второго закона термодинамики введём понятие энтропии. Энтропия является функцией состояния термодинамической системы и обозначается буквой S. Эта величина имеет несколько толкований.

1. Энтропия как мера обесцененности энергии.

Ценность различных видов энергии определяется тем, насколько легко данная энергия переходит в другие виды энергии и в работу. С этой точки зрения, менее всего будет цениться тепловая энергия, которую по сравнению, например, с механической или электрической, или ядерной энергиями труднее всего перевести в работу. Значит, энтропия тепловой энергии больше, чем, например, энтропия механической или электрической энергий.

2. Энтропия как мера вероятности состояния системы.

Необратимость тепловых процессов, обусловленная колоссальным числом молекул, из которых состоит тело, имеет вероятностный характер.

Так, стремление молекул газа к наиболее вероятному состоянию приводит к беспорядку, хаосу, при котором примерно одинаковое количество молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, от наблюдателя и к наблюдателю.

Процессы, связанные с созданием хаоса из порядка, увеличивают вероятность состояния. Выдающийся австрийский физик Л.Больцман, один из основоположников статистической физики, установил связь между энтропией S и термодинамической вероятностью состояния W:

S = k ln W, где к – постоянная Больцмана. к =1,38 Дж/К. Энтропия системы пропорциональна логарифму вероятности состояния этой системы. Система, предоставленная самой себе, стремится перейти в состояние с большей вероятностью. Таким наиболее вероятным состоянием является состояние равновесия.

3. Энтропия как мера беспорядка, мера хаоса, мера деградации системы.

С учётом вышеизложенного можно дать ещё одну формулировку второго закона термодинамики: все тепловые процессы, происходящие в замкнутой системе, сопровождаются увеличением энтропии. В случае полностью обратимых процессов энтропия остаётся без изменения.


S Это соотношение по-другому называют законом (принципом) возрастания энтропии в изолированных термодинамических системах.

Следовательно, все естественные процессы протекают в направлении увеличения хаоса, беспорядка. Отсюда становится ясно, почему механическое движение переходит в тепловое, а обратного перехода нет. – Да потому, что механическое движение упорядоченное, а тепловое – беспорядочно, хаотично.

В середине 19 века в науке широко обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной (ТСВ), суть которой в следующем. Применение второго закона термодинамики к Вселенной приводит к выводу о том, что со временем все виды энергии Вселенной превратятся в тепловую, температура всех объектов Вселенной станет одинаковой, все процессы во Вселенной прекратятся и наступит тепловая смерть Вселенной. Со временем проблема ТСВ была снята, прежде всего, по той причине, что второй закон термодинамики справедлив в закрытых системах, а Вселенная является незамкнутой, открытой.

В заключение рассмотрения термодинамических методов исследования приведём высказывание одного из основоположников неравновесной термодинамики бельгийского физика И.Р.Пригожина: «В истории науки второй закон термодинамики сыграл выдающуюся роль, далеко выходящую за рамки явлений, для объяснения сущности которых он был предназначен. Достаточно вспомнить работы Больцмана в области кинетической теории, разработку Планком квантовой теории излучения и Эйнштейном теории спонтанной эмиссии;

в основе всех этих достижений лежит второй закон термодинамики».

Третий закон термодинамики гласит: энтропия равновесной системы стремится к нулю при приближении температуры к абсолютному нулю. Это утверждение называют тепловой теоремой Нернста (немецкого физико - химика, лауреата Нобелевской премии по физике 1920г.).

Рассмотренные три закона завершают построение классической термодинамики, которую называют ещё термодинамикой равновесных процессов 3.7 Процессы самоорганизации в природе. Понятие о синергетике В последние десятилетия развивается представление о том, что материи изначально присуща тенденция не только к разрушению упорядоченности, но и к образованию всё более сложных и упорядоченных структур разного уровня. Выше отмечалось, что все реальные системы являются открытыми, т.е. они обмениваются веществом, энергией, информацией с окружающей средой и не находятся в состоянии термодинамического равновесия. В таких системах возможно образование нарастающей упорядоченности. – На этом возникло представление о самоорганизации вещественных систем. Материя способна осуществлять работу против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

Самоорганизация – это природные скачкообразные процессы, при которых открытая неравновесная система, достигнув критического состояния, переходит в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.

Критическое состояние системы, в котором её параметры позволяют перейти ей в новое состояние, называется точкой бифуркации ( точкой разветвления). Устойчивых новых состояний, в которые может перейти неравновесная система, может быть несколько, и в какое именно состояние совершится переход, дело случая. Процессы самоорганизации исследуются по нескольким направлениям: термодинамика неравновесных процессов, математическая теория катастроф, синергетика и др. Термин «синергетика»

был предложен в 70-х годах 20 века немецким физиком Г.Хакеном;

в переводе с греческого это слово означает совместный, согласованно действующий. Синергетика рассматривает сложные системы самой разнообразной природы- физические, химические, биологические, социальные, экономические, процессы самоорганизации в которых описываются одинаковыми математическими моделями и подчиняются одним и тем же закономерностям. Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять следующим условиям: 1) система должна быть открытой, незамкнутой, т.е. она имеет возможность обмениваться с окружающей средой веществом, энергией, информацией;

2) система должна быть существенно неравновесной, из-за чего возникает критическое состояние, сопровождающееся потерей устойчивости;

3) выход из критического состояния осуществляется скачком, в результате которого образуется качественно новое состояние системы с более высоким уровнем упорядоченности. В таких условиях наблюдается согласованное поведение подсистем, которое приводит к возрастанию степени упорядоченности и соответственно к уменьшению энтропии. В качестве подсистем могут выступать атомы, молекулы, клетки, компьютеры и даже люди. Важно, что в открытых системах можно менять потоки энергии и вещества и тем самым управлять образованием диссипативных структур.

Рассмотрим некоторые примеры. Классическим примером возникновения структуры, т.е. упорядоченности, являются ячейки Бенара.

Эффект заключается в том, что при нагревании слоя вязкой жидкости (например, масла) до определённой температуры в ней возникают упорядоченные структуры из шестиугольных конвекционных ячеек.

В химии известны так называемые химические часы. При определённых условиях некоторые химические реакции сопровождаются периодическими изменениями концентраций реагентов: с течением времени один реагент сменяется другим, затем вновь восстанавливается и снова исчезает. Получается периодический химический процесс в пространстве и времени, который называют реакцией Белоусова-Жаботинского.

Методами синергетики могут быть объяснены и некоторые процессы, происходящие в экономике. Например, переориентация капиталовложений с увеличения производства на его модернизацию может привести к новому состоянию экономики – переходу от полной занятости к неполной ( со всеми вытекающими отсюда последствиями).

В социологии формирование общественного мнения, в процессе которого мнение одних членов группы влияет на мнение других и возникает коллективный эффект, может быть проанализировано методами синергетики.

Типичным объектом синергетики является лазер, рабочее вещество которого представляет собой сильно неравновесную систему. До порога лазерной генерации все атомы испускают некогерентное, несогласованное излучение, а выше порога генерации возникает строго когерентное монохроматическое излучение. Переход лазера в режим генерации подобен образованию ячеек Бенара.

Таким образом, возникновение порядка из хаоса в настоящее время исследуется во многих науках, в том числе в экологии, социологии, экономике, естествознании. Синергетика установила, что процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны.

Материи присуща созидательная тенденция, она способна самоусложняться, самоорганизовываться.

Тренировочный ТЕСТ по теме 1.Научным методом называется:

1)способ познания, исследования явлений природы и общественной жизни;

2) система приёмов в какой-либо деятельности;

3)совокупность приёмов целесообразного проведения какой-либо работы.

2.На эмпирическом уровне научного познания происходит:

1) объяснение и обобщение фактов;

2) сбор фактов и информации;

3) предсказание новых явлений в рамках старых теорий.

3. Критерием истинности научного знания является принцип:

1) верификации;

2) неопределённости;

3) дополнительности.

4. Динамическая теория описывает:

1) поведение систем на основе вероятностных представлений;

2) строго детерминированное поведение систем во всё время их существования;

3) хаотическое поведение систем.

5. В точке бифуркации система:

1) возвращается в своё исходное состояние;

2) случайно выбирает путь нового развития;

3) прекращает взаимодействие с другими системами.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ по теме 1. Охарактеризуйте сущность естественнонаучного познания, его структуру и методы.

2. Чем обусловливаются антинаучные тенденции в развитии культуры и в чём опасность их проявлений?

3. Охарактеризуйте сущность и приведите примеры динамических и статистических законов. Какие из них являются фундаментальными?

4. В чём особенность термодинамических методов исследования физических систем? Рассмотрите понятие энтропии и дайте формулировки 2 го закона термодинамики через это понятие.

5. Что представляют собой процессы самоорганизации? К каким системам применимы синергетические методы исследования? Приведите примеры.

6. Что такое «Тепловая смерть Вселенной»? Почему, как выяснилось, нашей Вселенной не грозит тепловая смерть? С каким фундаментальным законом природы связан ответ на этот вопрос?

ТЕМА 4. Фундаментальные концепции физического описания природы 4.1 Материя. Движение. Взаимодействия. Дальнодействие и близкодействие Одной из фундаментальных наук о природе является физика, которая изучает наиболее общие свойства материального мира и является основой естествознания. Материальный мир можно разделить на три составляющих:

неживая природа, живая природа и общество. Каждая из этих составляющих развивается по своим специфическим законам, имеет свой характер развития материи.

Современная физика рассматривает материю в виде частиц, из которых состоят все вещества (твёрдые, жидкие, газообразные, плазма и др.) и в виде полей ( электромагнитное, гравитационное и др.). В последнее время в качестве одного из видов материи рассматривают физический вакуум, который не является абсолютной пустотой, а представляет собой форму материи со сложными свойствами, которые во многом определяют динамику развития Вселенной.

Неотъемлемым свойством материи является движение. Под движением понимают все изменения, все процессы, которые происходят с материей. Всё течёт, всё изменяется. К физическим формам движения относятся механическое (самое простое и наглядное, заключающееся в перемещении одних тел относительно других), тепловое (молекулярно кинетическое), электромагнитные процессы, ядерные и другие. Химия изучает химические формы движения материи, биология – биологические.

Высшей формой движения материи является мышление.

Движение включает в себя различные виды взаимодействий, которые являются проявлением глубинных свойств материи.

Для всякого объекта существовать – значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим объектам. Сложилось представление о четырёх фундаментальных взаимодействиях: гравитационном, электромагнитном, слабом и сильном (ядерном). Любой материальный объект, обладающий массой, создаёт вокруг себя гравитационное поле, которое ответственно за гравитационное притяжение тел, подчиняющееся закону всемирного тяготения. Заряженные тела создают вокруг себя электромагнитное поле, имеющее две компоненты – электрическую и магнитную, которые подчиняются системе уравнений Максвелла, а электромагнитное взаимодействие проявляет себя в виде притяжения или отталкивания, оно ответственно за существование атомов, молекул и состоящих из них макроскопических тел. Электромагнитное взаимодействие проявляется как в микромире, так и в макромире, и мегамире. Слабое взаимодействие возникает при взаимных превращениях элементарных частиц, в природе оно играет чрезвычайно важную роль. Например, ядерные реакции на Солнце и других звёздах связаны с проявлением слабого взаимодействия. Сильное взаимодействие является источником огромной энергии и проявляет себя притяжением протонов и нейтронов, находящихся внутри атомных ядер;

оно обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Наименее интенсивным является гравитационное взаимодействие, за ним идёт слабое, потом электромагнитное, которое примерно в 100 раз слабее сильного. Чем сильнее взаимодействие, тем с большей интенсивностью протекают процессы. В нашей жизни гравитационное взаимодействие проявляется только в виде силы тяжести, за счёт которой любое тело, потерявшее опору, падает на Землю. Все остальные силы, с которыми мы встречаемся в жизни (силы трения, упругости и др.) по своей природе являются электромагнитными.

Фундаментальные взаимодействия имеют как общие черты, так и свои особенности. Общим является то, что передача взаимодействия осуществляется не мгновенно, а с конечной скоростью, не превышающей скорость света в вакууме (300000 км/с). Кроме того современная наука исходит из того, что у каждого взаимодействия есть свои переносчики, трансляторы взаимодействия, кванты поля, которые можно рассматривать как частицы (корпускулы). У гравитационного взаимодействия это гравитоны, у электромагнитного – фотоны, у слабого - векторные бозоны, у сильного – глюоны.

i Слабые и сильные взаимодействия возникают на очень малом расстоянии. Радиус действия сильного взаимодействия примерно 10-15 м, слабого – не превышает 10-18 м. Эти взаимодействия называют короткодействующими (близкодействие). Гравитационное и электромагнитное взаимодействия имеют практически неограниченный радиус действия и называются дальнодействующими. Концепция дальнодействия предполагает, что взаимодействие материальных тел не требует материального посредника и может передаваться мгновенно.

Кажется удивительным, что всё многообразие сил, действующих в природе, можно свести к четырём видам, однако наука стремится объединить и эти взаимодействия и создать теорию единого поля, единого взаимодействия, из которой вышеперечисленные взаимодействия вытекали бы как частные случаи. Такая теория потребует синтеза естественнонаучных знаний об окружающем мире – от элементарных частиц до Вселенной.

4.2 Корпускулярная и континуальная концепции описания природы На основе материала, рассмотренного в предыдущем параграфе, составим следующую таблицу:

Таблица Вид поля ( вид Квант поля (частица, Особенность взаимодействия) корпускула) взаимодействия Гравитон Гравитационное дальнодействие Слабое Бозон близкодействие Электромагнитное Фотон дальнодействие Сильное (ядерное) Глюон близкодействие Из таблицы видно, что каждый квант поля есть элементарная частица.

Современное естествознание рассматривает силу как результат обмена частицами – носителями взаимодействия. Например, электромагнитное взаимодействие между двумя электронами обусловлено обменом фотоном.

Аналогичным образом обмен другими частицами-посредниками (т.е.квантами полей) приводит к возникновению взаимодействий трёх остальных видов. Таким образом, возникает представление о квантово полевом механизме передачи взаимодействия. Взаимодействие рассматривается не только как результат порождения полей, но и как результат обмена виртуальными частицами – квантами соответствующего частица связано представление о прерывности поля. С понятием (дискретности), с понятием поля связано представление о непрерывности или континуальности ( континуум означает непрерывное множество). Вся современная физика пронизана идеей воспринимать частицу как квантовые состояния некоторого поля. В этом смысле поле является первичным понятием, а элементарные частицы возникают в результате его квантования.

Таким образом, квантовое поле –это фундаментальная сущность, которая может существовать в протяжённой (континуальной) форме ( в виде поля), и в непротяжённой (дискретной) форме – в виде частиц. Непрерывность и дискретность – неотъемлемые свойства материи. Например, вещество, находясь в твёрдом или жидком состояниях, обычно воспринимаются нами как н е п р е р ы в н а я, сплошная среда. При рассмотрении свойств такого вещества в большинстве случаев учитывается только его непрерывность.

Однако то же вещество при объяснении тепловых процессов, электромагнитного излучения, образования химических связей и т.п.

рассматривается как дискретная среда, состоящая из взаимодействующих между собой атомов и молекул.

4.3 КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ Весь материальный мир существует и эволюционирует в пространстве и времени. Первые представления о пространстве и времени были выработаны в античном мире. Существовало два подхода к пониманию этих категорий: с у б с т а н ц о н н ы й и реляционный.

Представителями субстанционного подхода были атомисты Левкипп и Демокрит, которые рассматривали пространство и время как независимые от материальных тел сущности, обладающие собственным бытием. Исходя из того, что все тела состоят из атомов и пустоты, современники этих мыслителей не разделяли такой точки зрения, считая, что пустота это небытие.

Представителем реляционного подхода был Аристотель, понимающий пространство и время как систему отношений между материальными телами и происходящими с ними событиями (дальше-ближе, до - после и т.д.). Аристотель полагал, что понятие м е с т а можно определить только с помощью материальных тел, между которыми заключено это место, а понятие в р е м е н и связано с рядом событий, происходящих в определённой последовательности.

Точка зрения Аристотеля оставалась господствующей в течение почти двух тысяч лет до тех пор, пока И.Ньютон не возродил субстанциональный подход, введя понятия Абсолютного пространства и Абсолютного времени.

4.3.1 Основные свойства пространства и времени Однородность пространства означает, что все точки пространства эквивалентны, ни одна из них не имеет преимуществ. Перенос экспериментальной установки из одной точки в другую не повлияет на результаты эксперимента. Однородность пространства означает, что у Вселенной нет центра, как и нет окраин. Пространство является протяжённым и трёхмерным. Понятие многомерного пространства существует не как физическое, а как математическое.

Изотропность пространства связана с представлением о равнозначности всех направлений в пространстве.

Однородность времени говорит о равнозначности всех моментов времени. Например, эксперимент, поставленный несколько лет назад, даст тот же результат, что и поставленный в настоящее время. Время анизотропно, одномерно - течёт только из прошлого в будущее. Время одномерно. У времени есть некоторые специфические формы его проявления –«биологическое» время, «психологическое» время, социальное время и др., которые отличаются от объективного физического времени.

Все перечисленные свойства пространства и времени связаны с симметрией, которая, в свою очередь, связана с принципом инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени: смещение в пространстве и во времени не влияет на протекание физических процессов. В широком смысле инвариантность означает неизменность свойств системы при некотором преобразовании её параметров.

С концепцией симметрии связаны законы сохранения, которые выделяются среди других законов своей всеобщностью, т.е.

фундаментальностью. Согласно теореме Нётер, каждая симметрия ведёт к сохранению определённой физической величины. Так, однородность пространства, т.е. симметрии по отношению к преобразованию сдвига, приводит к закону сохранения импульса. Однородность времени приводит к закону сохранения энергии. Изотропность пространства приводит к закону сохранения момента импульса.

4.3.2 Пространство и время в классической механике.

Механический принцип относительности Галилея В 1687 году вышел основополагающий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», в котором сформулированы основные законы движения и даны определения понятиям пространства и времени.

Эти представления легли в основу классической физики, которая рассматривает движения со скоростями, намного меньшими скорости света. Абсолютное пространство совершенно пустое, оно существует независимо от физических тел, его свойства описываются геометрией Евклида. Движение в абсолютном пространстве осуществляется по законам механики и представляет собой перемещение по непрерывным траекториям.

Абсолютное время протекает равномерно и называется длительностью.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.