Учебное пособие: Концепции современного естествознания Бочкарев

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тольяттинский государственный университет сервиса (ТГУС)»

А. И. БОЧКАРЁВ, Т. С. БОЧКАРЁВА,

С. В. САКСОНОВ

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Учебник

Тольятти

2008

УДК 5(075.8)

ББК 20я73

Б 86

Рецензенты:

д.б.н., проф., засл. деятель науки РФ, чл.-корр. РАН,

директор Института экологии Волжского бассейна Г. С. Розенберг;

д.т.н., проф., засл. деятель науки и техники РФ,

президент Тольяттинского отделения РАЕН В. И. Столбов

Учебник написан в строгом соответствии с Государственным образовательным стандартом по дисциплине «Концепции современного естествознания» с учетом многолетнего опыта преподавания данной дисциплины в Тольяттинском государственном университете сервиса, а также опытом Интернет-тестирования Минобрнауки РФ.

В учебнике рассмотрены основные концепции современного естествознания с позиций синергетической парадигмы фундаментальности, реализуемой авторами при организации синергетической образовательной среды по дисциплинам кафедры «Современное естествознание» ТГУС.

Рассмотрены эволюция современного естествознания от античности до наших дней, концепции самоорганизации в физике, химии, биологии, психологии, принципы целостности естествознания, механизмы языка, принципы синергетики, формирование эволюционного естествознания, созидание синергетической среды в системах различной природы.

Содержание и нелинейная структура учебника разработаны как мультидисциплинарный дидактический комплекс, формирующий целостное мировоззрение, инновационную культуру студентов, магистров и аспирантов.

Учебник адаптирован к технологии дистанционного обучения «Прометей» и является основной (системообразующей) частью учебно-методического комплекса по этой дисциплине (учебное пособие для самостоятельной подготовки, лабораторный практикум с виртуальными работами, база данных из вопросов (более 3000 вопросов), лекций-презентаций и видеолекций).

Учебник может быть полезен не только студентам вузов, но и аспирантам, магистрам и преподавателям, а также тем, кто интересуется достижениями и проблемами современного естествознания.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Специфика учебной дисциплины «Концепции современного естествознания», ориентированной на студентов гуманитарных и социально-экономических специальностей, состоит в том, чтобы системно понятным языком представить весь спектр концептуальных разработок современного естествознания с пользой для жизни и образования будущих специалистов, бакалавров, магистров.

Концепция естественнонаучного образования гуманитариев и ее воплощение далеки от идеала, и много лет дискредитировалась исходная идея путем освоения этой дисциплины разными специалистами: от физиков до гуманитариев, излагающих в меру своей подготовки и пристрастий целый курс, сделав его, таким образом, безпредметным. Большей дискредитации подвергается дисциплина после чтения ее гуманитариями с попытками широких обобщений, что способствует формированию целостного видения мира и культуры мышления, но не несет толкового естественно-научного знания, однако, так и у «чистых физиков» возникает ситуация неприменимости данного курса в жизни и профессиональной деятельности из-за излишней конкретики. Так где же золотая середина?

В любой методологии должен присутствовать концептуальный стержень – главная идея, реализация которой и образовала бы структуру представления данного курса, составляла бы его внутреннюю логику. На взгляд авторов данного учебника такой концептуальной идеей является синергетическая парадигма фундаментальности, находящаяся в корреляции с главной идеей и традициями русского космизма, «нового диалога человека и природы», отражающие главные отличия научного постижения природы. Современное естествознание все больше становится наукой о развитии : в биологии, синергетике, неравновесной термодинамике, космологии, в котором преобладает синергетический подход.

Сумма частных картин не дает цельной картины и не только из-за неконтролируемого взаимодействия в природе и ничейных территорий (промежуточных предметов) разных наук, сколько в том, что такой подход и тенденции к дифференциации оставляют за пределами наших формализованных знаний большие массивы тех знаний, умений и обладаний, которые как бы «выбрасывают с водой и ребенка».

Чтобы обойти эту неопределенность проф. А.Д. Сухановым обосновывается идея неконтролированного воздействия и трансдисциплинарные (над) дисциплинарные идеи. Остается только недоумевать, а есть ли предмет у современного естествознания, который по стихийному подходу авторов многих учебников по дисциплине «Концепции современного естествознания» видимо мыслится как некоторый многоголовый монстр, содержащий предметы (дисциплины), составляющие по всеобщему заблуждению междисциплинарный синтез этого, хотя и ограниченного множества предметов. Все дело в том, что синтез возможен по принципу наложения (суперпозиции) и справедлив лишь для линейных замкнутых систем. Совокупность наук и дисциплин, составляющих современное естествознание, является нелинейной, открытой, самоорганизующейся системой, для которой принцип суперпозиции несправедлив. Стало быть, имеет место не интеграция ряда дисциплин, не декларируемый междисциплинарный их синтез, и, к сожалению, реализованный во многих учебниках по КСЕ дифференциальный подход к изучению природы по частям. Реальность такова: хотим мы этого, или не хотим, в этом курсе имеет место глубокое взаимопроникновение, мультидисциплинарное взаимодействие, «эмерджентный нелинейный синтез» с алгоритмом реальности открытых нелинейных систем различной природы (прим. ред.). Этот алгоритм работает в природе, особенно в живой, имеет отношение к естественному отбору, борьбе за существование к превосходству сложного, и приоритету простого. Поэтому необходимо постижение Природы в дисциплине «Концепции современного естествознания» в соответствии с синергетической парадигмой фундаментальности без отторжения.

Учебник явился результатом многолетнего преподавания курса в Тольяттинском государственном университете сервиса, постановки его в соответствии с двумя поколениями государственного образовательного стандарта, написанием учебника, имеющего рекомендательный гриф Минобразования (1998), ряда учебных пособий, создания информационно-синергетической среды данной дисциплины на современном уровне.

Авторы благодарны докторанту, к.б.н., доц. Васюкову В.М. за правку и замечания к разделам 3,5;6; аспиранту Бочкаревой Р.А. за верстку и разработку всего оригинала-макета учебника.

Авторы благодарны студентам ТГУС, среди которых апробировался материал настоящего учебника, на лекционных, семинарских, занятиях, индивидуальных творческих работах, исследованиях восприятия его студентами, поэтому содержание приняло лаконичный, читаемый и обучаемый вид.

Учебник полезен как для самообразования, так и контроля знаний и не исключает, а предполагает изучение других работ по данной дисциплине, приведенный в списке литературы и содержащийся авторский учебный материал в базе данных сайта кафедры «Современное естествознание» Тольяттинского государственного университета сервиса для системы дистанционного обучения «Прометей».

1. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ ФОРМЫ КУЛЬТУРЫ. НАУЧНЫЙ МЕТОД

1.1. Естественно-научная и гуманитарная формы культуры

Под культурой в самом широком смысле принято понимать все то, что создано человечеством в ходе его исторического развития.

Иначе говоря, культура – это совокупность созданных человечеством материальных (материальная культура) и духовных (духовная культура) ценностей, а также способность человека производить и использовать данные ценности.

Нельзя забывать, что культура воплощает целостную систему представлений о мире, которая характеризует уровень развития, как всего общества, так и отдельной личности.

Понятие культуры в наше время недопустимо ассоциировать только с гуманитарным знанием, включающим философию, психологию, теорию литературы, музыки, изобразительного искусства и их отдельные феномены в виде тех или иных произведений. Культура определяет духовный мир человека, а он между тем формируется также и под воздействием осмысления Природы, поэтому естественнонаучное знание – это также часть общечеловеческой культуры.

Классическая и неклассическая стратегии естественнонаучного мышления развивались на основе наблюдений за природой и оформились благодаря естествознанию, так что можно уверенно утверждать, что оно обогатило сокровищницу мировой культуры бесценным вкладом – даром понимать природу и одновременно осознавать зависимость характера получаемого знания от своей мысленной позиции. В определенном смысле человек понял, что природа открывается ему на столько, насколько он внутренне настроен что-либо узнать о ней. Где, как не в этом, можно увидеть ярчайшее проявление единства человека и природы, гуманитарного и естественнонаучного начал культуры.

Очевидно, что человек может существовать только при соблю­дении определенных условий бытия. Прежде всего, должны быть удовлетворены его потребности в пище, одежде, жилище, тепле, т.е. его материальные (биологические) потребности. С развитием цивилизации материальные потребности непрерывно растут.

Однако материальные потребности людей не исчерпывают всех их потребностей. Человек – существо разумное и биосоциальное. В связи с этим у человека, помимо материальных, имеются еще и так называемые духовные потребности. К понятию «духовное» обычно относят сознание, мышление, психологию, волю, характер, ощущения, естественную потребность человека в познании окружающего мира (природы и общества).

Таким образом, духовные потребности человека – это потребности в развитии его знаний, чувств и ощущений с целью более полного и всестороннего ощущения красоты мира, развития воли, характера и т.д. Все это создает духовный мир человека, его духовную культуру. Развитие и совершенствование духовного мира является, в конечном счете, одним из важнейших элементов смысла существо­вания человека на Земле.

Для удовлетворения духовных потребностей люди создали науку, искусство, философию, литературу, мораль, религию и т.д. Материальные носители духовного – язык, книги, художественно-изобра­зительные средства.

Осваивая эти ценности, человек постепенно развивает свой внутренний духовный мир: знания, интересы, ценности, т.е. все элементы духовной культуры. И, в конечном счете, можно образно сказать, что именно духовная культура делает человека Человеком.

Важнейшей частью духовной культуры, как было уже отмечено, наряду с искусством, правосознанием, религией и т.д., является наука.

Наука – это особая сфера деятельности человека, направленная как на получение новых знаний, так и на разработку новых методов их получения.

Современная наука – сложная и многообразная система отдель­ных дисциплин. Науковеды насчитывают их несколько сотен.

К настоящему времени сложилась устойчивая традиция разделе­ния всех дисциплин на две большие группы: естественно-научные и социогуманитарные знания, в связи, с чем выделяют два типа нар естественные и гуманитарные. Очевидно, что естественные и гуманитарные науки различаются, прежде всего, объектами исследования первые изучают природу, а вторые – человека и общество, характеризуются присущими только им особенностями познавательно деятельности. Они различаются не только объектом познания , но средствами и методами познания, формами результатов познания стилем мышления и методологическими установками.

Совокупность систем ценностей, идеалов, стилей мышления, методологических установок, присущих отдельным дисциплинам и их комплексам, называют научной культурой.

Различают формы культуры естественно-научного и гуманитарного познания. Так возникло и получило широкое распространение представление о «двух формах культуры» в науке − естественно-научной и гуманитарной.

Естественно-научная форма культуры – система знаний о природе.

Гуманитарная форма культура – система знаний о позитивно значимых ценностях бытия человека, социальных слоев, государства, человечества.

Наличие в единой культуре двух разнородных типов знания (естественно-научного и гуманитарного) стало предметом философ­ского анализа еще в XIX в. Однако в XX в. произошел заметный и все более увеличавающийся разрыв между естественно-научной и гуманитарной культурами. Это связано с тем, что XX в. отмечен грандиозными успехами естествознания и последовавшей за этим научно-технической революцией. Овладение атомной энергией, созда­ние всемирных глобальных телевизионных систем, выход человека в космос, расшифровка генетического кода и т.д. – эти и другие достижения естественно-научной культуры существенно изменили стиль и образ жизни человека. Гуманитарная же форма культуры предъявить что-либо равноценное не смогла.

Принимая также во внимание то обстоятельство, что развитие ес­тествознания в XX в. связано с глобальной математизацией науки, приведшей к успешному применению математического моделирова­ния для описания явлений и природных процессов, и на этой основе получены выдающиеся достижения и открытия, естественные науки приобрели статус «точных наук», а естествознание – статус «точного знания». Соответственно гуманитарные науки в массовом сознании перешли в разряд «неточных наук», или вообще «не наук».

Специфика естественно-научной формы культуры заключается в том, что знание о природе отчуждено от исследователя. Последний находится как бы за пределами сферы знания, сторонним наблюдателем . Поэтому естественнонаучное знание может постоянно совершенствоваться: на смену одному естествоиспытателю приходит другой, потом третий и т. п. Одни и те же естественно-научные законы могут открываться разными учеными, могут быть «синтетическими», т. е. включать в себя несколько различных открытий.

В то же время естественно-научное знание становится все более специализированным, во многих случаях недоступным представителям других специальностей. В связи с этим широкое распространение получила научно-популярная литература, как бы «перекидывающая мост» между обыденным сознанием и узкоспециализированным научным знанием.

Когда возникли и обособились отдельные науки о природе, вызревание подобных идей не то чтобы затормозилось, но перешло в латентную (скрытую) фазу. Долгое время они формировались подспудно, так как параллельно шел независимый процесс накопления и осмысления того, что происходит в природе. Мультидисциплинарные идеи обретали плоть по мере умножения конкретных знаний.

Гуманитарная форма культуры ориентирована на общечеловеческие ценности, такие, как гуманизм, демократия, мораль, права человека и т. п. Но исследователь этой культуры находится внутри рассматриваемых проблем. Философские системы, религии, филологические исследования включают в себя особенности, присущие их творцу. Вся его жизнь часто неразрывно вплетена в «ткань» этих систем, религий и т.п. Поэтому и методы исследования, используемые в области гуманитарного знания, разительно отличаются от естественно-научных и сводятся преимущественно к интерпретациям, толкованиям, сравнениям.

Постепенно между двумя типами наук и форм культур образовалась научная пропасть, которая постепенно расширялась, и ученые, посвятившие себя изучению естественных и гуманитарных наук, стали все меньше понимать друг друга. Возникла опасная тенденция раскола научной интеллектуальной элиты современного общества.

К счастью, в последние десятилетия процесс конфронтации двух типов наук стал сменяться их сближением, а в ряде случаев и процессами интеграции.

Сама дифференциация наук по предметам изучения возникла сравнительно недавно. В древности существовала единая наука о природе. Она называлась натурфилософия. На природу смотрели как на единую сущность, и поэтому это была одна наука.

С течением времени в связи с расширением практических потребностей человека появились спектр отдельных наук о природе. Сначала астрономия и небесная механика, потом механика земных движений, далее учение о теплоте. Возник спектр междисциплинарных наук, таких как биохимия, физическая химия, и др. из-за специфических предметов исследования. При изучении пограничных явлений возникли методы смежных наук, в которых появилась новая тенденция, заключающаяся в интеграции научного знания, ибо много наук порождало больше незнания, специфичность отдельных наук и их языка. Создаются физическая, химическая, биологическая и др. картины мира, каждые из которых имеют свои границы. Вот и пришли к парадоксальной ситуации изучения единой природы по частям , которые отнюдь не способны естественным образом к взаимному проникновению и взаимопониманию. Это случилось по причине ухода от единого предмета и объекта, как бы его не называли. Ведь на улице «чужих детей не бывает», а «у семи нянек – дите без глаз». Так может быть в этом и состоит тормоз развития цивилизации, как закате единой культуры, понимаемой как способ жизни , а не выживания по второму сценарию?

Сумма частных картин не дает цельной картины и не только из-за неконтролируемого взаимодействия в природе и ничейных территорий (промежуточных предметов) разных наук, сколько в том, что такой подход и тенденции к дифференциации и интеграции оставляют за пределами наших формализованных знаний большие массивы тех знаний, умений и обладаний, которые как бы «выбрасывают с водой и ребенка».

Обращаясь к аналогиям, вспомним, что в искусстве также существуют направления, различающиеся методами отражения действительности. Это реализм, модернизм, импрессионизм и т. д. Нам трудно было бы оценить достоинства живописного произведения, в котором причудливо сочетались бы разные стили. Эклектика не порождает гармонии. Также и дисциплина «Концепции современного естествознания» может выродиться в набор большого числа отдельных наук, не рождающих вместе синергетического эффекта постижения природы на фундаментальном уровне без отторжения, поскольку упорное деление единого предмета по определению отторгает субъекта и делает его «сторонним наблюдателем», недоумевающим от того, что его готовят для энциклопедических знаний всего того, что содержится в этом множестве наук никогда не используемых в его жизни.

Необходимо отдавать себе отчет в том, что современное естествознание как мультидисциплинарная наука вовсе не сводится к совокупности знаний, полученных в частных науках. Оно использует эти знания, но особым образом. Здесь подразумевается более высокий уровень интеграции, усиления, взаимопроникновения, чем при традиционном междисциплинарном синтезе, а именно мультидисциплинарный синтез , порождающий взаимопроникновение наук, взаимоусиление итогового познавательного результата. Дело в том, что современное естествозна ние – это мультидисциплинарная научная область знания , предназначенная для формирования умений и обладаний человека, являющегося часть естественной и искусственной природы. Этим обозначается его направленность на поиск единых, универсальных закономерностей природы , воплощенных в объединяющих идеях и представлениях, признаваемых во всех естественных науках. Поэтому для становления современного естествознания необходим очень высокий уровень развития частных наук. Сейчас еще нельзя сказать, что он достигнут, поэтому современное естествознание находится в стадии формирования своих фундаментальных парадигм (систем основополагающих представлений), объединяющей идеей, например, служит синергетическая парадигма фундаментальности.

Другая важнейшая особенность современного естествознания связана с тем, что осмысление накопленного знания невозможно без ис следования процедур его получения, т.е. знания истории науки и техники . Они принципиально влияют на результаты, формируя ту или иную стратегию научного мышления. Однако сейчас отметим, что на этом уровне современное (со-временное) естествознание интегрирует не только совокупные знания о природе, но и возвращает исследователя в новый диалог с природой на фундаментальном уровне без отторжения. Человек не противопоставляется миру природы, а рассматривается как его органическая часть.

В XX в. на основе неклассической стратегии естественнонаучного мышления зародилась новая неклассическая научная ментальность, главный смысл которой – отражение мира не в виде аддитивного множества объектов, явлений и типов, форм культур, а в виде сложной нелинейной, (мультидисциплинарной ) системы взаимодействия частей и целого. Благодаря ей мир в нашем сознании обретает целостность , т. е. становится принципиально не делимым на отдельные фрагменты. Он наполняется внутренней гармонией вопреки внешне разрозненным и неоднозначным проявлениям. За многогранностью и многообразием объектов и процессов нашему пониманию открывается сложность открытого нелинейного мира.

В понимании всего сказанного выше заключается инновационная культура как специфика мышления современного образованного человека (см. разд. 9.7). Благодаря системе образования эти качества личности должны формироваться и воспроизводиться в последующих поколениях. Тем более огорчительно, что современная система образования фактически не выполняет этой миссии, т.е. не формируем инновационной и интеллектуальной культуры в процессе обучения, воспитания и развития. Даже в наметившемся «болонском процессе» в двухступенчатом образовании бакалавр-магистр образуются лестница компетенций: знать, уметь, владеть, быть , как бы перевернув познание с ног на голову и отделив его, т.е. субъекта познания (человека) от объекта (природы). Древние люди по меткому выражению П. Флоренского понимали, что «прежде чем хотеть, нужно быть» : в единстве с природой и познавать, не отторгаясь от нее. Стало быть, что стоит такое образование, которое, по сути, подразумевает бытие после становления . По алгоритму И. Пригожина новый диалог человека и природы должен происходить «от бытия к становлению, от существующего к возникающему», т.е. постижение природы на фундаментальном уровне без отторжения. То есть целью постижения должно быть не владение, а обладание , присущее познающему субъекту на всех стадиях, поскольку «знание действительно становится силой, когда через владение приводит к самообладанию» (прим. ред.) Таким образом, лестница компетенций должна быть такой: быть , (если не будешь, то и не станешь), знать, уметь, обладать . Что может быть выше этого? Владеть (овладеть можно и силой) не обладая это временно, поскольку силу и власть можно потерять, а «обладать, владея» это нельзя потерять, отнять, купить и т.д., поскольку это является атрибутом, внутренней сущностью образованного интеллигентного человека.

Классическая ментальность более соответствует грубому повседневному опыту человека, а потому ее становление происходит без особых затруднений, как бы самопроизвольно. Несмотря на это, наше образование от школы до университета построено так, что львиная доля усилий (явных и неявных) тратится именно на ее усовершенствование. При этом для всего иного уже не остается времени, и большая часть студентов университетов оказывается обладателями преимущественно классического, а не синергетического стиля мышления . Резонно все же поставить вопрос: а так ли уж это опасно?

Нам думается, что опасно по следующим причинам. Во-первых, такая личность духовно обделена – она имеет представление лишь о части мира, потому что неклассическая его сторона навсегда скрыта от нее. Во-вторых, доминирование классического подхода в преподавании настраивает на восприятие природных и социальных процессов как некоего нарушения здравого смысла, как экзотического отступления от нормы, требующего для своего объяснения особых, специфических теорий. За подобными представлениями кроется не только общая научная малограмотность, которая не должна проявляться у образованного человека. Это чревато и профессиональной несостоятельностью , поскольку инновационная культура определяет успешность деятельности в любой сфере. В-третьих, подобные реакции к тому же вызывают и психологический дискомфорт – ведь встречаясь с неожиданными для классического мировоззрения фактами, человек испытывает эмоциональный и интеллектуальный стресс вместо того, чтобы воспринять их как естественное проявление неклассичности, нелинейности окружающего мира.

Наилучшим тренировочным полем для овладения неклассической стратегией мышления является процесс освоения знаний в естественнонаучной области.

Человеческое общество вступило в век господства принципиально новых, высоких технологий в различных сферах деятельности. И совершенно естественно, что новому, более высокому уровню цивилиза­ции должна соответствовать новая, более высокая ступень развития человека и человеческого общества в целом в их взаимодействии с природой. Возникает задача целостного, гармонического развития духовных и материальных сил человека . А путь к ее решению – в единении и интеграции естественных и гуманитарных знаний, путь к единой (инновационной) культуре.

1.2. Научный метод

Исследование феномена история науки непременно приводит к конкретным личностям – ученым, сделавшими открытия, изобретения, являющиеся «посредниками» в инновационной среде развития цивилизации. Современное естествознание немыслимо без истории науки и техники, однако преподавание дисциплины «Концепции современное естествознание» может стать неэффективным, если будет превышена мера соотношение содержания истории науки и техники и самого предмета современного естествознания. По истории науки и техники последнее время написано много хороших пособий, и они имеют самостоятельный интерес.

С течением времени искусство сбора научной информации и выработки на ее основе определенных представлений подразделилось на ряд последовательных этапов. Появились научные методы, объе­динение которых в определенную систему привело к созданию методологии проведения научных исследований. Научный метод начинается с наблюдения объектов и событий и ведет к построению научных теорий и их проверке.

Научный метод – это совокупность приемов или операций практической или теоретической деятельности.

Конкретные, частные, специальные приемы и способы исследо­вания в разных науках могут заметно отличаться друг от друга, но общий подход к познанию, т.е. метод исследования, остается в сущности тем же самым. В этом смысле частные приемы и методы познания, используемые в конкретных науках, можно охарактеризовать как тактику исследования, а общие принципы и методы – как его стратегию.

Для анализа и оценки различных методов существует особое учение – методология.

Методология – это учение о принципах построения, формах и способах научного познания.

В методологии обычно выделяют общие методы исследования, используемые большинством наук на разных этапах познавательной деятельности.

Следует подчеркнуть, что методология тесно смыкается с так на­зываемой формальной логикой, которая главное внимание направ­ляет на выяснение структуры готового, оформившегося знания, на описание его формальных связей и элементов на языке символов и формул при отвлечении от конкретного содержания высказываний и умозаключений.

Метод – есть совокупность приемов и операций практического и теоретического познания действительности. Каждый акт познавательного процесса включает в себя в той или иной степени как наглядно-чувственные, эмпирические, так и абстрактные, теоретические элементы. Каждый акт живого созер­цания пронизан мыслью, опосредован понятиями, категориями.

Исторически путь естественно-научного познания окру­жающего мира начинался с живого созерцания – чувственного восприятия фактов на основе практики. От живого созерцания человек переходит к абстрактному мышлению, а от него – снова к практике, в которой он реализует свои мысли, выверяет их истинность. Идеи служат направляющей силой, но для своего воплощения они должны постоянно подтверждаться через наблюдения, эксперименты, т.е. посредством эмпирического познания. Эмпирическое и теоретическое познание – это единый процесс, характерный для любого естественно-научного исследования на любой его стадии. На эмпирическом и теоретическом уровнях используется понятийный аппарат мышления – понятия, суждения, умозаключения.

Эмпирический уровень познания. Эмпирическое познание имеет дело с фактами и их описанием. Проследим кратко всю последователь­ность наблюдаемых действий.

Вся научная информация основана на наблюдениях и подвергается объективной проверке . Непосредственные наблюдения ограничиваются только ощущениями , полученными от пяти органов чувств (зрение, слух, обоняние, осязание, вкус). Эти данные можно проверить, поскольку наши органы чувств могут обманываться (зрительные и звуковые галлюцинации, различное восприятие тепла и холода, вкусовых ощущений, запахов в зависимости от условий и т.д.). На этих иллюзиях часто строятся фокусы. До того как наблюдения станут фактом, они должны быть проверены.

Ощущение – это простейшие чувственные образы, отражения, «копии» предметов. Целостный образ, отражающий непосредственно воздействующие на органы чувств предметы, их свойства и отношения, называется восприятием. Опыт восприятия каждого из органов чувств опосредует восприятие, осуществляемое с помощью других органов чувств. Решающую роль играет зрение. Способность мозга запечатлевать, сохранять воздействие или сигналы вешней среды и в нужный момент воспроизводить их называется памятью. Память играет очень важную познавательную роль в жизни человека. Психические явления, сменяющие друг друга и не связанные с предшествующими явлениями прежде, чем закрепиться в памяти, не могут остаться фактом сознания. В результате восприятия внешних воздействий и сохранения их во времени памятью возникают представления .

Представления – это образы тех объектов, которые когда-то воздействовали на органы чувств человека, а потом восстанавливаются по сохранившимся в мозгу следам и при отсутствии этих объектов. Ощущения и восприятия – начало возникновения сознательного отражения. Память закрепляет и сохраняет полученную информацию. В представлении уже теряется непосредственная чувственная данность объекта сознания. Представление – промежуточная ступень при переходе от ощущения к мысли.

Научный факт. Необходимое условие естественно-научного исследования состоит в установлении фактов. Эмпирическое познание поставляет науке факты, фиксируя при этом устойчивые связи, закономерности окружающего нас мира. Без теоретического осмысления невозможно целостное восприятие действительности, в рамках которого многообразные факты укладывались бы в некоторую единую систему.

Наблюдение – преднамеренное, планомерное восприятие, осуществляемое с целью выявить существенные свойства объекта познания. Наблюдение относится к активной форме деятельности, направленной на определенные объекты и предполагающей формулировку целей и задач.

Эксперимент – метод, или прием, исследования, с помощью которого объект или воспроизводится искусственно, или ставится в заранее определенные условия. Метод изменения условий, в которых находится исследуемый объект, – это основной метод эксперимента.

Мышление – высшая ступень познания. Хотя его источник – ощущения и восприятие, но оно выходит за их границы и позволяет формировать знания о таких объектах, свойствах и явлениях, которые не доступны органам чувств. Мышление – целенаправленное, опосредованное и обобщенное отражение в мозгу человека существенных свойств, причинных отношений и закономерных связей вещей. Основными формами мышления являются понятия, суждения и умозаключения.

Понятие – это мысль, в которой отражаются общие и существенные свойства объектов и явлений. Понятия не только отражают общее, но и группируют, классифицируют объекты в соответствии с их различиями. Понятия возникают и существуют в определенной связи, в виде суждений. Мыслить – значить судить о чем-либо, выявлять определенные связи и отношения между различными сто­ронами объекта или между объектами.

Суждение – форма мысли, в которой посредством связи понятий утверждается (или отрицается) что-либо о чем-либо. По отношению к действительности суждения оцениваются как истинные или ложные. К тому или иному суждению человек может прийти путем непосредственного наблюдения какого-либо факта или опосре­дованным путем – с помощью умозаключения.

Умозаключение представляет собой рассуждение, в ходе которого из одного или нескольких суждений, называемых предпосылками или посылками, выводится новое суждение (заключение или следствие), логически непосредственно вытекающее из посылок.

Главная задача теоретического мышления – привести полученные данные в стройную систему и создать из них научную картину мира, лишенную логического противоречия.

Важной формой теоретического мышления является гипотеза (предположение) – вид умозаключения о сущности еще недостаточ­но изученной области действительности. Гипотеза требует проверки и доказательства, после чего она приобретает характер теории – системы обобщенного знания, объясняющей те или иные стороны действительности.

Теоретический уровень познания . Отдельные наблюдения и экспери­менты отвечают на строго конкретные вопросы. Затем из отдель­ных «кирпичиков» информации складывается целое здание – теория. Однако при построении теории, как правило, используют­ся уже другие, более высокие уровни познания, так называемые методы теоретического познания: формализация, абстрагирование, индукция и дедукция, анализ и синтез, моделирование.

Одна из важных задач естественно-научного познания – обобщение всего известного об окружающем мире. Эксперимент и наблюдение дают огромное многообразие данных, порой не согласованных между собой и даже противоречивых. Главная задача теоретического мышления – привести полученные данные в стройную систему и создать из них научную картину мира, лишенную логического противоречия.

Важной формой теоретического мышления является гипотеза – предположение, исходящее из ряда фактов и допускающее существование объекта, его свойств, определенных отношений. Гипотеза – это вид умозаключения, пытающегося проникнуть в сущность еще недостаточно изученной области действительности. Гипотеза требует проверки и доказательства, после чего она приобретает характер теории – системы обобщенного знания, объяснения тех или иных сторон действительности.

Описание, объяснение и предвидение. Эмпирическое познание имеет дело с фактами и их описанием. При теоретическом анализе эмпирического материала логической обработке подвергается вся совокупность эмпирических данных, полученных различными путями и зафиксированных в различных источниках информации. В процессе теоретического мышления познание идет от фактов и их описания к интерпретации, объяснению их. Первым и необходимым условием объяснения фактов является их понимание, т.е. осмысление фактов в системе понятий данной науки. Понять явление означает – выяснить те особенности, благодаря которым оно играет определенную роль в составе целого, раскрыть суть, способ его возникновения.

В современном понимании методология – учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности. В частности, методология естествознания – это учение о принципах построения, формах и способах естественно-научного познания. В естественно-научном исследовании природы важен не только хороший метод, но и мастерство его применения.

Сравнение есть установление сходства и различия объектов.

Анализ представляет собой мысленное или реальное разложение объекта на составляющие его части. Когда путем анализа частности достаточно изучены, наступает следующая стадия познания – синтез – объединение в единое целое расчлененных анализом элементов. Анализ фиксирует в основном то специфическое, что отличает части друг от друга. Синтез вскрывает то общее, что свя­зывает части в единое целое. Анализ и синтез – основные приемы мышления.

Абстрагирование – мысленное выделение какого-либо предмета, в отвлечении от его связей с другими предметами, какого-либо свойства предмета в отвлечении от других его свойств, какого-либо отношения предметов в отвлечении от самих предметов. Абстрагирование составляет необходимое условие возникновения и развития любой науки и человеческого познания вообще. Абстрагирование – это движение мысли вглубь предмета, выделение его существенных элементов.

Идеализация как специфический вид абстрагирования – это мыслительное образование абстрактных объ­ектов, не существующих и не осуществимых в действительности, но для которых имеются прообразы в реальном мире. Идеализация – это процесс образования понятий, реальные прототипы которых могут быть указаны лишь с той или иной степенью приближения.

Под абстрактным понимается одностороннее, неполное отражение объекта в сознании. Конкретное – результат научного исследования, отражение объективной действительности в системе понятий и категорий, теоретически осмысленное единство многообразного в объекте исследования. Методом теоретического познания объекта как целого является восхождение от абстрактного к конкретному.

Аналогией называется вероятное, правдоподобное заключение о сходстве двух предметов в каком-либо признаке на основании установленного их сходства в других признаках. Аналогии дают лишь вероятные заключения, они играют огромную роль в познании, так как ведут к образованию гипотез – научных догадок и предположений, которые в ходе последующего этапа исследований и доказательств могут превратиться в научные теории. Аналогия как метод чаще всего применяется в теории подобия , на которой основано моделирование.

В современной науке и технике все большее распространение получает метод моделирования, сущность которого заключается в воспроизведении свойств объекта познания на специально устроенном его аналоге – модели. Принцип моделирования составляет основу кибернетики. Моделирования стали применять в социологии, экономике и др.

В качестве метода естественно-научного исследования индукцию можно определить как процесс выведения общего положения из наблюдения ряда частных единичных фактов.

Дедукция – это процесс аналитического рассуждения от общего к частному или менее общему. Началом (посылками) дедукции являются аксиомы, постулаты или просто гипотезы, имеющие характер общих утверждений, а концом – следствия из посылок, теорем. Если посылки дедукции истинны, то истинны и ее следствия. Дедукция – основное средство доказательства. Применение дедукции позволяет вывести из очевидных истин знания, которые уже не могут с непосредственной ясностью постигаться нашим умом, однако представляются в силу самого способа их получения вполне обоснованными и тем самым достоверными. Дедукция, проводящаяся по строгим правилам, не может приводить к заблуждениям.

Открытие – установление новых, ранее неизвестных закономерностей, свойств и явлений материального мира, вносящих коренные изменения в уровень познания. За способностью как бы «внезапно» схватывать суть дела и чувствовать полную уверенность в правильности идеи по существу стоит накопленный опыт, приобретенные ранее знания и упорная работа ищущей мысли. При этом каждое новое открытие или изобретение подготовлено множеством предшествующих побед и заблуждений.

Одна из характерных особенностей творческой работы состоит в разрешении противоречий . Любое научное открытие или изобретение представляет собой создание нового, неизбежно связанного с отрицанием старого. В этом заключается диалектика развития мысли. Творческий процесс вполне логичен. Выстраивается логическая цепь операций, в которой одно звено закономерно следует за другим: постановка задачи , предвидение идеального конечного результата, отыскание противоречия , мешающего достижению цели, открытие причины противоречия и, наконец, разрешение противоречия.

Сила творческого воображения позволяет человеку взглянуть на примелькавшиеся вещи новыми глазами и различить в них черты, доселе никем не замеченные. Существенное значение в воспитании творческого воображения играет искусство.

В процессе научного открытия большую роль играет интуиция – способность постижения истины путем прямого ее усмотрения без обоснования с помощью доказательства. Многие ученые и художники считают, что самыми плодотворными в их творческом процессе являются моменты приливов вдохновения. После каких-то, может быть, очень долгих и мучительных исканий вдруг наступает удивительное чувство творческого порыва и ясности сознания . В этот момент человек работает быстро и сам чувствует, что делает хорошо, именно так, как нужно, как ему хотелось. Понятие интуиции сближает научное творчество с художественным.

Характерная черта научного мышления – доказательность . Истинность или ложность того или иного утверждения, как правило, не обладает прозрачной очевидностью. Во всяком доказательстве имеются: тезис, основания доказательства (аргументы) и способ доказательства. Тезисом называется положение, истинность или ложность которого выясняется посредством доказательства. Доказательство, посредством которого выясняется ложность, называется опровержением.

Все положения, на которые опирается доказательство и из которых необходимо следует истинность доказываемого тезиса, называются основаниями или аргументами. Основания состоят из положений о достоверных фактах, определений, аксиом и ранее доказанных положений.

Аксиомы – положения, не доказываемые в данной науке и играющие в ней роль допускаемых оснований доказываемых истин.

Связь оснований и выводов из них, имеющая результатом необходимое признание истинности доказываемого тезиса, называется способом доказательства. Доказательство одного и того же положения науки может быть различным. Связь оснований, ведущая к истинности доказательного тезиса, не единственная.

Рассмотренные методы и последовательное их применение по­зволили создать совершенную методологию научного исследования и решить основную задачу естественно-научного познания – правильно отражать объективную действительность в сознании человека, т.е. от­ражать ее такой, какая она существует сама по себе, независимо от человеческого сознания.

Между явлениями природы существуют устойчивые, повторяю­щиеся связи – проявления законов природы.

В системе научного знания большое значение имеют теории. Теории дают представление о закономерностях и существующих связях в определенной области.

Теория – это обобщение, логически объясняющее определенный набор фактов.

Теория сама по себе – не факт, так как недоступна для непосредственного наблюдения. Тем не менее, ее можно проверить и в зависимости от результатов признать или отклонить.

Главное отличие теории от гипотезы – ее достоверность, дока­занность. Естественно-научная теория дает объяснение целой области природных явлений с единой точки зрения. Квинтэссенцией теории являются законы, устанавливающие количественные связи и соотношения между различными наблюдаемыми в опыте величинами.

Нужно различать законы природы и законы науки. Первые про­являются в особенностях протекания природных явлений и процес­сов и во взаимосвязи некоторых величин. Они неизменны и всегда выполняются.

Научные законы – это попытка описать законы природы на языке математических формул или других точных формулировок.

Однако для понимания специфики теории как формы знания важно учитывать, что все теории оперируют не реальными объекта­ми, а их идеальными моделями , которые неизбежно абстрагируются от каких-то реальных сторон объектов и поэтому всегда дают не­полную картину действительности.

Главные элементы теории – ее принципы и законы. Принципы – наиболее общие и важные фундаментальные поло­жения теории. Как обобщающий результат предыдущего познания в данной теории, принципы всесторонне раскрываются и обосновы­ваются. При построении теории принципы играют роль исходных, основных и первичных посылок, закладываемых в фундамент теории. Законы конкретизируют принципы , раскрывают взаимосвязь вы­текающих из них следствий. Раскрывая сущность объектов, законы их существования, взаимодействия, изменения и развития, теория позволяет объяснить явления, предсказывать новые, еще неизвест­ные факты и характеризующие их закономерности, прогнозировать закономерное поведение изучаемой системы в будущем.

Таким образом, теория выполняет две важнейшие функции: объ­яснения и предсказания, научного предвидения. Теория – одна из наиболее устойчивых форм научного знания. Такая стабильность обеспечивается и ее системностью, и в большей или меньшей сте­пени ее общим характером. Чем более общим является знание, тем оно устойчивее.

Переход к новому принципу – по существу, переход к новой теории. При этом новая теория должна обязательно удовлетворять принципу соответствия , сформулированному Н. Бором. Согласно этому принципу каждая правильная новая, более общая теория должна не отвергать устоявшуюся, предшествующую ей менее общую теорию, а сводиться к ней в тех условиях, при которых она была получена. Так, например, более общая специальная теория относитель­ности не отвергает классическую механику, а сводится к ней при скоростях, много меньших скорости света.

Все теоретическое знание выражается не в одной теории, а в совокупности множества теорий. Изменения в наиболее общих теориях приводят к качественным изменениям всей системы теоретического знания, в результате чего происходит научная революция. Известные научные революции связаны с именами Н. Коперника, И. Ньютона, А. Эйнштейна.

Контрольные вопросы

1.В чем состоит взаимосвязь между естественно-научными и гуманитарными знаниями?

2.Какова специфика естественно-научной и гуманитарной форм культур?

3.В чем проблема «двух форм куль­тур»?

4.Каков предмет современного естествознания?

5.Каковы аксиологические и гносеологические проблемы естествознания?

6.Каковы важнейшие составляющие современной естественно-научной картины мира.

7.Какова последовательность развития научного знания?

8.Каковы уровни научного познания природы?

9.Какие методы научного познания относятся к числу общенаучных методов?

10. Что такое инновационная культура?

2. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

2.1. Корпускулярная и континуальная концепции

описания природы

2.1.1. Концепции строения материи и развития материального мира

Как известно, первый период становления естествознания относится к VII–IV вв. до н.э. и связан с греческой натурфилософией. В течение этого периода вырабатываются общие точки зрения на окружающий мир, ставятся вопросы о природе материи и духа, законах развития материального мира, о природе пространства и времени, движения и света.

Возникают также такие натурфилософские концепции, как ато мистика Левкиппа–Демокрита и натурфилософия Аристотеля.

Демокрит и Аристо тель , по сути, обобщили античную натурфилософию и сформулировали две принципиально различные концепции взглядов на строение материи и развитие материального мира: так называемые корпускулярную (Демокрит) и континуальную (Аристотель) концепции описания природы.

По Демокриту, материя состоит из вещества; вещество состоит из атомов-корпускул и пустоты; атомы находятся в постоянном движении; атомы вечны, не­изменны, неделимы и отличаются друг от друга лишь величиной и формой.

Демокрит считал, что движение присуще материи. Звук, теплота, свет – это субстанции, которые излучаются телами в виде частиц-корпускул.

По Аристотелю, мир материален, но объективно существуют конкретные вещи (предметы), а материя – некая субстанция, из которой при определенных условиях могут возникнуть те или иные предметы. Реальные тела можно дробить непрерывно, до бесконечности.

Синонимом непрерывности является континуальность. По Аристотелю, материя непрерывна (континуальна) и «природа не терпит пустоты».

Следует также отметить, что он первым стал рассматривать механическое движение тел в пространстве и во времени, а свет, например, представлял как движение в виде волн через некую среду – эфир.

Две выдвинутые концепции на природу материи, по существу, определили всю дальнейшую историю развития естествознания более чем на двухтысячелетний период, вплоть до XX в.

Развивая свою концепцию, Аристотель конкретизировал механизмы образования различных веществ. Он считал, что в основе материальных вещей лежит непрерьщная первоматерия, ее количество в природе неизменно. Первоматерии присущи четыре основных качества: тепло и холод, сухость и влажность. Разнообразие веществ зависит от сочетания этих качеств в различных пропорциях. Комбинируя качества попарно, Аристотель приходит к четырем элементам – земле, воде, огню и воздуху. Взгляды Аристотеля оказали большое влияние на развитие естествознания на более чем тысячелетний период и в дальнейшем получили своеобразное развитие в алхимии.

Напротив, учение Демокрита далеко опередило взгляды современников и вначале не получило понимания. Только впоследствии, в результате развития научного естествознания, оно через много веков было признано.

К XVII в. стало ясно, что главные цели алхимии — получение золота и «философского камня» – оказались недостижимыми и что существует некоторый предел возможных взаимопревращений веществ.

Постепенно наука начинает освобождаться от влияния учения Аристотеля, и возрождается античный атомизм Демокрита. Особенно важную роль при этом сыграли труды французского мыслителя П. Гассенди . Он возрождает представления о том, что материя состоит из постоянно движущихся атомов и пустоты, которая является условием возможности движения атомов. Развитие и конкретное приложение идей атомизма осуществил английский фи­зик и химик Р. Бойль .

Однако потребовалось еще около ста лет, чтобы ученые окончательно избавились от аристотелева представления о строении вещества, и вышли на путь атомистического понимания явлений природы.

Затем на рубеже XVIII–XIX вв. был открыт целый ряд новых важнейших законов химии, которые полностью утвердили атомно-молекулярную концепцию строения вещества. Среди них закон постоян­ства состава (закон Пруста), закон кратных отношений (Д. Дальтон), закон простых объемных отношений (Ж.Л. Гей-Люссак) и закон Авогадро. К середине XIX в. атомно-молекулярный взгляд на природу материи получил полное признание. Таким образом, был подведен итог развитию представлений того времени о природе вещества.

2.1.2. Развитие представлений о природе света.

Корпускулярно-волновой дуализм

По-иному шла история развития представлений о природе света и оптических явлениях. Напомним, что Аристотель считал, что свет – это движение волн, распространяющихся в некоторой непрерывной среде – эфире. Однако в дальнейшем И. Ньютон , быв­ший, как и большинство, ученых того времени, сторонником атом-но-корпускулярной концепции строения вещества, считал, что свет представляет собой поток частиц-корпускул, движущихся прямолинейно. Такая точка зрения, в частности, хорошо объясняла законы геометрической оптики. Однако при изучении других оптических явлений накапливались факты о таких процессах, как интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия света, которые, напротив, легко было объяснить, исходя из того, что свет – волновое движение через некоторое не­обычное вещество – эфир.

Во второй половине XIX в. точку в вопросе о природе света поставил Дж. Мак свелл , который, создав теорию электромагнетизма, доказал, что свет представляет собой электромагнитное поле, распространяющееся в виде волн. То есть была открыта новая материаль­ная субстанция – поле, свойства и законы движения которой в соответствии с развитой Дж. Максвеллом электродинамикой соответствовали в большей мере континуальной, непрерывной концепции Аристотеля.

Таким образом, к концу XIX в. сложилась следующая ситуация и изучении природы материи. Оказалось, что материя предстает в виде двух форм – вещественной и полевой с существенно разными свойствами, при этом вещественная форма материи находит объяснение в рамках корпускулярной, а полевая – напротив, в рамках континуальной концепции.

Начало XX в. ознаменовалось столькими неожиданными открытиями в изучении вещества и поля, полностью изменившими представления о природе материи. Вначале это относилось к световым, электромагнитным явлениям, в частности, к излучению абсолютно черного тела и фотоэффекту. Как известно, для объяснения излучения абсолютно черного тела М. Планку в 1900 г. и фотоэффекта Л. Эйнштейну в 1905 г. пришлось принять, что свет в ряде случаев ведет себя как поток отдельных частиц – фотонов (корпускул), а не как волна.

Таким образом, при рассмотрении электромагнитного поля воз­никло представление о корпускулярно-волновом дуализме. Причем при больших длинах волн электромагнитного излучения в большей мере проявляются непрерывные (континуальные) волновые свойства света, а при малых (рентгеновские и γ –лучи) – дискретные (корпускулярные), квантовые свойства.

Так физика начала XX в. открыла диалектическое единство двух классических противоположностей – частиц и волн

После установления такого удивительного факта французский физик Луи де Бройль , опираясь на законы симметрии в природе в 1923 г. выдвинул совершенно радикальную идею – идею распространения принципа корпускулярно-волнового дуализма света на все вещественные частицы микромира, имеющие массу покоя, – электроны, протоны и т.д. Таким образом, де Бройль предположил, что любые частицы вещественной материи наряду с корпускулярными (массой, импуль­сом, энергией) обладают также волновыми свойствами (частотой и длиной волны X ). Причем так же, как и для фотонов, энергия (Е) и импульс (р) частиц вычисляются по формулам

Е = hω , p = h / λ .

Откуда для так называемой длины волны де Бройля было получено выражение λ = h / p .

Вскоре гипотеза де Бройля нашла замечательное экспериментальное подтверждение. К. Дэвиссон и Л. Джермер открыли дифракцию электронов на кристаллах, т.е. доказали существование волновых свойств у частиц – электронов. А в даль­нейшем дифракционные (волновые) явления были обнаружены и у других атомных частиц. Оказалось, что наличие волновых свойств у микрочастиц-корпускул – это универсальное явление, общее свойство материи.

Наконец, созданные в 20-е гг. XX в. новые фундаментальные квантовые теории микромира–квантовая механика и квантовая теория поля (квантовая электродинамика) – показали, что корпускулярно-волновой дуализм в микромире отражает глубинную взаимосвязь материальных субстанций — вещества и полей и, в конечном счете, свидетельствует о единстве материи, проявляясь во взаимодействии частиц и полей таким образом, что кванты полей при взаимодействии с веществом могут исчезать, образуя пары вещественных частиц (электрон–позитрон, протон–антипротон), точно так же, как и вещественные частицы, в результате аннигиляции могут превращаться в кванты полей.

Таким образом, сформулированные еще древними греками две концепции взглядов на природу материи, несмотря на кажущиеся противоречия между ними, обе оказались справедливыми, но только отражающими две разные стороны единой материи.

Гипотеза о волновом характере движения микрочастиц впервые была выдвинута Луи де Бройлем в 1924г. Для доказательства их волновой природы в 1925 г. немецкий физик Эльзассер предложил использовать кристаллы для наблюдения дифракции электронов. А в 1927г. К Дэвинсон вместе со своим сотрудником Л.Джермером открыл явление дифракции электронов на кристалле никеля Независимо от него Дж. П. Томсон открыл явление дифракции электронов при прохождении через металлическую фольгу. Таким образом, идея де Бройля о волновых свойствах вещества нашла экспериментальное подтверждение. В 1937г. К Девинсон и Дж. П. Томсон были удостоены Нобелевской премии по физике.

Впоследствии дифракционные, а значит волновые, свойства были обнаружены у атомных и молекулярных пучков Корпускулярно-волновыми свойствами обладают не только фотоны и электроны, но и все микрочастицы.

Микрочастицами называют элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны, фотоны и др.), а также сложные частицы, образованные из сравнительно небольшого числа элементарных частиц (ядра, атомы).

Микрочастица с энергией Е = m с² и импульсом р = mv ведет себя подобно волне с частотой v = E / h и длиной волны λ= h / p , где h – постоянная Планка (h = 6,626 • 10^-34 Дж/Гц) Например, если направить на преграду с двумя узкими щелями (порядка длины волны λ .) пучок микрочастиц (например, электронов) обладающих одинаковой кинетической энергией

В развитие идей о волновых свойствах вещества Э Шредингер в 1926 г. получил свое знаменитое уравнение. Шредингер сопоставил движению микрочастицы комплексную функцию координат и времени, которую он назвал волновой функцией и обозначил греческой буквой «пси» (ψ ). Она характеризует состояние микрочастицы.Интерпретацию ψ – функции дал М. Борн в 1926г. Согласно Борну, квадрат модуля пси-функции в пределах некото­рого объема определяет вероят­ность того, что частица будет об­наружена в пределах этого объема. Например, форма электронных облаков в атомах определяется ψ – функцией электронов. Таким образом, состояние микрообъекта описывается статистически и вол­новая функция содержит всю информацию о корпускулярных и вол­новых его свойствах. Вид функции получается из решения уравнения Шредингера, которое является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики. Оно не может быть выведено из других соотношений Его следует рассматривать как исходное предположение, справедливость которого доказывается тем, что все, вытекающие из него следствия, самым точным образом согласуются с опытными фактами. Уравнение Шредингера описывает взаимодействие электронов с ядрами атомов, описывает форму электронных оболочек атомов и ионов, химическую связь и строение молекул.

Волновая природа частиц отражается и в соотношениях неопределенностей, полученных в 1927 г. Гейзенбергом – ∆х∆р≥ h /2, ∆ E ∆ t ≥ h /2, где ∆х – неопределенность координат, ∆р – неопределенность импульса, ∆Е – неопределенность энергии и ∆ t – неопределенность времени.

2.2. Порядок и беспорядок в природе, детерминированный хаос

Обращая внимание на существующий порядок в природе, мы часто в качестве примера указываем на кристаллы, в кристаллической решетке которых строго чередуются ионы вещества (например, Na⁺ и Сl^– в поваренной соли). Строго упорядоченную структуру имеют и кристаллические металлы. В узлах кристаллической решетки меди располагаются положительно заряженные ионы.

Однако наряду с существующим порядком в природе часто соседствует и беспорядок (хаос). В тех же кристаллах металлов, наряду с упорядоченной ионной решеткой, имеются свободные электроны, которые беспорядочно и хаотично движутся.

Порядок и беспорядок наблюдаются, например, и в космосе. С одной стороны, мы знаем, что планеты движутся по определенным орбитам со строго определенной скоростью. А с другой стороны, в космосе, помимо планет, имеется межзвездное вещество, которое хаотически движется в пространстве, и там, где образуются большие скопления этого вещества, возникают значительные гравитационные силы, в результате чего могут образоваться звездные системы с высокой степенью упорядоченности.

Последний пример указывает на существование процессов и механизмов, ведущих от беспорядка к порядку. Эта особенность подмечена еще в древнегреческой мифологии, где под хаосом понималась «беспредельная, первобытная материя», из которой образовалось все существующее.

Можно привести еще больше примеров перехода от порядка, упорядоченности к хаосу. Так, если нагревать кристаллы поваренной соли, то амплитуда колебаний атомов увеличивается, связь между атомами уменьшается, упорядоченная структура кристалла разрушается и исчезает, а атомы начинают хаотически двигаться. Приведенный пример иллюстрирует процессы, связанные с действием одного из фундаментальных законов природы, имеющего универсальный характер, а именно: со вторым началом (законом) термодинамики.

Суть этого закона заключается в том, что во всех тепловых процессах, связанных с выделением тепла в результате трения, прохождения электрического тока и, как следствие, с выделением тепла при горении, экзотермических химических реакциях и т.д., тепло в естественных условиях всегда переходит от более горячего тела к более холодному, но не наоборот.

Имеется несколько формулировок данного закона. Одна из формулировок, принадлежащая создателю классической термодинамики Э. Клаузиусу , гласит: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более теплым.

Другая формулировка связана с понятием энтропии – одной из термодинамических функций, определяющих направление протекания тепловых процессов. В процессах теплопередачи изменение энтропии (Δ S ) определяется как Δ S = Δ Q / T , где Δ Q – количество переданного тепла, а Т – абсолютная температура.

Поскольку тепло всегда передается от теплого тела к холодному, то изменение количества тепла Δ Q – величина положительная, а следовательно, и изменение энтропии Δ S есть величина положительная, т.е. энтропия в таких процессах возрастает.

Этот закон носит всеобщий характер и формулируется следующим образом: в замкнутых системах (без притока энергии извне) про цессы протекают таким образом, что энтропия системы возрастает.

Таким образом, второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, т.е. однонаправленности всех самопроизвольно протекающих процессов.

И хотя количество энергии в замкнутых системах сохраняется, распределение энергии меняется необратимым образом – происходит деградация форм энергии с постепенным переходом всех форм энергии в тепловую. Иными словами, в замкнутых системах самопроизвольно осуществляется необратимый процесс перехода от более упорядоченных структур к менее упорядоченным, или к хаосу.

А поскольку в таких процессах энтропия систем возрастает, то ее принято характеризовать как меру хаоса.

Таким образом, из второго закона термодинамики вытекает, что в природе возможно только одно напраатение процессов – от по­рядка к беспорядку, хаосу.

Однако такой вывод противоречит многим фактам. Известны процессы развития от неупорядоченности, хаоса к порядку, перехода от структур, имеющих более низкую организацию, к структурам с более высокой организацией.

Примером может служить эволюционное развитие живых организмов от примитивных форм к высокоорганизованным. Долгое время противоречие между вторым законом термодинамики и эволюционной теорией поступательного развития живой природы Дарвина не находило разрешения. Однако сейчас объяснение такому противоречию найдено.

Дело в том, что второй закон термодинамики рассматривает процессы только в замкнутых системах, в то время как живые системы являются открытыми, т.е. обмениваются энергией и веществом с внешней средой. В открытых системах энтропия может, как возрастать, так и уменьшаться, тогда как в целом для открытых систем в совокупности с внешней средой обитания второй закон термодинамики справедлив. Таким образом, в открытой системе энтропия может уменьшаться за счет увеличения энтропии во внешней среде.

В результате при определенных неравновесных условиях в системе за счет внутренних перестроек могут возникнуть упорядоченные структуры. Эту особенность системы называют самоорганизацией, а сами структуры, возникающие в диссипативных (рассеивающих энергию) системах при неравновесных необратимых процессах, – диссипативными (по терминологии Пригожина). Под действием флуктуации возникают коллективные формы движения и новые структуры более высокой организации.

2.3. Структурные уровни организации материи

В настоящее время принято единую Природу для удобства делить на три структурных уровня – микро-, макро- и мегамир. Естест­венными, хотя отчасти и субъективными, признаками деления явля­ются размеры и массы исследуемых объектов.

Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микросистем с характерным размером от 10^–8 см и менее (атомы, атомные ядра, элементарные частицы).

Макромир – мир макротел, начиная от макромолекул (размеры от 10^–6 см и выше) до объектов, размерность которых соотносима с масштабами непосредственного человеческого опыта – миллиметры, сантиметры, километры, вплоть до размеров Земли (длина экватора Земли равна ~ 10⁹ см).

Мегамир – мир объектов космического масштаба от 10⁹ см до 10²⁸ см. Этот диапазон включает размеры Земли, Солнечной системы, Галактики, Метагалактики.

Хотя микро–, макро– и мегамир тесно взаимосвязаны и состав­ляют единое целое, тем не менее на каждом из этих структурных уровней действуют свои специфические законы: в микромире – законы квантовой физики, в макромире – законы классического естествознания, прежде всего классической физики: механики, термодинамики, электродинамики. Законы мегамира основаны в первую очередь на общей теории относительности.

2.3.1. Микромир

Атомная физика . Еще древние греки Левкипп и Демокрит выдвинули гениальную догадку, что вещество состоит из мельчайших частиц – атомов.

Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены гораздо позднее в работах русского ученого М.В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста , английского химика Дж. Дальтона , итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.

Периодический закон Д.И. Менделеева показал существование закономерной связи между всеми химическими элементами. Стало ясно, что в основе всех атомов лежит нечто общее. До конца XIX в. в химии царило убеждение, что атом есть наименьшая неделимая частица простого вещества. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на части. И, наконец, в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие.

Первыми на сложную структуру атома указали немецкие ученые Г.Р. Кирхгоф и Р.В. Бунзен , изучая спектры испускания и поглощения различных веществ. Сложную структуру атома подтверждали также опыты по изучению ионизации, открытие и исследование так называемых катодных лучей и явления радиоактивности.

Г.Р. Кирхгоф и Р.В. Бунзен обнаружили, что каждому химическому элементу соответствует характерный, присущий только ему набор спектральных линий в спектрах испускания и поглощения. Это означало, что свет испускается и поглощается отдельными атомами, а атом, в свою очередь, представляет собой сложную систему, способную взаимодействовать с электромагнитным полем.

Об этом же свидетельствовало явление ионизации атомов, обнаруженное при исследованиях электролиза и газового разряда. Данное явление можно было объяснить, лишь предположив, что атом в процессе ионизации теряет часть своих зарядов или приобретает новые.

Свидетельством сложной структуры атома явились опыты по изучению катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается, по возможности, весь воздух, а затем сквозь нее про­пускается ток высокого напряжения. При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его поверхности распространяются «не­видимые» катодные лучи, вызывающие яркое зеленое свечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностью приводить в движение легко подвижные тела и отклоняться от своего первоначального пути в магнитном и электрическом полях.

Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд. Позже удалось определить массу и величину их заряда. Оказалось, что масса частиц и величина их заряда не зависят ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества, из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут существовать без своих зарядов, не могут быть превращены в электроней­тральные частицы: электрический заряд составляет самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов.

В катодных трубках электроны отделяются от катода под влиянием электрического поля. Но они могут возникать и вне всякой связи с электрическим полем. Так, например, при электронной эмиссии металлы испускают электроны, при фотоэффекте многие вещества также выбрасывают электроны. Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывало на то, что эти частицы входят в состав всех без исключения атомов. Это позволило сделать вывод, что атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких составных частей.

В 1896 г., изучая люминесценцию различных веществ, А.А. Бек керель случайно обнаружил, что соли урана, излучают без предварительного их освещения. Это излучение, обладающее большой проникающей способностью и воздействующее на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу, было названо радиоак тивным излучением. Позднее было установлено, что оно состоит из тяжелых положительно заряженных α-частиц, легких отрицательных β-частиц (электронов) и электрически нейтрального γ-излучения.

Открытие электрона можно считать началом рождения атомной физики, обусловившим попытки построения моделей атома. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, а атом в целом устойчив и электронейтрален, то естественно было предположить наличие в атоме положительно заряженных частиц.

Первые модели атома на основе представлений классической механики и элек­тродинамики появились в 1904 г.: автором одной из них стал японский физик Хантаро Нагаока , другая принадлежала английскому физику Дж. Томсону – автору открытия электрона.

X. Нагаока представил строение ато­ма аналогичным строению Солнечной системы: роль Солнца играет положи­тельно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся «планеты» – электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны.

В модели атома Дж. Томсона положительное электричество «распределено» по сфере, в которую вкраплены электроны. В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Дж. Томсоном. Томсон считал, что каждая конфигурация определяет те или иные химические свойства атомов. Он предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элемен­тов Д. И. Менделеева.

Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели. Эти факты были установлены Э. Резерфордом в 1912 г. В первую очередь следует отметить открытие им атомного ядра. Для выявления структуры атома Резерфорд производил зондирование атома с помощью α–частиц, которые возникают при распаде радия и некоторых других радиоактивных элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона.

В опытах Резерфорда пучок α–частиц падал на тонкую фольгу из исследуемого материала (золото, медь и др.). После прохождения фольги α–частицы попадали на экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось сцинтилляцией (вспышкой света), которую можно было наблюдать. В отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок, состоящий из сцинтилляций, вызванных пучком частиц. Но когда на пути пучка помещали фольгу, то вопреки ожиданиям α–частицы испытывали очень малое рассеяние на атомах фольги и распределялись на экране внутри круга чуть большей площади.

Совершенно неожиданным также оказалось, что небольшое число α–частиц (примерно одна из двадцати тысяч) отклонялись на углы больше 90°, т.е. практически возвращались назад. Резерфорд понял, что положительно заряженная α–частица могла быть отброшена на­зад лишь в том случае, если в атомах мишени положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в очень малой области пространства. Так Резерфорд пришел к идее атомного ядра – тела малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома.

Подсчитывая число α–частиц, рассеянных на большие углы, Резерфорд смог оценить размеры ядра. Оказалось, что ядро имеет диаметр порядка

10^–12 –10^–13 см (у разных ядер). Размер же самого атома составляет примерно 10^–8 см, т.е. в 10 – 100 тысяч раз превышает размеры ядра. Впоследствии удалось точно определить и заряд ядра. Если принять заряд электрона за единицу, то заряд ядра оказался в точности равен номеру данного химического элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

Из опытов Резерфорда непосредственно вытекала планетарная модель атома с положительно заряженным атомным ядром. Учитывая, что в целом атом должен быть электронейтральным, следовало заключить, что число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Очевидно также, что находиться в покое электроны внутри атома не могут, так как они вследствие притяжения положительным ядром упали бы на него. Следовательно, они должны двигаться вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется действием электрических кулоновских сил со стороны ядра.

В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу примерно в 1836 раз большую массы электрона. Это ядро было названо Резерфордом протоном и стало рассматриваться как элементарная частица.

Размер атома определяется радиусом орбиты движения его электронов. Достаточно наглядная планетарная модель атома, как уже говорилось, является прямым следствием экспериментальных результатов Резерфорда по рассеянию α-частиц на атомах вещества.

Однако вскоре выяснилось, что такая простая модель противоречит законам электродинамики, из которых следует, что модель атома Резерфорда является неустойчивой системой и длительное время атом указанной конструкции существовать не может. Дело в том, что движение электронов по круговым орбитам происходит с ускорением, а ускоренно движущийся заряд, согласно законам электродинамики Максвелла, должен излучать электромагнитные волны (ω – частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра). Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому, как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях атмосферы.

В действительности, однако, этого не происходит. Атомы устойчивы, могут существовать неограниченно долго, совершенно не из­лучая электромагнитные волны.

Выход из создавшегося положения нашел датский ученый Н. Бор. Он сделал радикальный вывод о том, что законы классической механики и электродинамики вообще не применимы в микромире и, в частности, в атоме. Тем не менее, чтобы сохранить планетарную модель атома Резерфорда, он сформулировал два постулата (постулаты Бора), идущие вразрез и с классической механикой, и с классической электродинамикой. Эти постулаты заложили основы принципиально новых теорий микромира – квантовой механики и квантовой электродинамики (квантовой теории электромагнитного поля). Обосновывая свои постулаты, Бор опирался на идею существования квантов электромагнитного поля, выдвинутую в 1900 г. М. Планком и развитую затем А. Эйнштейном (для объяснения фотоэффекта).

Постулаты Бора заключаются в следующем: электрон может двигаться вокруг ядра не по любым орбитам, а только по таким, ко­торые удовлетворяют определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых, или квантовых, орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую орбиту сопровождается потерей энергии.

Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до орбиты, на которую он переходит, тем больше частота излучения.

Простейшим из атомов является атом водорода: вокруг ядра вращается только один электрон. Исходя из приведенных постулатов Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1:2: : 3 : ... : п. Величина п получила название главного квантового числа. Радиус ближайшей к ядру орбиты в атоме водорода равняется 0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих переходы электрона с одной орбиты на другую, оказались точности совпадающими с частотами, найденными опытным путем для линий водородного спектра. Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых (стационарных) орбит для атома водорода, вместе с тем и приложимость постулатов Бора для таких расчетов.

В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов. Однако распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в многоэлектронном атоме, определить их орбиты, тем большими были расхождения результатов с экспериментальными данными. В ходе развития квантовой теории стало ясно, что эти расхождения носят принципиальный характер и связаны с так называемыми волновыми свойствами электрона.

Дело в том, что в 1924 г. Луи де Бройль распространил известный к тому времени корпускулярно-волновой дуализм электромагнитного поля на вещественные частицы микромира (атомы, электроны, протоны и т.д.). Напомним, что согласно его идее частицы, имеющие массу, заряд и т.д., также обладают и волновыми свойствами. При этом длина волны де Бройля (λ) связана с импульсом частиц р и равна

λ = h /р, где h – постоянная Планка.

Идея де Бройля нашла блестящее подтверждение в опытах К. Дэвиссона и Л. Джермера (1927), в которых наблюдалось явление дифракции электронов – классический пример волнового явления.

Развивая волновые идеи частиц микромира, Э. Шрёдингер создал математическую волновую модель атома в виде знаменитого сейчас волнового дифференциального уравнения Шрёдингера:

Анализ волнового уравнения Шрёдингера показал, что с его помощью можно определить все возможные дискретные энергии Е_п в атоме. Кроме того, было выяснено, что волновая функция не позволяет абсолютно точно определить положение электронов в атомах, они расплываются в некое «облако»; таким образом, можно говорить лишь о вероятности нахождения электронов в том или ином месте атома, которая характеризуется квадратом амплитуды волны.

Учитывая законы квантовой волновой механики, становится ясно, почему оказалось невозможным точно описать структуру атома на основе представлений о боровских орбитах электронов в атоме. Таких, точно локализованных орбит в атомах просто не существует, а хорошее согласование расчета орбит электронов в атоме водорода, в соответствии с теорией Бора и экспериментальными данными связано с тем, что только для атома водорода электронные орбиты Бора хорошо совпали с кривыми средней плотности зарядов, вычисленных в соответствии с квантовой теорией Шрёдингера. Для многоэлек­тронных атомов такого совпадения не наблюдается.

В настоящее время на основе квантовой механики, а также квантовой электродинамики – квантовой теории электромагнитного поля, разработанной в 1927 г. П.А. Дираком , удалось объяснить многие особенности поведения многоэлектронных атомно-молекулярных систем. В частности, удалось разрешить важнейший вопрос о структуре атомов различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек им атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов, которые позволяют объяснить многие физические и химические свойства элементов.

Напомним, что число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Электроны расположены послойно. Каждому слою принадлежит определенное заполняющее или как бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются близкими значениями энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней (n ). Электроны каждого последующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Максимальное число электронов (N ), могущих находиться на данном энергетическом уровне (n), определяется по формуле N = 2n² , т.е. на первом уровне ( n = 1) может находиться два электрона, на втором (п = 2) – восемь электронов, на третьем ( n = 3) – восемнадцать.

Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженными положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот, атомы, присоединившие электроны, становятся заряженными отрицательно. Образующиеся заряженные частицы называются ионами. Многие ионы, в свою очередь, могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом в электронейтральные атомы или новые ионы с иным зарядом.

Подводя итог рассмотрению основных результатов квантово-механических подходов к строению и структуре атомов, отметим следующее. Состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами – n , l , т, s :

1) n – главное квантовое число, характеризует энергию электрона на соответствующей орбите (n );

2) l – орбитальное квантовое число, характеризует форму орбиты (электронного облака) и может изменяться в атоме от 0 до n = 1;

3) т – магнитное квантовое число, характеризует ориентацию орбит (электронных облаков) в пространстве и может принимать значения от +1 до –1;

4) s – спиновое квантовое число, характеризует вращение электрона вокруг собственной оси и может принимать только два значения: s = ±1/2.

Согласно одному из важнейших принципов квантовой механи­ки – принципу Паули, в атоме не может быть электронов, у кото­рых все четыре квантовых числа одинаковы. В рамках квантовой механики получили полное объяснение, как структура атомов, так и изменение свойств химических элементов в периодической системе Д.И. Менделеева.

Плодотворным оказалось также применение квантовой механики к физическим полям. Была построена квантовая теория электромагнитного поля – квантовая электродинамика, вскрывшая целый ряд фундаментальных законов микромира. Среди них важнейшие законы взаимного превращения двух видов материальных субстанций – вещественной и полевой материи – друг в друга.

Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон – частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя. Синтез квантовой механики и специальной теории относительности привел к предсказанию существования античастиц . Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой «двойник» – другая частица с той же массой, но противоположным электрическим или каким-либо другим зарядом. Английский физик П.А. Дирак – основатель релятивистской к пантовой теории поля – предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон-позитрон и обратно. Позитрон – античастица электрона – экспериментально был открыт и 1934 г. К.Д. Андерсоном в космических лучах.

Ядерная физика . По современным представлениям, атомные ядра элементов состоят из протонов и нейтронов. Первые указания на то, что и состав ядер входят протоны (ядра атомов водорода) были получены Резерфордом в 1919 г. в результате его нового (после открытия строения атома) сенсационного открытия – расщепления атомного ядра под действием α-частиц и получения новых химических элементов в результате первой искусственной ядерной реакции.

В одном из вариантов своих опытов с использованием камеры Вильсона, наполненной азотом, внутри которой имелся радиоактивный источник излучения, Резерфордом были получены фотографии треков α-частиц, на конце которых имелось характерное разветвление – «вилка». Одна из сторон «вилки» давала короткий трек, а другая – длинный. Длинный трек имел такие же особенности, как и треки, наблюдаемые ранее Резерфордом при бомбардировке α-частицами атомов водорода

Так впервые была высказана мысль, что ядра водорода представляют собой составную часть ядер других атомов. Впоследствии Резерфорд для этой составной части ядра предложил термин «протон».

Схема реакции Резерфорда может быть представлена следующим образом: α–частица попадает в атомное ядро азота и поглощается им. Образующееся при этом промежуточное ядро изотопа фтора оказывается неустойчивым: оно выбрасывает из себя один протон, превращаясь в ядро изотопа кислорода .

В 1932 г. Д.Д. Иваненко опубликовал заметку, в которой высказал предположение, что наряду с протоном структурным элементом ядра также является нейтрон. В 1933 г. он обосновал протон-нейтронную модель ядра и сформулировал основной тезис, заключающийся в том, что в ядре имеются только тяжелые частицы – протоны и нейтроны. При этом обе частицы могут превращаться друг в друга. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматривать как два состояния одной частицы – нуклона .

А в том же 1933 г. Дж. Чедвик экспериментально доказал существование нейтронов в атомных ядрах. Он облучал α–частицами бериллиевую пластинку и исследовал реакцию превращения бериллия (Be) в углерод (С) с испусканием нейтрона n).

Нейтроны, вылетающие из бериллия, направлялись в камеру Вильсона, наполненную азотом (N), и при попадании нейтрона в и протон атома азота образовывалось ядро бора (В) и α–частицы .

Сам нейтрон не дает трека в камере Вильсона, но по трекам ядра бора и α–частицы можно рассчитать, что данная реакция вызвана нейтральной частицей массой в одну атомную единицу массы, т.е. нейтроном. Отметим, что свободный нейтрон существует недолго, он радиоактивен, период его полураспада составляет около 8 мин, после чего он превращается в протон, испуская β–частицу (электрон) и нейтрино. После открытия нейтрона протон-нейтронная модель строения атомных ядер Д.Д. Иваненко стала общепризнанной.

Все ядерные реакции сопровождаются испусканием тех или иных элементарных частиц. Продукты ядерных реакций оказываются радиоактивными, их называют искусственно радиоактивными изотопами. Явление искусственной радиоактивности было открыто в 1934 г. известными французскими физиками Фредериком и Ирен Жолио-Кюри.

Как и естественно радиоактивные вещества, искусственно полученные радиоактивные изотопы испускают известные α, β, и γ–излучения. Но кроме перечисленных излучений Фредерик и Ирен Жолио-Кюри открыли новый вид радиоактивности – испускание положительных электронов-позитронов.

Впервые это удалось установить с помощью камеры Вильсона при бомбардировке α–частицами некоторых легких элементов (бериллия, бора, алюминия), в результате чего был искусственно создан целый ряд новых радиоактивных изотопов, не наблюдаемых ранее в природе. Примером образования позитронного радиоактивного изотопа может служить реакция бомбардировки алюминия α–частицами. И данном случае ядро алюминия испускает нейтрон и превращается в ядро радиоактивного изотопа фосфора , который в свою очередь, испуская позитрон β⁺ , превращается в стабильный изотоп кремния .

В промышленном масштабе искусственные радиоактивные изотопы обычно получают облучением (главным образом нейтронным) соответствующих химических элементов в ядерных реакторах.

После того, как было установлено, что ядра атомов состоят и протонов и нейтронов, теория атомного ядра получила дальнейшее развитие в направлении изучения взаимодействий частиц внутри ядра, а также структуры атомных ядер различных элементов.

Ниже приведены основные сведения о свойствах и строении ядер.

1. Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона.

Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона е =1,6 ^–19 Кл и массу покоя т_р ~ 1,6726 • 10 ^{– 27} кг.

Нейтрон не имеет электрического заряда, его масса немног больше массы протона – т_п = 1,6749 • 10 ^–27 кг.

Массу ядер элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За атомную единицу массы принята 1/12 массы изотопа углерода : 1 а.е.м. = 1,66 • 10 ^–27 кг. Следовательно, т_р = 1,00728 а.е.м., а т_п = 1,00866 а.е.м.

2. Зарядом ядра называется величина Ze , где е – величина заряда протона; Z – порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре.

В настоящее время известны ядра с порядковым номером Z = 1 до Z = 114. Для легких ядер отношение числа нейтронов ( N ) к числу протонов ( Z ) близко или равно единице. Для ядер химических элементов, расположенных в конце периодической системы, отношение N/Z = 1,6.

3. Общее число нуклонов в ядре А = N + Z называется массовым числом. Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице. Ядра с одинаковыми Z , но различными А называются изотопами. Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами. Ядра химических элементов принято обозначать символом . X , А, Z где X – символ химического элемента; А – массовое число; Z – атомный номер.

Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных paдиоактивных изотопов.

Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек. Поэтому у изотопов данного элемента одинаковы все химические свойства. В настоящее время установлено, что большинство химических элементов, встречающих в природе, представляет собой смесь изотопов. Поэтому указанные в таблице Менделеева атомные массы элементов часто значительно отличаются от целых чисел.

4. Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границ ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра R = R А, где R = (1,3/1,7)10 ^–15 м, может быть истолкована как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем.

5. Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра (Р_тт ) в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ _яд = eh ,/2т_р, где е – абсолютная величина заряда электрона; h – постоянная Планка; т_р – масса протона. Ядерный магнетон μ _яд в 1836,5 раза меньше магнитного момента электрона в атоме, откуда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов.

6. Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения сферически симметричного является квадруполъный электрический момент ядра Q . Если плотность ядра считать везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра.

Нуклоны, составляющие ядро, связаны между собой особыми силами притяжения – ядерными силами. Устойчивость атомных ядер большинства элементов свидетельствует о том, что ядерные силы исключительно велики: они должны превышать значительные кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами, расположенными на расстояниях порядка 10^–13 см (порядок размеров ядра). Ядерные силы – силы особого рода, связанные с существованием внутри ядра особого вида материи – ядерного поля.

В настоящие время принята мезонная теория ядерных сил, согласно которой нуклоны взаимодействуют друг с другом путем обмена особыми элементарными частицами – π–мезонами – квантами ядерного поля.

Наличие обменных частиц в ядре – мезонов – вначале было предсказано теоретически японским ученым Хидоки Юкавой в 1936 г., а затем открыто в космических лучах в 1947 г.

Общая характеристика ядерных сил сводится к следующему.

1. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами ядра порядка 10 ^{– 15} м. Длина (1,5 ÷ 2,2) –10 ^{– 15} м называется радиусом действия ядерных сил.

2. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов – протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий в зеркальных ядрах (так называются ядра, в которых общее число нуклонов одинаково, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом).

3. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел А. Практически полное насыщение ядерных сил достигается у α–частицы, которая является очень устойчивым образованием.

Нуклоны прочно связаны в ядре ядерными силами. Для разрыва этой связи, т.е. для полного разобщения нуклонов, нужно совершить значительную работу. Энергия, необходимая для разобщения нуклонов, составляющих ядро, называется энергией связи ядра. Величину энергии связи можно определить на основе закона сохранения энергии и закона пропорциональности массы и энергии в соответствии с формулой Эйнштейна Е = тс² .

Согласно закону сохранения энергии, энергия нуклонов, связанных в ядре, должна быть меньше энергии разобщенных нуклонов на величину энергии связи ε₀ . С другой стороны, согласно закону пропорциональности массы и энергии, изменение энергии системы Δ W должно сопровождаться пропорциональным изменением массы системы на Δ m , т.е. Δ W = Δ mc ² , где с – скорость света в вакууме.

Так как в данном случае Δ W есть энергия связи ядра, то масса атомного ядра должна быть меньше суммы масс нуклонов, составляющих ядро, на величину Δ m , которая называется дефектом массы ядра. Из соотношения Δ W = Δ mc ² можно рассчитать энергию связи ядра, если известен дефект массы этого ядра Δ m .

В качестве примера рассчитаем энергию связи ядра атома гелия. Оно состоит из двух протонов и двух нейтронов. Масса протона т_р = 1,0073 а.е.м., масса нейтрона – т_п = 1,0087 а.е.м. Следовательно, масса нуклонов, образующих ядро, равна 2т_р + 2 т_п = 4,0320 а.е.м. Масса же ядра атома гелия т_я = 4,0016 а.е.м. Таким образом, дефект масс атомного ядра гелия равен Δ m = 4,0320 – 4,0016 = 0,03 а.е.м., или Δ m = 0,03 • 1,66 • 10~²⁷ = 5 • 10~²⁹ кг. Тогда энергия связи ядра гелия

Δ W = Δ mc ² =510-29 9-10¹⁶ Дж=28 МэВ.

Общая формула для расчета энергии связи любого ядра (в джоулях) будет иметь вид:

Δ W = c ² {[ Z - m_p +{ A - Z ) m_n ]- т_я },

где Z– атомный номер; А — массовое число.

Энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи ( ε). Следовательно, ε=Δ W /А (удельная энергия связи) характеризует устойчивость атомных ядер. Чем больше s, тем устойчивее ядро.

На рис. 1 представлены результаты расчетов удельных энергий связи для разных атомов (в зависимости от массовых чисел А).

Из графика на рис. 2.2 следует, что удельная энергия связи максимальна (8,65 МэВ) у ядер с массовыми числами порядка 100. У тяжелых и легких ядер она несколько меньше (например, 7,5 МэВ у урана и 7 МэВ у гелия), у атомного ядра водорода удельная энергия связи равна нулю, что вполне понятно, потому что в этом ядре нечего разобщать: оно состоит только из одного нуклона (протона).

а.е.м.

Рис. 1. Зависимость удельных энергий связи от массовых чисел

Всякая ядерная реакция сопровождается выделением или поглощением энергии. При делении тяжелых ядер с массовыми числами А порядка 100 (и более) ядерная энергия выделяется.

Выделение ядерной энергии происходит и при ядерных реакционного типа – при объединении (синтезе) нескольких легких ядер в одно ядро. Таким образом, выделение ядерной энергии происходит как при реакциях деления тяжелых ядер, так и при реакциях синтеза легких ядер. Количество ядерной энергии Δ ε, выделяемое каждым прореагировавшим ядром, равно разности между энергией связи ε продукта реакции и энергией связи исходного ядерного материала.

Соотношение ∆ E ∆ t > ħ /2 означает, что преобразование энергии с точностью ∆Е должно занять интервал времени равный, по меньшей мере, ∆ t ~ ħ /∆ E . Это соотношение ответственно за есте­ственную ширину спектральных линий атомов и ионов. Время жизни возбужденного состояния атомов имеет порядок t ~10^-8 ÷10^-9 с. Следовательно, неопределенность энергии таких состояний составляет ∆ E ~ ħ / t , чему соответствует естественная ширина спектральных линий. Если неопределенность энергии ∆Е ~ ħ/∆ t соответствует энергии некоторой частицы (m с² , hv ), to эта частица, возникнув из «ничего», может находиться в виртуальном состоянии время ∆ t без нарушения закона сохранения энергии. В современной квантовой теории поля взаимодействие частиц и их взаимные превращения рассматриваются как рождение или поглощение каждой реальной частицей виртуальных частиц. Любая частица непрерывно испускает или поглощает виртуальные частицы разных типов. Так, например, электромагнитное взаимодействие – результат обмена виртуальными фо тонами, гравитационное – гравитонами. Поле ядерных сил обусловлено виртуальными π –мезонами. Слабое взаимодействие создают векторные бозоны (открытые в 1983 году в ЦЕРНе, Швейцария-Франция). А переносчиком сильного взаимодействия являются глюоны (от английского слова, означающего «клей»). Соотношение неопределенностей ограничивает применимость классической механики к микрообъектам. Оно вызвало многочисленные философские дискуссии. Координаты частицы и ее импульс, изменение энергии и время, в течение которого произошло это изменение, называются взаимно дополнительными величинами. Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрочастицу, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, дополнительных к первым. Это утверждение, впервые сформулированное датским физиком Н. Бором, называется принципом дополни тельности. Бор объяснял принцип дополнительности влиянием измерительного прибора, который всегда является макроскопическим прибором, на состояние микрообъекта. Однако с позиций современной квантовой теории, состояния, в которых взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенные значения, принципиально невозможны. Принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не связанные с существованием наблюдателя, а роль измерительного прибора заключается в «приготовлении» некоторого состояния системы. Любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физической реальности и на более широкую область применения, чем старая, должна включать предыдущую как предельный случай. Так релятивистская механика (специальная теория относительности) в пределе малых скоростей переходит в ньютоновскую. В квантовой механике принцип соответствия требует совпадения ее физических следствий в предельном случае с результатами классической теории. В принципе соответствия проявляется тот факт, что квантовые эффекты существенны лишь при рассмотрении микрообъектов, когда величины размерности действия сравнимы с постоянной Планка. С формальной точки зрения принцип соответствия означает, что в пределе ħ → 0 квантовомеханическое описание физических объектов должно быть эквивалентно классическому. Значение принципа соот ветствия выходит за рамки квантовой механики – он войдет составной частью в любую новую теоретическую схему. В современной физике термин «элементарные частицы» обычно употребляется не в своем точном значении, а менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон). Наиболее важное свойство всех элементарных частиц – способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Сейчас общее число известных науке элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Некоторые из них стабильны и существуют в природе в свободном или слабосвязанном состоянии. Это – электроны, протоны, нейтроны, фотоны и различного сорта нейтрино.

Все остальные элементарные частицы крайне нестабильны и образуются во вторичных космических лучах или получаются в лаборатории. Основной способ их генерации – столкновения быстрых стабильных частиц, в процессе которых часть начальной кинетической энергии превращается в энергию покоя образующихся частиц (как правило, не совпадающих со сталкивающимися).

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса m , время жизни t , спин J и электрический заряд Q.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными в пределах точности современных измерений являются электрон (t > 5 • 10²¹ лет), протон (t > 5 • 10 ³¹ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их времена жизни t > 5 • 10^-20 с. Пример квазистабильной частицы – нейтрон.

Он распадается из-за слабого взаимодействия, среднее время жизни – 15,3 мин: .

Резонансами называют элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия; их характерные времена жизни t~ 10^-22 - 10^-24 с.

Электрические заряды элементарных частиц являются целыми кратными величины е ≈1,6-10^-19 Кл, называемой элементарным электрическим зарядом (зарядом электрона). У известных элементар­ных частиц Q = 0, ±1, ±2.

Спин элементарных частиц является целым или полуцелым кратным постоянной Планка ħ.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами. К фермионам относятся лептоны (например, электрон и нейтрино) и барио ны, состоящие из кварков (например, протон и нейтрон). Системы фермионов описываются квантовой статистикой Ферми-Дирака. Фермионы подчиняются принципу запрета Паули и в данном квантовом состоянии системы фермионов не может, находится более одной час-тицы. Фермионы образуют материальные структуры.

Частицы с целым или нулевым спином называются бозонами. К бозонам относятся частицы с нулевой массой покоя (фотон, гравитон), а также мезоны , состоящие из кварков (например π–мезоны). Системы таких частиц описываются статистикой Бозе-Эйнштейна. Бозоны не подчиняются принципу запрета Паули и для них не накладывается ограничения на число частиц, которые могут находиться в некотором квантовом состоянии. Они образуют поле взаимодействия (согласно квантовой теории поля) между фермионами.

Так, например, материальные структуры образованы электронами и нуклонами (протонами и нейтронами, образующими ядра атомов), а электромагнитное поле взаимодействия между ними образуют фотоны (точнее сказать виртуальные фотоны) (рис. 2).

Рис.2. Классификация элементарных частиц

Мезоны и барионы состоят из кварков, и поэтому имеют общее название – адроны. Все известные адроны состоят либо из пары кварк-антикварк (мезоны), либо из трех кварков (барионы). Кварки и антикварки удерживаются внутри адронов глюонным полем. Кварки различаются по «аромату» и «цвету». Каждый кварк может находиться в одном из трех цветовых состояний: «красном», «синем» и «желтом». Что касается «ароматов», то их известно 5 и предполагается наличие шестого. Ароматы кварков обозначаются буквами u , d , s , с, b , t , которые соответствуют английским словам up , down , strange , charmed , beaty и truth . Более того, каждому кварку соответствует его антикварк. Ни один кварк, ни разу не был Зарегистрирован в свободном виде, несмотря на многолетние поиски. Кварки можно наблюдать только внутри адронов.

Физика элементарных частиц базируется на понятии о фундаментальных взаимодействиях гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом.

Электромагнитное взаимодействие обусловлено обменом фотонами, которые изучены лучше остальных бозонов. Источник фотонов – электрический заряд. Гравитационное взаимодействие связано с пока гипотетическими частицами – гравитонами . Нейтральный (Z ⁰ ) и заряженные (W ⁺ ,W ^– )бозоны являются переносчиками слабого взаимодействия между электронами, протонами, нейтронами и нейтрино. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны . Они как бы склеивают кварки в адронах. Источники глюонов – так называемые «цветовые» заряды. Они не имеют никакого отношения к обычным цветам и названы так для удобства описания. Каждый из шести ароматов кварков существует в трех цветовых разновидностях: желтой, синей или красной (ж, с, к соответственно). Антикварки тоже несут цветовые антизаряды. Важно подчеркнуть, что три заряда и три антизаряда совершенно не зависят от ароматов кварков. Таким образом, в настоящее время полное число кварков и антикварков (с учетом трех цветов и шести ароматов достигло 36. Кроме того, имеется еще девять глюонов. Глюоны, как и кварки, не наблюдаются в свободном состоянии.

Существование кварков и глюонов приводит к появлению нового, состояния вещества, которое носит название кварк-глюонной плазмы.

Это плазма, состоящая не из электронов и ионов, как обычная плазма, а из кварков и глюонов, слабо взаимодействующих друг с другом или не взаимодействующих вообще.

Одной из главных задач микрофизики, о решении которой мечтал еще А. Эйнштейн, является создание единой теории поля, которая объединила бы все известные фундаментальные взаимодействия. Создание такой теории означало бы фундаментальный прорыв во всех областях науки.

К настоящему времени создана и признана теория, которая объединяет два фундаментальных взаимодействия – слабое и электромагнитное. Она называется единой теорией слабого и электромаг нитного (электрослабого) взаимодействия и утверждает, что существуют особые частицы – переносчики взаимодействия между электронами, протонами, нейтронами, нейтрино. Эти частицы, названные бозонами W ⁺ , W ^– и Z°, были теоретически предсказаны в 70-х гг. прошлого века и экспериментально обнаружены в 1983 г.

Теория сильного взаимодействия именуется квантовой хромоди намикой. Данная теория, описывающая взаимодействие кварков и глюонов, построена по образу квантовой электродинамики, которая, в свою очередь, описывает электромагнитные взаимодействия, обусловленные обменом фотонами. В отличие от электрически нейтральных фотонов, глюоны являются носителями «цветовых» зарядов. Это приводит к тому, что при попытке развести их в пространстве энергия взаимодействия возрастает. В результате глюоны и кварки не существуют в свободном состоянии: они «самозапираются» внутри адронов.

Современную теорию элементарных частиц, состоящую из теорий электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики, принято называть стандартной моделью . Эта сложная, но уже почти законченная феноменологическая теория – главный теоретический инструмент, с помощью которого решаются задачи микрофизики

«Великое объединение» – так называют теоретические модели, исходящие из представлений о единой природе сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий. Оно призвано объединить все существующие частицы: фермионы, бозоны и скалярные частицы. В рамках теории «Великого объединения» хорошо объясняются многие очень важные явления, в частности такие, как наблюдаемая глюонная асимметрия Вселенной, малая ненулевая масса покоя нейтрино, квантование электрического заряда и существование решений типа магнитных монополей Дирака. По последним данным, среднее время жизни протона составляет более 1,6• 10³³ лет. Доказательство нестабильности протона явилось бы открытием фундаментальной важности. Однако пока этот распад не зафиксирован. Ученые надеются, что дальнейшее развитие моделей «Великого объединения» приведет к объединению всех взаимодействий, включая и гравитационное (суперобъединение). Но это – дело будущего.

В микрофизике известна и играет важную роль некая фундаментальная длина, называемая планковской, или гравитационной, длиной – l_g = 1,6^–33 см. Считается, что длины меньше планковской в природе не существует. Совместно с планковским временем t _g ~ 1,6•10^–43 с они составляют пространственно-временные кванты, которые призваны лечь в основу будущей квантовой теории гравитации. По мнению академика В.Л. Гинзбурга, физический смысл длины l_g заключается в том, что при меньших масштабах уже нельзя пользоваться классической релятивистской теорией гравитации и, в частности, общей теорией относительности (ОТО), построение которой было завершено Эйнштейном в 1915 г.

В настоящее время наименьший «прицельный параметр», достигнутый на современных ускорителях, составляет l_f ~ 10 ^–17 см. Таким образом, можно заключить, что вплоть до расстояний l_f ~ 10 ^–17 см и времен l_f / c ~ 10^–27 с существующие пространственно-временные координаты справедливы. Значение l_f отличается от значения l_g на целых 16 порядков, поэтому вопрос о фундаментальной длине еще остается актуальным для науки.

В первой половине XX в., когда объектами изучения микрофизики были атом, а затем атомное ядро, для того чтобы понять поведение электронов в атомах, пришлось совершить подлинную революцию в науке – создать квантовую механику. Микрофизика занимала тогда в естествознании совершенно особое место. Благодаря ее успехам мы смогли разобраться в строении вещества. Микрофизика – это фундамент современной физической науки.

2.3.2. Макромир

От микромира к макромиру . Теория строения атома дала химии ключ к познанию сущности химических реакций и механизма образований химических соединений – более сложного молекулярного уровня организации вещественной материи по сравнению с элементной атомной формой.

Квантовая механика позволила решить очень важный вопрос о расположении электронов в атоме и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. При их построении ученые исходили из общих соображений об устойчивости различных комбинаций электронов. И естественно, что путеводной нитью при этом служил периодический закон Д.И. Менделеева.

При разработке схем строения атомов элементов учитывалось следующее:

1)принималось, что число электронов в атоме равно заряду атомного ядра, т.е. порядковому номеру элемента в периодической системе;

2)вся электронная оболочка распадается на несколько слоев соответствующих определенным энергетическим уровням (n = 1, 2,3,4,...);

3)на каждом уровне п может находиться не более N электронов, где N = 2п² ;

4)состояние каждого электрона в атоме определяется совокупностью четырех квантовых чисел п, l , т и s .

В соответствии с принципом Паули все электроны в атоме отличаются друг от друга хотя бы одним квантовым числом. В атоме нет двух электронов, у которых все квантовые числа одинаковы, соответствии с указанными допущениями построены упрощенные схемы строения атомов для первых трех периодов таблицы Менделеева.

Несмотря на условность и простоту этих схем, они тем не менее достаточны для объяснения важнейших свойств элементов и ия соединений.

Так, например, на первом энергетическом уровне ( n = 1, l =0, т = 0) могут находиться только два электрона, отличающиеся своими спиновыми квантовыми числами ( s = ±1/2). Других электронов при п = 1 быть не может. Это соответствует тому, что если на первом уровне имеется один электрон, то это — атом водорода; если два электрона, то это – атом гелия. Оба элемента заполняют первый ряд таблицы Менделеева.

Второй ряд таблицы Менделеева занимают элементы, электроны которых расположены на втором энергетическом уровне (п = 2). Всего на втором энергетическом уровне может быть восемь электронов (N=2 · 2² ).

Действительно, при п = 2 могут иметь место следующие состояния электронов: если l = 0 и т = 0, то может быть два электрона с противоположными спинами; если l = 1, то т может принимать три значения (т = –1; 0; +1), и каждому значению т соответствует также по два электрона с разными спинами. Таким образом, всего будет восемь электронов.

Второй ряд элементов в таблице Менделеева, у которых последовательно добавляется по одному электрону на втором энергетическом уровне, — литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор, неон.

При главном квантовом числе п = 3 l может принимать три зна­чения (l =0; 1; 2), а каждому l соответствует несколько значений т. при l = 0 т = 0; при l ~ 1 т = –1; 0; +1; при l =2 т = –2; -1; 0; I 1; +2 (рис. 2.4).

Так как всего может быть девять значений т, а каждому состоянию т соответствует два электрона с разными значениями s = ±1/2, nо всего на третьем энергетическом уровне (п = 3) может быть 18 электронов ( N = 2 · З² ).

Третий ряд в таблице Менделеева соответствует последователь­ному заполнению электронами внешнего энергетического уровня у элементов от натрия до аргона (натрий, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор, аргон).

Энергетические уровни и возможные состояния электронов в атоме: возможные орбиты, на которых электрон в атоме движется вокруг ядра, можно изобразить в виде окружностей (А), в каждой из которых точно укладывается целое число длин световых волн, равное главному квантовому числу п. Двумерный аналог атома может быть описан двумя квантовыми числами, а реальный атом характеризуют три квантовых числа.

Следующие ряды периодической системы соответствуют более сложным правилам заполнения внешних уровней атомов электронами, поскольку при увеличении общего числа электронов, а атомах начинают проявляться коллективные взаимодействия между разными группами электронов, расположенных на разных энергетических уровнях. Это приводит к необходимости учитывать ряд более тонких эффектов.

Выяснение строения электронных оболочек атомов оказало влияние и на саму структуру периодической системы, несколько изменив существовавшее до тех пор деление элементов на периоды. В прежних таблицах каждый период начинался с инертного газа, причем водород оставался вне периодов. Но теперь стало ясно, что новый период должен начинаться с того элемента, в атоме которого впервые появляется новый электронный слой в виде одного валентного электрона (водород и щелочные металлы), и заканчиваться тем элементом, в атоме которого этот слой имеет восемь электронов, образующих очень прочную электронную структуру, свойственную инертным газам.

Теория строения атомов разрешила также вопрос о положении в периодической системе редкоземельных элементов, которые ввиду их большого сходства друг с другом нельзя было распределить по различным группам. Атомы этих элементов отличаются друг от друга строением одного из внутренних электронных слоев, в то время как число электронов в наружном слое, от которого главным образом зависят химические свойства элемента, у них одинаково. По этой причине все редкоземельные элементы (лантаноиды) помещены теперь вне общей таблицы.

Однако основное значение теории строения атомов заключалось в раскрытии физического смысла периодического закона, который, но времена Менделеева был еще неясен. Достаточно взглянуть на таблицу расположения электронов в атомах химических элементов, чтобы убедиться, что с увеличением зарядов атомных ядер постоянно повторяются одни и те же комбинации электронов в наружном слое атома. Таким образом, периодическое изменение свойств химических элементов происходит вследствие периодического возвращения к одним и тем же электронным конфигурациям.

Попытаемся установить более точно, в какой зависимости от строения электронных оболочек находятся химические свойства атомов.

Рассмотрим сначала изменение свойств в периодах. В пределах каждого периода (кроме первого) металлические свойства, наиболее резко выраженные у первого члена периода, при переходе к последующим членам постепенно ослабевают и уступают место металлоидным свойствам: в начале периода стоит типичный металл, в конце – типичный металлоид (неметалл) и за ним – инертный газ.

Закономерное изменение свойств элементов в периодах может быть объяснено следующим образом. Наиболее характерным свойством металлов с химической точки зрения является способность их атомов легко отдавать внешние электроны и превращаться в положительно заряженные ионы, тогда как металлоиды, наоборот, характеризуются способностью присоединять электроны с образованием отрицательных ионов.

Для отрыва электрона от атома с превращением последнего в положительный ион нужно затратить некоторую энергию, которая называется потенциалом ионизации.

Потенциал ионизации имеет наименьшее значение у элементов, начинающих период, т.е. у водорода и щелочных металлов, и наибольшее – у элементов, заканчивающих период, т.е. у инертных газов. Величина его может служить мерой большей или меньшей «металличности» элемента: чем меньше потенциал ионизации, чем легче оторвать электрон от атома, тем сильнее должны быть выражены металлические свойства элемента.

Величина потенциала ионизации зависит от трех причин: от величины заряда ядра, радиуса атома и особого рода взаимодействия между электронами в электрическом поле ядра, вызванного их волновыми свойствами. Очевидно, что чем больше заряд ядра и чем меньше радиус атома, тем сильнее притягивается электрон к ядру тем больше потенциал ионизации.

У элементов одного и того же периода при переходе от щелочного металла к инертному газу заряд ядра постепенно возрастает, а радиус атома уменьшается. Следствием этого и является постепенное увеличение потенциала ионизации и ослабление металлических свойств. У инертных газов, хотя радиусы их атомов больше, чем радиусы атомов галогенов, стоящих в том же периоде, потенциалы ионизации больше, чем у галогенов. В этом случае сильно сказывается действие третьего из вышеупомянутых факторов – взаимодействия между электронами, вследствие чего внешняя электронная оболочка атома инертного газа имеет особую энергетическую устойчивость, и удаление из нее электрона требует значительно большей затраты энергии.

Присоединение электрона к атому металлоида, превращающее его электронную оболочку в устойчивую оболочку атома инертного газа, сопровождается выделением энергии. Величина этой энергии при расчете на 1 грамм-атом элемента служит мерой так называемого сродства к электрону. Чем больше сродство к электрону, тем легче атом присоединяет электрон. Сродство атомов металлов к электрону равно нулю, – атомы металлов не способны присоединять электроны. У атомов же металлоидов сродство к электрону тем больше, чем ближе к инертному газу стоит металлоид в периодической системе. Поэтому в пределах периода металлоидные свойства усиливаются по мере приближения к концу периода.

В повседневной жизни нам не приходится иметь дело с атомами. Окружающий нас мир построен из объектов, образованных из гигантского числа атомов в виде твердых тел, жидкостей и газов. Следовательно, нашим следующим шагом должно быть изучение того, как атомы взаимодействуют друг с другом, образуя молекулы, а затем и макроскопическое вещество. Даже человеческая индивидуальность (и вообще поведение всех живых организмов) является результатом различий в структурах гигантских молекул, несущих генетическую информацию.

Молекулы состоят из одинаковых или различных атомов, соеди­ненных между собой межатомными химическими связями. Устойчивость молекул свидетельствует о том, что химические связи обусловлены силами взаимодействия, связывающими атомы в молекулу.

Силы межатомного взаимодействия возникают между внешними электронами атомов. Потенциалы ионизации этих электронов значительно меньше, чем у электронов, находящихся на внутренних энергетических уровнях.

Нахождение конкретных формул химических соединений значительно упрощается, если воспользоваться понятием о валентности элементов, т.е. свойством его атомов присоединять к себе или замещать определенное число атомов другого элемента.

Понятие о валентности распространяется не только на отдельные атомы, но и на целые группы атомов, входящие в состав химических соединений и участвующие как одно целое в химических реакциях. Такие группы атомов получили название радикалов.

Физические основы химических связей в молекулах вещества . Однако природа сил, обусловливающих связь между атомами в молекулах, долгое время оставалась неизвестной. Только с развитием учения о строении атома появились теории, объясняющие причину различной валентности элементов и механизм образования химических соединений на основе электронных представлений. Все эти теории основываются на существовании связи между химическими и электрическими явлениями.

Остановимся, прежде всего, на отношении веществ к электрическому току.

Одни вещества являются проводниками электрического тока, как и твердом, так и в жидком состоянии: таковы, например, все металлы. Другие вещества в твердом состоянии тока не проводят, но элекропроводны в расплавленном виде. К ним принадлежит огромное большинство солей, а также многие окислы и гидраты окислов. Наконец, третью группу составляют вещества, не проводящие тока ни в твердом, ни в жидком состоянии. Сюда относятся почти все металлоиды.

Опытом установлено, что электропроводность металлов обу­словлена движением электронов, а электропроводность расплавленных солей и им подобных соединений – движением ионов, имеющих противоположные заряды. Например, при прохождении тока через расплавленную поваренную соль к катоду движутся положительно заряженные ионы натрия Na⁺ , а к аноду – отрицательно за­ряженные ионы хлора Сl^– . Очевидно, что в солях ионы существуют уже в твердом веществе, расплавление лишь создаст условия для их свободного движения. Поэтому такие соединения получили название ионных соединений. Вещества, практически не проводящие тока, не содержат ионов: они построены из электрически нейтральных молекул или атомов. Таким образом, различное отношение веществ к электрическому току является следствием различного электрического состояния частиц, образующих эти вещества.

Указанным выше типам веществ отвечают два различных ти­па химической связи:

а)ионная связь, иначе называемая электровалентной (между противоположно заряженными ионами в ионных соединениях);

б)атомная, или ковалентная, связь (между электронейтральными атомами в молекулах всех остальных веществ).

Ионная связь . Такого типа связь существует между противополож­но заряженными ионами и образуется в результате простого электро­статического притяжения ионов друг к другу.

Положительные ионы образуются путем отщепления от атомов электронов, отрицательные – путем присоединения электронов к атомам.

Так, например, положительный ион Na⁺ образуется при отщеплении от атома натрия одного электрона. Так как в наружном слое атома натрия находится только один электрон, то естественно предположить, что именно этот электрон, как наиболее удаленный от ядра, и отщепляется от атома натрия при превращении его в ион. Подобным же образом ионы магния Mg²⁺ и алюминия А1³⁺ получаются в результате отщепления от атомов магния и алюминия соответственно двух и трех внешних электронов.

Напротив, отрицательные ионы серы и хлора образуются путем присоединения к этим атомам электронов. Поскольку внутренние электронные слои в атомах хлора и серы заполнены, дополнитель­ные электроны в ионах S² и Сl^– , очевидно, должны были занять места во внешнем слое.

Сравнивая состав и строение электронных оболочек ионов Na⁺ , Mg²⁺ , А1³⁺ , мы видим, что у всех этих ионов они одинаковы – такие же, как у атомов инертного газа неона (Ne).

В то же время ионы S² и Сl^– , образующиеся в результате при­соединения электронов к атомам серы и хлора, имеют такие же элек­тронные оболочки, как и атомы аргона (Аг).

Таким образом, в рассмотренных случаях при превращении атомов в ионы электронные оболочки ионов уподобляются оболочкам атомов инертных газов, наиболее близко к ним расположенных в периодической системе.

Современная теория химической связи объясняет это тем, что электронные группировки в атомах инертных газов (два электрона в наружном слое атома гелия и восемь электронов в атомах остальных инертных газов) являются особенно устойчивыми. Именно вследствие устойчивости этих группировок инертные газы и не способны вступать в соединение с другими элементами. Атомы, имеющие в наружном слое менее восьми электронов, стремятся приобрести структуру инертных газов, отдавая «лишние» электроны или пополняя их число в своем наружном слое до восьми за счет электронов других атомов, что и происходит при образовании большинства химических соединений, состоящих из ионов.

Процесс образования химического соединения ионного типа из атомов можно представить следующим образом.

Сначала атомы превращаются в разноименно заряженные ионы вследствие перехода электронов от одного атома к другому, а затем уже ионы взаимно притягиваются, образуя соединение с ионной связью.

Положим, например, что атомы натрия, имеющие в наружной оболочке только один электрон, встречаются с атомами хлора, наружная оболочка которых содержит семь электронов. Атомы натрия отдают свои «лишние» электроны, атомам хлора, превращаясь в положительные однозарядные ионы с электронной конфигура­цией инертного газа неона. В то же время атомы хлора, присоеди­нившие к своему наружному слою по одному электрону, становятся отрицательными однозарядными ионами со структурой атомов аргона. После этого сила электрического притяжения между разноименными зарядами связывает образовавшиеся ионы друг с другом, в результате чего получается соль – хлористый натрий (рис. 3).

Рис.3. Схема образования хлористого натрия

Изложенные выше представления о механизме образования ионных соединений приводят к заключению, что валентность элементов в ионных соединениях характеризуется числом электрических заря­дов их ионов. Иначе ее называют электровалентностью.

Величина электровалентности определяется числом электронов, отданных атомом при образовании положительного иона или присоединившихся к нему при образовании отрицательного иона. В первом случае электровалентность считается положительной, во втором – отрицательной.

Способность атомов превращаться в положительные или отрицательные ионы зависит от положения соответствующих элементов в периодической системе. Атомы элементов, стоящих в начале периода, имеют меньший заряд ядра, чем атомы элементов, находя­щиеся в конце периода. В первом случае электроны притягиваются слабее, чем во втором, поэтому склонность атомов к превращению в положительные ионы, вообще говоря, уменьшается в периоде в направлении слева направо.

Ковалентная связь . Предположение об электростатическом при­тяжении между противоположно заряженными ионами, как о причине возникновения химической связи, явно неприменимо к молекулам простых веществ (водорода Н₂ , кислорода О₂ и др.), а также к молекулам веществ, образованных близкими по химическим свойствам элементами, так как в этом случае трудно допустить возникновение противоположно заряженных ионов. Поэтому по отноше­нию к таким веществам бьиа выдвинута другая теория их образова­ния, получившая название теории ковалентных связей. При разработке этой теории тоже учитывалась химическая устойчивость атомов инертных газов.

Согласно теории ковалентных связей при образовании молекул (как и при образовании ионных соединений) атомы химических эле­ментов приобретают устойчивые электронные оболочки, подобные оболочкам атомов инертных газов. Однако устойчивость эта дости­гается не путем перехода электронов от одних атомов к другим, а путем образования одной или нескольких пар электронов, которые становятся общими для соединяющихся атомов, т.е. входят одновременно в состав электронных оболочек двух атомов. Можно представить себе, что эти «спаренные» электроны вращаются по орбитам, охватывающим ядра обоих атомов, и таким образом связывают атомы в молекулу.

Химическая связь, обусловленная наличием электронных пар, называется ковалентной, или атомной, связью, в отличие от электровалентной, или ионной, связи, основанной на электростатическом притяжении между разноименно заряженными ионами.

Предположение о паре электронов, как бы «обслуживающей» два ядра, как о причине возникновения ковалентной связи получило обоснование в волновой механике. Два положительно заряженных ядра можно рассматривать как одно ядро с большим зарядом, чем у каждого из ядер в отдельности. Электрон, вращающийся вокруг такого комбинированного ядра, удерживается более сильно, чем, если бы он вращался около одного из ядер. Этим объясняется энергетическая выгодность образования ковалентных связей. Новая орбит движения электрона в молекуле называется молекулярной. Движение электронов по молекулярным орбитам подчиняется тому же правил Паули, что и движение по атомным орбитам. Поэтому на одной той же молекулярной орбите не может быть больше двух электронов, причем они должны иметь противоположные спины. Электроны одинаковыми спинами на одной и той же молекулярной орбите находиться не могут. Вот почему каждая ковалентная связь образована лишь парой электронов.

Образование молекулярных орбит с точки зрения волновой механики является следствием «перекрывания» атомных орбит. В результате такого перекрывания наибольшая электронная плотность молекулярной орбите, если ее представить, как электронное облако оказывается между ядрами. Это значит, что электроны при движении по молекулярной орбите наиболее часто попадают в область, находящуюся между ядрами. В результате между ядрами создается как бы прослойка из отрицательного электричества, способствующая сближению ядер. Поэтому чем сильнее «перекрываются» атомные орбиты при образовании молекулярных орбит, тем прочнее связь. Валентность или, точнее, ковалентность элемента в данном соединена, определяется числом электронов его атома, идущих на образование общих, или «связующих», электронных пар.

Итак, ковалентная связь между атомами в молекулах обусловливается наличием одной или нескольких общих пар электронов. Так как при образовании ковалентной связи, как правило, не происходит ни потери, ни присоединения электронов к атомам, то понятно, что молекулы с ковалентной связью не содержат ионов. Примером молекул с ковалентной связью может служить вода (Н₂ ,О).

Одним из элементов, образующих ковалентные связи, является углерод. Углерод участвует в молекулярных структурах почти всегда с четырьмя ковалентными связями.

Большая часть животного и растительного мира образована соединениями углерода (С) с водородом (Н) и некоторыми другими элементами, прежде всего азотом (N), кислородом (О), фосфором (Р) и серой (S). Эти соединения первоначально называли органическими соединениями, в отличие от ионных (неорганических), так как по своему химическому составу все животные и растения почти на 98% состоят из указанных шести химических элементов.

Простейшими из органических молекул являются углеводороды, состоящие только из атомов углерода и водорода. Каждая черточка – ковалентная связь, осуществляемая двумя электронами. При комнатной температуре первые четыре вещества данного углеводородного ряда – газы, следующие десять –жидкости, а все последующие – твердые вещества, или парафины.

Сложные органические соединения содержат ряд других элементов. Так, все органические кислоты (например, лимонная) и все спирты (например, этиловый) содержат кислород.

Многие молекулы в живой природе, в частности молекулы белков, чрезвычайно сложны. Несмотря на это, в последнее время были достигнуты большие успехи в определении состава, структуры и функции этих молекул. В частности, многое стало известно о структуре ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), несущей генетическую информацию. Хотя эта молекула может содержать до миллиона атомов, ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

После того, как была выяснена природа сил, приводящих к объединению атомов в молекулы, т.е. природа «химизма», проявляющаяся в огромном многообразии химических превращений вещества, в том числе приводящая к образованию многоатомных сложных молекул, стал ясен механизм первой ступени самоорганизации материи в природе от более простых атомных систем к гораздо более сложным молекулярным системам. Диапазон известных молекулярных структур огромен – от двухатомных молекул типа Н₂ , О₂ до макромолекул органических соединений, состоящих из сотен и тысяч атомов, – белков и нуклеиновых кислот.

Из огромной совокупности разных молекул состоит все неживое и живое вещество природы – макротела. Количественные изменения при переходе от микрообъектов (атомов, молекул) к макротелам большой совокупности микросистем – приводят к существенным качественным изменениям в поведении, следовательно, в описании этих объектов исследования.

На макроуровне принято отдельно рассматривать вещественную молевую материю. Вещество может находиться в четырех агрегат­ных состояниях – твердые тела, жидкости, газы, плазма . Все явления и процессы в макромире связаны с процессами сохранения и преобразования одних форм движения в другие на основе двух всеобъемлющих законов – закона сохранения и превращения энергии и закона возрастания энтропии.

Указанные макропроцессы изучаются в рамках так называемой физической картины мира – в виде законов механики, статистической фишки, термодинамики и электродинамики. А вся совокупность явлений макромира изучается многочисленными естественно-научными дисциплинами (физикой, химией, геологией, биологией и т.д.).

2.3.3. Мегамир

Объектами мегамира являются тела космического масштаба – кометы, метеориты, астероиды (малые планеты), планеты, планетные пстемы, Солнечная система, звезды (нейтронные, белые и желтые карлики, красные гиганты), звездные системы, черные дыры, квази-звезды (квазары), Галактика (Млечный Путь), Метагалактика, системы галактик.

Огромные расстояния между космическими объектами вызывают необходимость ввода новых величин для измерения расстояний.

1.Астрономическая единица – среднее расстояние от Земли до солнца: 1 а.е. = 1,5 • 10 ^{11 м} = 1,5 10⁸ км.

2.Световой год – расстояние, которое проходит свет за один год: 1 световой год = 9,46 • 10¹⁵ м = 9,46 • 10¹² км.

3.Парсек – расстояние, которое в 3,26 раз больше светового года: 1 парсек = 3,1 • 10¹⁶ м = 3,1 • 10¹³ км.

Мегамир (космос) – взаимодействующая и развивающаяся система, а также одна из форм системной организации во Вселенной.

2.4. Пространство и время

Пространство и время – категории, обозначающие основные фундаментальные формы существования материи. Пространство выражает порядок существования отдельных объектов, время – порядок смены явлений и состояний материи. Они играют главную роль на эмпирическом уровне физического познания – непосредственное содержание результатов наблюдений и экспериментов состоит фиксации пространственно-временных совпадений.

Пространство и время служат также одним из важнейших средств конструирования теоретических моделей, интерпретирующих экспериментальные данные. Пространство и время имеют решающее значение для построения физической картины мира.

Все тела имеют определенную протяженность – длину, ширину, высоту. Они различным образом расположены друг относительно друга, составляют части той или иной системы.

Пространство есть форма координации существующих объектов, состояний материи. Порядок сосуществования этих объектов и их состояний образуют структуру пространства.

Явления характеризуются длительностью существования, последовательностью этапов развития. Процессы совершаются либо одновременно, либо один раньше или позже другого. Все это означает, что тела существуют и движутся (изменяются) во времени.

Время – это форма координации сменяющихся объектов и их состояний. Порядок смены этих объектов и состояний образуют структуру времени.

Пространство и время – всеобщие формы существования, координации объектов. Всеобщность данных форм бытия заключается в том, что они есть формы бытия всех предметов и процессов, которые были, есть и будут в мире. В мире все простирается и длится.

2.4.1. Единство и многообразие свойств пространства и времени

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Но при позна­нии пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия. Обычно выделяют всеобщие и специфические свойства пространства и времени, а также исследуют особенности пространства и времени в микромире и мегамире. Из всеобщих свойств пространства и времени следует отметить их:

1. Объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире.

2. Абсолютность – они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования.

3.Неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей.

4.Единство прерывности и непрерывности в их структуре – наличие отдельных тел, фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо «разрывов» в самом пространстве.

5.Количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи – невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а также неисчерпаемость их свойств.

Всюду, где есть любое взаимодействие и движение материи, сосуществование и связь ее элементов, обязательно наличествует пространство и время; всюду, где имеется сохранение материи, длительность ее бытия и последовательность смены состояний, будет и время, включающее в свое содержание все эти процессы.

К общим свойствам пространства относятся:

1. Протяженность – рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу неко­торого следующего элемента либо возможность уменьшения числа элементов. Протяженность тесно связана со структурно­стью материальных объектов, обусловлена взаимодействием между составляющими тела элементами материи.

2. Связность и непрерывность – проявляются в характере перемещений тел от точки к точке, в распространении воздействий через различные материальные поля в виде близкодействия передаче материи и энергии. Связность означает отсутствие каких-либо «разрывов» в пространстве и нарушений в распространении воздействий в полях.

3. Трехмерность – общее свойство пространства, обнаруживающееся на всех известных структурных уровнях, органически связано со структурностью систем и их движением. Все материальные процессы и взаимодействия реализуются в пространстве трех измерений (длина, ширина, высота). Три измерения являются тем необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов.

4. Пространству на всех известных структурных уровнях материи присуще единство метрических и топологических свойств. Метрические свойства проявляются в протяженности и характере связи элементов тел. Метрика может быть различной – евклидовой и неевклидовой, причем возможно много разновидностей неевклидовых пространств с различными значениями кривизны. Топологические свойства характеризуют связность, трехмерность, непрерывность, неоднородность, бесконечность пространства, его единство со временем и движением.

Рассмотрим теперь общие свойства времени:

1. Длительность – выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующих. Длительность предполагает возможность прибавления к каждому дан­ному моменту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на меньшие интервалы. Длительность обусловлена сохранением материи и ее атрибутов, единством устойчивости и изменчивости в мире. Никакой процесс в природе не может происходить сразу, мгновенно, он обязательно длится во времени, что обусловлено конечной скоростью распространения взаимодействий и изменения состояний.

Аналогично протяженности пространства, длительность относится к метрическим свойствам. Отсутствие же всякой длительности, связанное, например, с состоянием материи типа сингулярности (объект с бесконечной плотностью, гравитационным полем и точечными размерами), означало бы, что материя в этом состоянии не обладает способностью к сохранению и последовательной смене состояний, что равносильно отрицанию всякого материального бытия.

2. Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Сохраняемость материи и непрерывная последовательность ее изменений, близкодействие в причинных отношениях определяют и общую непрерывность времени , проявляющуюся в непрерыв­ном переходе предшествующих состояний в – последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения, которые его вызывают. Но время как форма бытия материи складывается из множества последовательностей и длительностей существования конкретных объектов, каждый из которых существует конечный период. Поэтому время характеризуется прерывностью бытия конкретных качественных состояний. Но эта прерывность относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход.

3. Всеобщим свойством времени является необратимость , означающая однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Будущие события – это те, которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимодействию между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном сосуществовании объектов. Объекты, сосуществовавшие в прошлом, но перешедшие в другие последующие состояния материи, уже недоступны никакому воздействию. На прошлое физически воздействовать невозможно, можно только изменить представление о прошлом в сознании реально существующих людей.

На отдаленное будущее также нельзя воздействовать, пока оно не возникнет, поскольку реально оно еще не существует. Воздействовать можно на события настоящего и на те ближайшие события будущего, которые из них непосредственно вытекают. Понятие настоящего многозначно (как и понятие современности ), ибо охватывает различные временные интервалы. Так, для человека предельно суженное настоящее – это сиюсекундное переживание, фиксируемое с большим трудом. Все, что было до него, относится к прошлому, все последующее – к будущему. Но это настоящее может быть расширено, в зависимости от сопоставляемых интервалов и масштабов события, до часа, дня, года и большего отрезка времени, как и понятие современности.

Для объективно существующих систем настоящее время охватывает тот интервал, в течение которого они физически могут взаимодействовать между собой путем обмена материей и энергией. Если бы скорость распространения воздействий была бесконечной, то это настоящее представляло бы собой сколь угодно малый миг, дающий мгновенное сечение всех событий во Вселенной – настоящих, прошлых и будущих. Но скорость распространения воздействий всегда конечна и не превышает скорости света в вакууме. Для элементарных частиц это будут очень малые отрезки, но для Галактики они возрастают до сотни тысяч лет, а в больших системах они будут еще более значительными. Внутри этого настоящего для больших систем могут укладываться события прошлого, настоящего и будущего малых систем, существующих намного меньшее время, например, жизни конкретных поколений людей. Действие всегда происходит только в одном направлении: от прошлого к настоящему и от него – к будущему , но никогда наоборот.

Какие причины лежат в основе асимметрии и необратимости времени? Сегодня их связывают с процессами самоорганизации материи, законами неравновесной термодинамики. Обратное движение времени означало бы обращение вспять всех процессов развития в мире и причинных отношений, что привело бы к нарушению закона причинности.

Необратимость времени, неэквивалентность прошлого и будущего во все большей мере осознаются различными науками. Раньше считалось, что все физические законы инвариантны относительно замены знака времени, поскольку время в уравнениях квантовой и классической механики берется в квадрате. Это наводило на мысль, что все физические процессы могут происходить одинаково как в прямом, так и в обратном направлении. Но за последние годы были открыты процессы, демонстрирующие необратимость изменений в микромире: распады неустойчивых частиц (нейтронов, мезонов) с излучением нейтрино.

4. Одномерность времени проявляется в линейной последова­тельности событий, генетически связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной. Если бы время имело не одно, а два, три и больше измерений, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с ним миры-двойники, в которых те же самые события разворачивались бы в одинаковой последовательности.

Рассмотрим теперь специфические и локальные пространственно-временные свойства систем. К пространственным свойствам относятся:

1. Конкретные пространственные формы тел, их положение в пространстве по отношению друг к другу, скорость пространственного перемещения, размеры тел.

2. Наличие у них внутренней симметрии или асимметрии. Различные виды симметрии (речь о них пойдет ниже) свойственны как макромиру, так и микромиру, являясь фундаментальным свойством неживой природы. Живому веществу присуще свойство пространственной асимметрии, которым обладает молекула живого вещества.

3. Изотропность и неоднородность пространства . Изотропность означает отсутствие выделенных направлений (верха, низа и других), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Полная изотропность присуща лишь вакууму, а в структуре вещественных тел проявляется анизотропия в распределении сил связи. Они расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других. Точно так же полная однородность свойственна лишь абстрактному евклидовому пространству и является идеализацией. Реальное пространство материальных систем неоднородно, различается метрикой и значениями кривизны в зависимости от распределения тяготеющих масс.

В биологических системах есть специфические пространственно-временные свойства: асимметрия расположения атомов в молекулах белка и нуклеиновых кислот, собственные временные ритмы и темпы изменения внутри организменных и надорганизменных биосистем, взаимосвязь и синхронизация ритмов друг с другом, а также с вращением Земли вокруг оси и сменой времен года.

Так же и в обществе есть специфические пространственные отношения между его элементами, собственные ритмы и темпы изменения в различных сферах общественной жизни, проявляется ускорение темпов развития с прогрессом науки и техники.

Но во всех этих и других системах проявляются указанные выше всеобщие свойства пространства и времени и большинство их общих свойств.

Пространство-время в макро- и мегамире. В локальных областях макромира, когда можно абстрагироваться от искривления пространства-времени вблизи больших тяготеющих масс, пространство-время характеризуется евклидовой геометрией. В масштабах Галактик и Метагалактики существенную роль начинает играть кривизна пространства-времени, связанная с взаимодействием тяготеющих масс, характер кривизны пространства зависит от средней плотности вещества и поля. При плотности больше критической (10 ^{- 29} г/см³ ) пространство будет замкнуто, а время имеет точки, в которых Метагалактика может сжиматься до сверхплотного состояния. В такой математической точке, как плотность вещества, так и кривизна пространства должны стать бесконечными (большими). В современной общей теории относительности эта точка называется сингулярностью. Сингулярность – это не объект, а то место, где заканчивается действие известных нам физических законов. Наличие нескольких таких временных точек означает, что Метагалактика пульсирует, переходя от стадии расширения к стадии сжатия.

При плотности, меньшей критической, кривизна пространства соответствует незамкнутой Вселенной, имеющей особую временную точку, в которой происходит Большой Взрыв и далее начинается стадия неограниченного расширения. По современным научным данным, более характерен второй сценарий эволюции Метагалактики – сценарий Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной,

Биологическое пространство-время. Оно как бы вписано в пространство-время неживой природы. Левая и правая асимметрия в группировках атомов. Отсутствие тождественности левого и правого, резкое проявление левизны организации живого – свидетельство особенностей биологического пространства. Биологическое пространство – сложная композиция различных, неевклидовых пространств организмов и локальных евклидовых пространств неорганических объектов. Биологические часы. Внутреннее время организма: в ритмах биологических часов внешнее время как бы сжимается, затем происходит активный перенос на будущее этих спрессованных ритмов, протекшего внешнего времени. Биологический организм обгоняет время.

Социальное пространство-время. Функциональное расчленение на ряд подпространств, характер которых и взаимосвязь исторически меняются по мере развития общества. Пространство непосредственного обитания. Пространство – зона плодо­носных земель. Очеловеченное и не очеловеченное пространство. Природа социального пространства включает: предметный мир, который человек создает и обновляет в своей деятельности, самого человека и его отношение с другими людьми, состояние человеческого сознания, регулирующие его деятельность. Это единое системное целое существует при взаимодействии составляющих его частей – мира вещей «второй природы», мира идей и мира человеческих отношений. Социальное пространство имеет особую пространственную архитектонику, которая не сводится только к отношениям материальных вещей, а включает их отношение к человеку, его социальные связи и те смыслы, которые фиксируются в системе общественно значимых идей.

Специфика социального пространства тесно связана со спецификой социального времени, которая является внутренним и вписана во время природных процессов. Социальное время на ранних стадиях общественного развития замедлено. Социально-историческое время проходит неравномерно. Оно уплотняется и ускоряется в ходе общественного развития. Развитие человеческого общества намного ускоряет все эволюци­онные процессы, происходящие на Земле.

Поле и вещество, и их взаимосвязь. Под веществом понимают различные частицы и тела, которым присуща масса покоя, тогда как поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и множеством других свойств. Поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет «занято» полями, на долю собственно частиц приходится ничтожная часть общего объема системы, т.е. поля входят в структуру вещества. В свою очередь, квантами полей выступают частицы, относящиеся к веществу. В этой неразрывной взаимосвязи частиц и полей можно видеть одно из важнейших свойств проявления единства прерывности и непрерывности в природе.

Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в нем. При этом поля не являются абсолютно континуальными средами. При излучении и поглощении они проявляются относительно дискретно – в виде квантов: фотонов, мезонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования.

Характеризуя единство прерывного и непрерывного в природе, следует упомянуть единство корпускулярных и волновых свойств частиц вещества. Обладая относительной дискретностью, микрообъекты при взаимодействиях и движении могут проявлять волновые свойства, способность к дифракции и интерференции, они характеризуются длиной волны, обратно пропорциональной их массе и скорости. Это соотношение выражает корпускулярно-волновой дуализм Луи де-Бройля, причем постоянная h Планка имеет смысл минимального действия в природе , соизмеримость взаимодействия с этой универсальной постоянной указывает на учет квантовых эффектов и дискретности природы.

Согласно идее Планка, универсальной количественной харак­теристикой минимального квантового воздействия на объекты, находящиеся в микросостояниях, в природе служит постоянная h = 1,054* 10 ^-34 Дж с, названная постоянной Планка или, иначе, элементарным квантом действия. Любое воздействие, происходящее в природе, можно охарактеризовать целым числом квантов действия N h , так что постоянная Планка играет роль неделимой более «порции» или «атома» воздействия. Поскольку она очень мала, атомизм воздействия, как и всякий другой атомизм, в макроскопических опытах себя не проявляет, что согласуется с наблюдаемой непрерыв­ностью воздействия в классической физике.

К настоящему времени идея Планка обоснована бесчисленными опытами с самыми различными объектами в микросостояниях, из которых следует одно и то же значение h. Они подтвердили универсальный характер постоянной Планка, характеризующей не какое-то конкретное микросостояние объекта или конкретное воздействие (включая наблюдение), а фундаментальный закон природы – существование универсального ограничения на минимально возможную величину квантового воздействия. В этом смысле постоянная Планка h – столь же фундаментальная физическая величина, что и скорость света в вакууме с, значение которой также характеризует не просто скорость какого-то конкретного физического процесса, а фундаментальный закон природы – существование универ сального ограничения на максимально допустимую скорость любого материального объекта.

Универсальный характер постоянной Планка проявляется и в том, что через нее могут быть выражены любые физические характеристи­ки, которыми обмениваются два взаимодействующих объекта (из которых один обязательно микроскопичен). Действительно, размерность элементарного кванта действия

[h] = [энергия х время] = [импульс х расстояние] = [момент].

Поскольку время и расстояние в микромире остаются непрерывными, отсюда непосредственно следует представление о дискретности, квантованности энергии, импульса и момента.

Таким образом, вытекающий из реального существования атомов и электронов принцип атомизма вещества (все элементы состоят из дискретных одинаковых атомов определенной массы) удалось ввести в физику лишь после того, как открытый ранее атомизм вещества и электричества был дополнен идеей Планка об атомизме воздействия и его физических характеристик. Дальнейшая разработка этой идеи и применение ее к объяснению все новых и новых экспериментов в микромире привели в конце 20-х годов XX в. к созданию квантовой физики. Ее законы последовательно описывают природу в условиях, когда значение постоянной Планка существен­но, и воспроизводят результаты классической физики в тех случаях, когда постоянной Планка в сравнении с другими величинами той же размерности можно пренебречь.

Однако значение открытия Планка, его квантовой гипотезы, не сводится только к построению еще одной фундаментальной физической теории. Как будет продемонстрировано ниже, речь идет о принципиальном изменении взгляда на природу и методов познания ее че­ ловеком . Величайшее достижение квантовой физики состоит в том, что она позволила последовательно развить качественно новый, неклассический взгляд на природу, органично сочетающий описание самой физической системы и ее окружения, включая условия наблюдения за системой. В рамках такой концепции нашло себе место и адекватное описание тепловых явлений, первоначально развитое в статистической физике Гиббсом. Таким образом, появление идеи Планка по своей значимости можно сравнить лишь с появлением учения Коперника, положившего начало развитию классического естествознания. В свою очередь, Планк открыл эпоху неклассического естествознания, приведшего к формированию современной физической картины мира.

Конечно, осознание значения открытия Планка как скачка в духовном развитии всего человечества может прийти только после глубокого самостоятельного обдумывания идей неклассической физики. Однако направление, в котором необходимо изменить описание природы в рамках неклассической физики, можно указать уже сейчас. Оно связано с решением проблемы сочетания целостности и сложности в микромире .

Дело в том, что открытие Планка, с одной стороны, создало основу для объяснения существования в природе атомизма, а с другой стороны, показало всю ограниченность, всю «классичность» самого принципа атомизма. Как известно, классическая физика знает только одну форму описания сложной системы – это составная система, т. е. система, состоящая из элементарных объектов. Любая фундаментальная физическая характеристика такой системы «состоит» из нескольких «порций» той же характеристики, присущей составляющим систему более элементарным объектам. Например, заряд системы из трех электронов равен утроенному заряду электрона. Пока предел делимости материи и ее характеристик на отдельные «порции» не был фиксирован, такой подход к описанию сложности за счет отказа от целостности системы был оправдан.

Ситуация коренным образом изменилась с установлением фундаментальной роли в природе постоянной Планка h . Можно утверждать, что фундаментальные физические характеристики обладают определенной целостностью и дальнейшему дроблению не подлежат. В этом смысле классический принцип атомизма себя полностью исчерпал. В то же время, как следует из опыта, микрообъекты отнюдь не являются элементарными бесструктурными образованиями. Они обладают разнообразными свойствами, и более того, существует определенная иерархия микрообъектов: молекулы, атомы, ядра, нуклоны, элементарные частицы. Таким образом, неделимость кванта действия приводит с неизбежностью к требованию целостности микросистем, чуждому классической физике.

2.4.2. Принцип причинности

Классическая физика основывается на следующем понимании причинности: состояние механической системы в начальный момент времени с известным законом взаимодействия частиц есть причина, а ее состояние в последующий момент времени – следствие.

Известны простая причинно-следственная связь: одна причина – одно следствие; сложные причинные связи: несколько причин – одно следствие; одна причина – несколько следствий; прямые и опосредованные причинно-следственные отношения. Различают взаимодействие: явление-причина испытывает обратное действие со стороны собственного действия. Дальнейшее развитие причинно-следственных отношений – учет условий, поводов, причинных оснований.

В вопросах природы причинности в настоящее время произошла реабилитация схоластики и аристотелизма.

Открытие Макса Планка, предложившего рассматривать излучение абсолютно черного тела не как непрерывный процесс, но как сумму дискретных актов излучения послужило основанием для создания квантовой механики. Уже в самом термине «квант» было нечто от схоластического «quantitas» (количество). Вскоре после открытия Планка событийность восторжествовала над процессуальностью в биологии в результате рождения генетики и теории наследственности Грегори Менделя: в итоге было предложено рассматривать «процесс» эволюции как связанный с последовательностью элементарных квантовых событий – мутаций.

А. Эйнштейн предложил свою знаменитую формулу, определяющую связь между массой и энергией. Вскоре стало ясно, что в природе возможны превращения одних элементарных частиц в другие.

Поль Дирак уже выдвинул гипотезу о существовании античастиц, которые, взаимодействуя с частицами, антиподами которых они являются, превращались в другие частицы – световые кванты, не обладающие массой покоя. При взаимодействии частицы и античастицы вся их суммарная масса покоя превращалась в квантованную энергию. Этот вид взаимодействий получил название аннигиляции.

События, связанные с превращениями элементарных частиц, оказались непредсказуемыми. Здесь реализуется та многовариантность, о которой робко задумывался еще Фома Аквинский, когда ставил вопрос, может ли быть источником непредсказуемости то, что материя сама по себе безразлична к принятию той или иной формы. Само существование нестабильных частиц вернуло смысл казавшимся нелепыми рассуждениям схоластов, например, Суареса о длительности существования формы. В итоге физика элементарных частиц, по крайней мере, отчасти, «реабилитировала» три положения схоластики:

1. Элементы, из которых создан мир, состоят из материи и формы (энергии и специфических свойств: заряд, импульс, спин и т.п.);

2. Мир элементарных превращений событиен;

3. Форма может характеризоваться длительностью существования. К этим трем положениям, известным на метафизическом уровне еще схоластам, физика элементарных частиц добавила еще два положения, которые схоласты считали справедливыми лишь в духовном мире:

1. Не все события предсказуемы («в начале было слово», «первое слово – дороже второго»);

2. Материя обладает определенной свободой в выборе различных форм. Оставался невыясненным вопрос о «локальном движении». На этот вопрос ответила квантовая механика, определив, элементарный квант действия или минимальное действие, возможное в природе равное постоянной Планка (h). Квантовая механика «событийна», а не «процессуальна», и более того, события в квантовой механике не имеют ближайшей производящей причины. С позиций событийного видения мира роль флуктуаций, в конечном счете, играют именно единичные непредсказуемые квантовые события, для которых характерна многовариантность . Разумеется, в большинстве случаев уравнения классической механики с достаточной точностью описывают поведение макросистем в устойчивом и равновесном состоянии. Но если сами эти уравнения указывают на неустойчивость макросистемы, то в игру вступают так называемые «ничтожно малые флуктуации», и если эти флуктуации действительно достаточно малы, то они суть не что иное, как квантовые явления.

То же самое можно, рассуждая по аналогии, сказать и о социуме. Мы далеки от того, чтобы утверждать, что поведение больших групп людей всегда непредсказуемо. Здесь, как и в любом другом случае, когда взаимодействует достаточно большое число объектов, действуют статистические законы, а также могут быть применены критерии, определяющие устойчивость или неустойчивость системы. Если система устойчива, поведением отдельных людей можно пренебречь, подобно тому, как при описании устойчивых макрообъектов мы пренебрегаем квантовыми эффектами. Но если социальная система неустойчива, то роль дестабилизирующих флуктуаций в ней всегда будет играть непредсказуемое поведение отдельных людей, наделенных свободой воли. Именно свобода воли отдельного человека будет тогда причиной многовариантности и непредсказуемости поведения социальной макросистемы. Таким образом, мы можем сделать следующий вывод: самоорганизация как свойство неравновесной системы устремляться к одному из устойчивых состояний и связанная с ней многовариантность и непредсказуемость ее поведения, есть прорыв законов квантового мира в область мира классического; в случае, когда такой прорыв имеет место, классическая система характеризуется той же непредсказуемостью и многовариантностью, которая присуща квантовым объектам. Аналогично, самоорганизация в социальных группах есть свойство социальной системы, находящейся в состоянии нестабильности, устремляться к одному из возможных устойчивых состояний; возникающая при этом многовариантность может быть объяснена как прорыв личного в область социального; поведение социальной системы характеризуется той же непредсказуемостью и многовариантностью, которая присуща свободной воле отдельного человека.

Одним из важных понятий теории динамических систем стало понятие бифуркации. Событийное прочтение бифуркаций таково: в каждой точке бифуркации система как бы обретает новую форму, новую структуру. Еще более естественным выглядит событийное истолкование некоторых «маршрутов» перехода к хаотическому поведению. Бифуркации, за которыми стоят флуктуации, делают движение необратимым. Система превращается в исторический объект, так как ее дальнейшая эволюция зависит от того, по какому маршруту она пошла в точке бифуркации.

Каков наш мир: событиен ли он или процессуален, и каковы причины наблюдающейся в нашем мире необратимости и многовариантности? Вывод, таков: мир событиен, событиям внутренне присуща многовариантность, отсутствие жесткого детерминизма делает невозможным обратить события вспять, что делает наш мир необратимым.

2.4.3. Необратимость – неустранимое свойство реальности .

Стрела времени

На существование парадокса времени было обращено внимание почти одновременно с естественнонаучной и философской точек зрения в конце XIX века. В работах философа Анри Бергсона время , или «длительность», играют главную роль при обсуждении взаимоотношений между человеком и природой, а также пределов науки. Наука успешно развивалась только в тех случаях, когда ей удавалось свести происходящие в природе процессы к монотонному повторению. Но всякий раз, когда наука пыталась описывать созидающую силу времени, возникновение нового, она неизбежно терпела неудачу. Согласно Бергсону, наше понимание природы должно опираться не на объекты, выделенные наукой вследствие их повторяющегося временного поведения, а на наш субъективный собственный опыт, который является в первую очередь и по большей части опытом длительности и творчества. Проблема времени была частью нового осознания становления как фундаментальной категории умопостигаемости .

В XIX веке возникли две концепции времени . Одна из них восходит к динамике, другая – к термодинамике . С точки зрения классической динамики время отнюдь не означает становления. Возникло противоречие теорий: обратимые во времени законы динамики против второго начала термодинамики, связанного с необратимой эволюцией к равновесию. Из классической динамики вытекает отрицание стрелы времени. Принцип, которым руководствовались Галилей, Гюйгенс был явно сформулирован Лейбницем, который назвал его «принципом достаточного основания». Этот принцип утверждает, что в природе «полная» причина любого превращения эквивалента его «полном» следствию. До Больцмана принцип достаточного основания традиционно приравнивался детерминистической связи между причиной и следствием. Эквивалентность между причиной и следствием, требуемая принципом достаточного основания , является важнейшим исходным пунктом.

Обратимых процессов в мире не бывает. Мы живем в «невероятном» мире, и «стрела времени», указывающая на различия между прошлым и будущим – следствие из этого факта. Почему все выглядит так, будто одна единственная стрела времени управляет всем наблюдаемым миром? Открытие самоорганизации, детерминированного хаоса указывают направление науки с ориентированным временем, свободной от парадокса времени, квантового парадокса и космологического парадокса.

Пространство и время в греческой натурфилософии

Наиболее видные представители античного естествознания – Демокрит и Аристотель – высказали следующие суждения о пространстве и времени.

Демокрит считал, что все природное многообразие состоит из мельчайших частиц материи – атомов, которые двигаются в пустом пространстве. Поэтому атомы и пустота являются первоначалами мира, и пустота — это особый род бытия. Пустое пространство Демокрита – арена действия атомов, некий «ящик», в котором они заключены и который может существовать независимо от атомов. пространство является бесконечным, и атомы двигаются в нем бесконечное время. Наряду с бесконечным пространством атомисты рассматривали и дискретные единицы пространства – амеры, которыми характеризовали пространственный минимум, занимаемый минимумом материи – атомом.

Таким образом, у Демокрита мы сталкиваемся с двумя пространствами: непрерывным физическим пространством как вместилищем материи в целом и дискретным пространством как масштабной единицей протяженности единицы материи – атома.

В соответствии с атомической концепцией пространства Демокрит решал и вопросы о природе времени и движения. В дальнейшем они были развиты Эпикуром , который исходил из дискретного характера пространства и времени. Рассматривая равномерное движение, Эпикур считал, что в процессе перемещения атомы проходят один «атом» пространства за одни «атом» времени.

Аристотель больше внимания уделял анализу существования времени, затем трансформировал его в вопрос о существовании делимого времени. Наконец, уделяя основное внимание взаимосвязи времени и движения, он показал, что время немыслимо, не существует без движения. Аристотель указывал, что понятие времени вырабатывалось в результате наблюдений реальных процессов:

«…мы время распознаем, когда разграничиваем движение, определяя предыдущее и последующее, и тогда говорим, что протекло время, когда получим чувственное восприятие предыдущего и последующего в движении».

В другом месте он говорит, что «мы не только измеряем движение временем, но и время движением, вследствие их взаимного определения, ибо время определяет движение, а движение – время».

Аристотель не отрывал время от процессов, происходящих в реальных телах.

Что касается понятия пространства, то Аристотель также отмечал неразрывную связь движения и пространства. Он нащупывает связь между пространственными и материальными отношениями: пространственные отношения – это материальные отношения, если нет материальных тел – нет и пространства. И если у атомистов пустое пространство является вместилищем материальных атомов, то у Аристотеля «пустоты быть не может».

Позже математическая теория пространства была развита другим древнегреческим ученым Евклидом (Евклидова геометрия), которая в дальнейшем была широко использована многими поколениями ученых при построении физических картин мира.

Пространство и время в классической физике

Идеи Демокрита, приписывающего пустоте особый род бытия, были развиты и в наиболее полной форме воплощены в ньютоновских понятиях абсолютного пространства и абсолютного времени. Согласно Ньютону, абсолютные пространство и время представляют собой самостоятельные сущности, которые не зависят ни друг от друга, ни от находящихся в них материальных объектов и протекающих в них процессов.

И. Ньютон следующим образом определяет абсолютные пространство и время в своих «Началах»: .. .Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и недвижимым.

Пространство и время в специальной теории относительности (СТО)

В специальной теории относительности А. Эйнштейна выявилась взаимозависимость пространственных и временных характеристик объектов, а также их зависимость от скорости движения относительно определенной системы отсчета.

Коренным отличием СТО от предшествующих теорий является признание пространства и времени в качестве внутренних элементов шмжения материи, структура которых зависит от природы самого движения и является его функцией.

Рассматривая относительность длин и промежутков времени, А. Эйнштейн приходит к выводу о том, что понятие одновременности лишено смысла: «Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из системы, движущейся относительно данной».

В связи с этим возникла необходимость преобразований координат (положения тел) и времени от покоящейся системы к системе, равномерно и прямолинейно движущейся относительно первой. Из этих преобразований вытекает отрицание неизменности протяженности и длительности, величина которых зависит от движения системы отсчета.

Выяснились относительность длины и временного промежутка, равноправность пространства и времени, инвариантность пространственно-временного интервала.

Важный вклад в понятие «равноправности» пространства и времени внес Г. Минковский . Он показал органическую взаимосвязь пространства и времени, которые оказались компонентами единого четырехмерного континуума (три пространственных координаты и одна временная). С этой точки зрения разделение пространства и времени не имеет смысла. В соответствии с СТО статусом самостоятельной субстанции природы является единое четырехмерное пространство-время.

Пространство и время в общей теории относительности (ОТО)

Еще более сложную связь, по сравнению с СТО, между пространством и временем, с одной стороны, и движением и материей (массой вещества) – с другой, была установлена А. Эйнштейном в рамках созданной им общей теории относительности (ОТО).

Оказалось, что наличие в пространстве материальных тел (масс тел) приводит к изменению структуры пространства и оно искривляется. Поэтому для пространственно-временного описания событий в ОТО необходима другая геометрия пространства – неевкли дова геометрия. При разработке ОТО А. Эйнштейн положил основу геометрию искривленного пространства, разработанную ранее немецким математиком Б. Риманом .

Таким образом, в ОТО А. Эйнштейн доказал, что структура четырехмерного пространства-времени определяется распределением масс материи. Сам А. Эйнштейн так определил суть ОТО: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе в вещами исчезли бы пространство и время.

Следует подчеркнуть, что в ОТО находит наиболее полное воплощение современное представление о пространстве и времени как формах существования материи.

Общая теория относительности – это теория тяготения, теория гравитационного поля. Ее законы проявляются в основном в космических масштабах. Новые свойства искривленного пространства-; времени поставили целый ряд новых вопросов и проблем в космо логии и космогонии. Это, например, вопросы однородности и изотропности в искривленном пространстве, вопросы конечности бесконечности Вселенной и ряд других.

Пространство и время в физике микромира

Еще более углубились представления о пространстве и времени в связи с изучением микромира квантовой механикой и квантовой теорией поля, выявившими тесную связь структуры пространства-времени с материей.

Например, по-иному следует понимать пустоту — вакуум. В квантовой электродинамике вакуум является сложной системой виртуально рождающихся и поглощающихся фотонов, электронно-позитронных пар и других частиц. На этом уровне вакуум рассматривается как особ ый вид материи — как поле в состоянии с минимально возможной энергией. Квантовая электродинамика впервые наглядно показала, что пространство и время нельзя оторвать от материи, что так называемая пустота (вакуум) — это одно из состояний материи.

Квантовая механика была применена к вакууму, и оказалось, что минимальное состояние энергии не характеризуется ее нулевой плотностью. Минимум ее оказался равным уровню осциллятора 0,5 hν .

Допустив скромные 0,5 hν для каждой отдельной волны, — пишет известный академик физик-ядерщик Я. Зельдович, — мы немедленно с ужасом обнаруживаем, что все волны вместе дают бесконечную плотность энергии.

Эта бесконечная плотность энергии пустого пространства таит в ебе огромные возможности, которые еще предстоит освоить физике.

Продвигаясь вглубь материи, там, где определяющую роль играют глюоон-кварковые взаимодействия, становятся совершенно иными пространственно-временные понятия. Специфике микромира не соответетствуют обыденные представления о соотношении части и целого, нарушается пространственная и временная четность, т.е. правое и иное пространственные направления оказываются неэквивалентными. Все эти и многие другие особенности пространства и времени в микромире являются фундаментальными проблемами современной теоретической физики.

2.4.4. Современные взгляды на пространство и время

Ранее мы выяснили, какие из свойств пространства и времени являются универсальными (всеобщими), а какие – специфическими (их всеобщность не доказана). Отнесение к специфическим характеристикам некоторых свойств пространства и времени еще не означает, что где-то опытным путем найдены исключения. Однако логика стремительного развития естествознания последнего столетия свидетельствует о том, что подобные открытия возможны.

Существуют веские основания считать, что на глубинных уровнях микромира пространство и время прерывны и подобно материи квантованы», т.е. складываются из неделимых «порций». Прогнозируемый квант пространства может иметь размер порядка 10^–33 см (порядка планковской длины, характеризующей масштаб проявления квантовых свойств), но до реального проникновения в мир таких масштабов современной науке еще далеко.

Немало сомнений возникает и по поводу универсальности пространства, насчитывающего только три измерения, поскольку построены теоретические модели многомерных пространств (в теории супергравитации, например, использовано одиннадцать измерений; пространства-времени).

То же самое можно сказать и о времени. Сейчас уже не считается универсальной характеристикой однонаправленность времени от прошлого к будущему. Так, в модели «пульсирующей Вселенной» предполагается, что ныне наблюдаемое расширение Вселенной может при определенных условиях смениться сжатием. А в описывающих эту фазу ее эволюции математических уравнениях время сменит свой знак с положительного на отрицательный, т.е. как бы «потечет вспять». Имеется и целый ряд других парадоксальных, с нашей точки зрения, явлений.

Универсальные же свойства пространства и времени экспериментально подтверждены более надежно. Специальная теория относительности объединила пространство и время в единое четырехмерное пространственно-временное многообразие (пространство-время). Кроме того, СТО установила зависимость свойств пространства-времени от скорости движения тел.

Общая теория относительности (ОТО) привела к не менее фундаментальному выводу относительно пространства-времени. Его общий смысл таков: метрические свойства пространства-времени определяются распределением и движением тяготеющих масс материи, и наоборот, силы тяготения в каждой точке пространства зависят от: его метрики. Таким образом, пространство и время существуют «сами по себе», а в тесной зависимости от свойств материи.

2.5. Принципы относительности

2.5.1. Принцип относительности в классической механике

Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности для механического движения, впервые установленный Г. Галилеем и окончательно сформулированный в механике И. Ньютоном. Для его понимания потребуется ввести понятие системы отсчета, или координат.

Как известно, положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое называется системой отсчета и с которым может быть жестко связана система координат. Таким образом, механическое движение тогда относительно, и его описание зависит от того, по отношения к какой системе координат оно рассматривается.

Среди систем отсчета особо выделяются инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга либо в покое, либо равномерном и прямолинейном движении.

Смысл принципа относительности Галилея заключается в том, что во всех инерциальных системах отсчета законы классической механики имеют одинаковую математическую форму записи.

По существу, это означает, что из совокупности инерциальных систем невозможно выделить какую-либо одну преимущественную систему. Например, на судне, движущемся равномерно, тело, выпущенное из рук, падает вертикально вниз независимо от того, стоит судно или движется; вода, налитая в сосуд, на движущемся судне, как и в покое, имеет горизонтальную поверхность; на движущемся корабле при выстреле пуля летит столько же времени от носа к корме, сколько от корме к носу, и т.д.

Для описания механических движений в разных инерциальных системах координат обычно пользуются так называемыми преобразованиями Галилея, которые выражают связь координат материальной точки в условно движущейся (х', у', z ' ) со скоростью V в момент времени t и условно неподвижной (x , y , z ) системах координат

Очевидно, что координаты точки А в движущейся системе (х', у', z ' ) связаны с координатами этой же точки в неподвижной системе (х, y , z ) следующими соотношениями х' = x - Vt ; у' = у, z ' = z .

В классической механике, например, закон сложения скоростей выглядит следующим образом. Пусть материальная точка А движется в системе координат х', у', z ' со скоростью U , а сама система координат (х', у', z ') движется со скоростью V относительно системы координат (х, у, z ). Тогда в системе координат ( x , y , z ) точка А будет двигаться со скорость W = U + V . Действительно, по определению скорость U =

х = х ± Vt (преобразование Галилея).

Из преобразований Галилея следует, что при переходе от одной инерциальной системы к другой такие величины, как координаты тела, скорость, импульс, кинетическая энергия, изменяются. А такие величины, как время, масса, ускорение, сила, и, следовательно, все законы Ньютона, при подобных преобразованиях остаются неизменными, т.е. инвариантными. Это и отражено в механическом: принципе относительности Галилея.

2.5.2. Специальная теория относительности

После создания электродинамики, доказавшей существование в природе еще одного вида материи – электромагнитного поля, которое математически описывается системой уравнений Максвелла, возник естественный вопрос: распространяется ли принцип относительности Галилея на электромагнитные явления, т.е. сохраняется ли вид уравнений Максвелла при рассмотрении их в различных инерциальных системах координат. Оказалось, что если воспользоваться преобразованиями координат Галилея, то вид уравнений Максвелла не сохраняется. Это приводило к далеко идущим выводам, в частности, к фундаментальному выводу о том, что законы; движения двух материальных субстанций – вещества и поля – существенно различны. В виду важности этого обстоятельства начался период длительного и всестороннего рассмотрения данного вопроса, как в части экспериментального подтверждения такого заключения, так и в части анализа уравнений Максвелла.

Одно из направлений исследований уравнений Максвелла, проведенных Лоренцем, показало, что можно формально добиться сохранения вида уравнений Максвелла при переходе от одной (х,у, z , t ) к другой (х', y ', z ', t ') инерциальной системе координат, если преобразование координат и времени произвести в соответствии со следующей схемой, которую сейчас называют преобразованиями Лоренца:

В дальнейшем оказалось, что соотношения Лоренца на самом деле имеют очень глубокое физическое содержание, а вначале преобразования Лоренца только вызвали целый ряд недоуменных вопросов. Например, из формул Лоренца следовало, что:

1) пространственные и временные преобразования не являются независимыми: в преобразование координат входит время, а в преобразование времени – координаты, что было совершенно непонятно;

2)время в разных системах координат течет по-разному.

Все возникшие противоречия разрешил А. Эйнштейн, создав специальную теорию относительности. Он выдвинул новую радикальную идею о связи пространства и времени. Найденное Эйнштейном решение проблемы потребовало отказа от прежних представлений о том, что пространство и время – совершенно различные и не связанные друг с другом понятия. С точки зрения Эйнштейна, реальный мир представляет собой не трехмерное, а четырехмерное пространство, поскольку оно также должно включать время, так как пространственные и временные координаты неразрывно связаны друг с другом и равноправны, образуя четырехмерное пространство-время.

Затем анализ принципа относительности Галилея привел А. Эйнштейна к выводу, что этот принцип является одним из фундаментальных законов, который применим не только к механическим, но и к любым другим явлениям природы – тепловым, электромагнитным, оптическим и т.д. В результате Эйнштейн сформулировал два постулата, легшие в основу специальной теории относительности:

1. Принцип относительности, который гласит, что в любой инерциальной системе все физические законы описываются одинаковым образом.

2. Принцип постоянства скорости света, утверждающего, что во всех инерциальных системах скорость света с одинакова и равна с= 10⁸ м/с.

Первый принцип, по сути, распространяет принцип относительности Галилея для законов механики на законы электродинамики.

Второй принцип основан на уже достаточно хорошо установленном экспериментальном факте постоянства скорости света независимо от характера относительного движения источника и приемника света.

Специальная теория относительности Эйнштейна привела к необходимости пересмотра всех фундаментальных понятий естествознания – пространства и времени, материи и движения. Оказалось, что: с увеличением относительной скорости уменьшаются линейные размеры тел вдоль направления движения и увеличивается масса по законам:

где L ₀ и М₀ – линейные размеры и масса тела в состоянии покоя.

Независимость скорости света ни от направления распространения, ни от скорости источника ставит точку в спорах относительно существования «мирового эфира», возмущениями которого являются электромагнитные волны. Таким образом, инвариантность скорости света является существенным подтверждением принципа относительности.

Установлена новая фундаментальная связь между энергией массой материальных тел, выражающаяся соотношением Е = тс² .

Из СТО, как видно, следует, что время, линейные размеры и масса тел являются относительными. Их величина зависит от того, в какой инерциальной системе координат мы их рассматриваем.

Оказывается, время в разных системах отсчета течет по-разному, а это значит, промежуток времени между какими-либо двумя событиями будет зависеть от выбора системы координат, и, следовательно, события, одновременные в одной инерциальной системе координат, будут не одновременными в других системах отсчета.

Как и в механике Ньютона, в СТО считается, что пространстве однородно и изотропно, а время однородно. Но если в механике Ньютона пространство и время не были связаны между собой, то в СТО они оказываются взаимосвязанными, образуя единое четырехмерное пространство-время.

Одно из следствий СТО – новый (по сравнению с классической механикой) закон сложения скоростей. Основанная на инвариантности скорости света специальная теория относительности приводит к интересным результатам, которые подтверждаются практикой. Прежде всего, это «парадокс близнецов», а также тот факт, что скорость сигнала, несущего информацию, не может превышать скорость света.

Из закона сложения скоростей следует, что если скорость света в какой-либо системе координат равна с, то она будет такой же и ппюсительно любой другой инерциальной системы координат. Действительно, если У_х =с и F₀ =c, то V_x >с, т.е. при сложении скоростей никогда не может получиться скорость больше скорости света. Таким образом, скорость света является максимально возможной скоростью в природе.

Из приведенных соотношений относительно длины, времени, массы видно, что эффекты СТО могут быть заметны только при скоростях, близких к скорости света, если же V , т.е. V /с «1, то так называемые релятивистские эффекты становятся малы, ими можно пренебречь и тогда релятивистская механика Эйнштейна переходит в классическую механику Ньютона.

В заключение следует подчеркнуть, что все выводы СТО в настоящее время нашли полное экспериментальное подтверждение.

2.5.3. Общая теория относительности

В СТО законы формулируются для инерциальных систем, движущихся с постоянной скоростью. В ОТО рассматриваются любые системы отсчета, в том числе и движущиеся с ускорением. Таким образом, ОТО обобщила СТО также на ускоренные системы. Главное приложение ОТО нашла в изучении движения ускоренных тел в гравитационных полях. Иногда ОТО называют теорией тяготения, или гравитации, поэтому она нашла наибольшее применение в вопросах космогонии.

Из ОТО был получен ряд важных выводов:

1) свойства пространства-времени зависят от движущейся материи, в частности от массы тел. вблизи, тел, обладающих значительной массой, пространство-время искривляется, так что в гравитационном поле распределенных масс пространство становится неевклидовым, а ход времени вблизи тел замедляется;

2) луч света должен искривляться в поле тяготения;

3) частота света в результате действия поля тяготения дол: изменяться. В результате этого эффекта линии солнечного света, под действием гравитационного поля Солнца должны смещаться в сторону красного спектра по сравнению со спектрами соответсвующих земных источников.

Все это было настолько принципиально ново, что для утверждения ОТО нужна была ее тщательная экспериментальная проверка.

Вскоре нашло подтверждение отклонение луча света в гравитационном поле Солнца, которое было обнаружено во время солнечного затмения 29 мая 1919 г. в полном согласии с предсказанием ОТО.

Красное смещение в спектрах небесных тел также было обнаружено в 1923—1926 гг. при изучении Солнца, а в 1925 г. — при наблюдении спектра спутника Сириуса.

Экспериментальное подтверждение выводов ОТО явилось ее триумфом. ОТО произвела переворот в космологии. На ее основе появились различные модели Вселенной.

2.6. Принципы симметрии и законы сохранения

2.6.1. Симметрия: понятие, формы и свойства

Понятие симметрии. Как известно, в физике имеется целый ряд законов сохранения, например закон сохранения массы вещества, энергии, количества движения, момента количества движения, электрического заряда.

Законы сохранения в науке играют особую роль. Они отражают стабильность природы. Закон сохранения энергии обусловливает постоянство энергии, закон сохранения импульса определяет незыблемость движения, неуничтожимость поступательного движения, закон сохранения момента импульса – незыблемость вращательного движения, закон сохранения электрического заряда – кулоновское взаимодействие, которое, наряду с гравитационным, слабым и сильным взаимодействиями, определяет структуру мира. Поэтому принципиально важно знать причину появления в физике этих законов.

В математике известен целый ряд так называемых инвариантных преобразований (например, в механике – преобразования Галилея, в электродинамике – преобразования Лоренца). В результате инвариантных преобразований Галилея сохраняются законы механики Ньютона, а в результате преобразований Лоренца в электродинамике сохраняется вид уравнений Максвелла в различных инерциальных системах координат

Во всех перечисленных случаях – различного рода физических процессах и математических преобразованиях – некоторые ветчины или параметры остаются неизменными. Оказывается, что тем законам в физике или преобразованиям в математике соответствует некоторая симметрия.

С другой стороны, установление некоторой симметрии в физике и математике ведет к установлению новых законов сохранения или инвариантных преобразований. Поэтому выявление и установление симметрии – одна из наиболее эффективных методологических основ открытия новых законов сохранения в природе. Особенно успешно подобный путь познания законов сохранения используется в области изучения физики микромира, физики элементарных частиц, где исследования прямыми методами затруднены в силу малых размеров физических объектов.

В связи с исключительной важностью принципов симметрии рассмотрим подробнее, что понимается под симметрией и почему она играет столь важную роль в современной науке. Что же такое симметрия?

Симметрия (от греч. – соразмерность) в широком смысле – инвариантность (неизменность) структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований.

Согласно современным представлениям, симметрию можно определить примерно так: симметричным называется такой предмет, который можно как-то изменять, получая в результате то же, с чего начали (Р. Фейнман).

Таким образом, симметрия предполагает неизменность объекта (каких-либо свойств объекта) по отношению к каким-либо преобразованиям или операциям, выполняемым над объектом.

Понятие симметрии имеет определенную «структуру», состоящую из трех факторов:

1) наличие объекта или явления, симметрия которого рассматривается;

2) процедура изменения (преобразования), по отношению к которому рассматривается симметрия;

3) установление инвариантности (неизменности, сохранения) каких-либо свойств объекта, выражающей рассматриваемую симметрию.

Подчеркнем, что инвариантность существует не сама по себе, не вообще, а лишь по отношению к определенным преобразованиям. С другой стороны, изменение (преобразование) представляет интерес постольку, поскольку что-то при этом сохраняется. Иными словами, без изменений не имеет смысла рассматривать сохранение, равно как без сохранения исчезает интерес к изменениям.

Формы симметрии . Симметрия выражает сохранение чего-либо каких-либо изменениях, другими словами, сохранение чего-либо, несмотря на изменения. Таким образом, понятие симметрии основывается на на диалектике сохранения и изменения. В физике общепринято выделять две формы симметрии: геометрическую и динамическую.

Симметрии, выражающие свойства пространства и времени, относят к геометрической форме симметрии.

Примерами геометрических симметрии являются: однородное пространства и времени, изотропность пространства , пространственная четность, эквивалентность инерциальных систем отсчета.

Симметрии, непосредственно не связанные со свойствами простран ства и времени, выражающие свойства определенных физических взаимодействий, относят к динамической форме симметрии.

Примерами динамических симметрии являются симметрии электрического заряда. Вообще говоря, к динамическим симметриям относят симметрии внутренних свойств объектов и процессов. Так что геометрические и динамические симметрии можно рассматривать как внешние и внутренние симметрии.

К основным формам геометрической симметрии, прежде всего, относятся:

1) зеркальная симметрия (симметрия отражения);

2) поворотная симметрия (центральная симметрия);

3) трансляционная симметрия (симметрия повторения).

Зеркальной называют симметрию, имеющую плоскость, линию, или временной раздел двух совершенно одинаковых относительно, друг друга частей одного целого (например, цветной узор крыльев бабочки).

Поворотная симметрия предполагает наличие некоторого центра, относительно которого происходит многократный поворот одного итого же структурного фрагмента. В зависимости от повторяющегося кругового сектора а (в угловых градусах) определяется порядок поворотной симметрии п. Например, для снежинки с α = 60° порядок поворотной симметрии п = 6.

Трансляционной симметрией называется многократное повторение одного и того же фрагмента структуры в пространстве или во времени. Примером трансляционной симметрии может служить любой орнамент.

Примером симметрии в неживой природе являются кристаллические структуры твердых тел. В 1890 г. русский ученый Фёдоров описал все возможные сочетания элементов в пространстве, причем доказал, что таких пространственных групп симметрии – 230. Используя математический аппарат, Фёдоров как бы пересчитал все возможные пространственные решетки задолго до того, как с помощью рентгеноструктурного анализа была подтверждена истинность этих расчетов.

Свойства симметрии . Особое внимание к вопросам симметрии было привлечено после того, как немецкий математик Э. Нётер сформулировала в 1918 г. фундаментальную теорему теоретической физики, установившую связь между симметрией свободного пространства, симметрией времени и законами сохранения в механике.

Пространство можно считать свободным, если вблизи нет тел большой массы. Таковым является пространство на значительном расстоянии от Земли и других планет и звезд.

Важным свойством свободного пространства являются однород ность и изотропность . Под однородностью пространства понимают тот факт, что в этом пространстве нет особых точек, обладающих особыми свойствами. Из однородности пространства вытекает закон сохранения импульса, из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.

Под однородностью времени понимается тот факт, что любые явления, происходящие в разное время, но при одних и тех же условиях, протекают совершенно одинаково. Из этого утверждения вытекает закон сохранения энергии.

Важным подтверждением универсальной значимости законов сохранения является то, что они вытекают из самых общих представлений о симметрии, с одной стороны, а также законов движения и взаимодействий – с другой.

В частности, Э. Нётер при доказательстве своей знаменитой теоремы провела исследование широко используемого в аналитической механике интеграла действия:

где L ( q , q , t ) – функция Лагранжа, с помощью которой описывается неко­торая система; q , q , t – соответственно обобщенные координаты (скорости) и время. В соответствии с вариационным принципом действие S имеет экстремум вблизи истинной траектории, вариация действия вдоль истинной траектории остается неизменной, т.е. δS = 0. Вариации действия δS зависят от вариации времени δ t и вариации координат δq . Дифференцируя подинтегральное выражение по t и q и приравнивая его к нулю, поскольку δS = 0, имеем сумму двух дифференциалов

Если рассматривать только изменение по времени, то получим, что энергия системы (выраженная через функцию Лагранжа и ее производные) есть величина постоянная. Тем самым симметрии преобразования времени следует закон сохранения механической (кинетической плюс потенциальной) энергии.

Если преобразование не затрагивает времени (δ t = 0), а учитывается только однородный пространственный сдвиг (δq = 0), то получим в качестве сохраняющейся величины вектор импульса материальной системы (который следует из преобразованной функции Лагранжа). Аналогично выводится закон сохранения момента импульса. Кроме того, во всех процессах, происходящих в мире элементарных частиц, выполняется также закон сохранения электрического заряда. Принцип симметрии, лежащий в основе этого закона сохранения, оказывается более тонким, нежели рассмотренные выше симметрии физических законов относительно пространственно-временных преобразований, выражающихся в виде законов сохранения энер гии, импульса, момента импульса.

Закон сохранения электрического заряда является следствием так называемой калибровочной инвариантности . Калибровочная инвариантность – один из важнейших принципов теории поля. Можно показать, что если записать интеграл действия S для системы «заряд– поле» и провести калибровочное преобразование, то действие остается неизменным, а вариация действия будет равна нулю, если заряд является постоянной величиной.

Инвариантность действия при преобразовании калибровки будет иметь место при условии сохранения заряда, т.е. симметрия калибровочного преобразования полей напрямую связана с законом сохранения заряда. Эта общая закономерность справедлива для полей любого характера.

Исследование реакций с участием элементарных частиц и античастиц и процессов их распада привело к открытию некоторых новых свойств симметрии, в том числе симметрии относительно зарядового сопряжения. Если в уравнении какой-либо реакции каждую частицу заменить на античастицу, то получится уравнение, описывающее новую реакцию. Эта операция называется зарядовым сопряжением.

Еще большее значение симметрия играет в квантовой механике. Если здесь установлен принцип какой-либо симметрии, то окажется, что он всегда позволяет вывести соответствующий закон сохранения.

Возникает вопрос, почему симметрия играет такую исключительную роль в установлении законов сохранения, какое значение она имеет в отражении свойств самой природы. Для этого необходимо обратиться к истории изучения вопроса о симметрии в природе.

2.6.2. Принципы симметрии и законы сохранения

Что такое симметрия? Слово это греческое и переводится как «соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей». Часто проводятся параллели: симметрия и уравновешенность, симметрия и гармония, симметрия и совершенство. Согласно современным представлениям, симметрию можно определить примерно так: «Симметричным называется такой предмет, который можно как-то изменять, получая в результате то же, с чего начали» Таким образом, симметрия предполагает неизменность объекта (каких-то свойств объекта) по отношению к каким-нибудь преобразованиям, каким-нибудь операциям, выполняемым над объектом.

Молекулы, из которых построены живые организмы, зеркально асимметричны, т.е. киральны. – от греческого «кир», что означает «рука». Специфика живой материи – киральная чистота молекул.

Возникновение жизни обусловлено нарушением существовавшей до того зеркальной симметрии, образованием кирально чистых молекул, в виде Большого своеобразного биологического взрыва. Это была бифуркация, акт самоорганизации материи.

Понятие симметрии имеет определенную «структуру» состоящую из трех факторов: объект или явление, симметрия которых рассматривается; изменение (преобразование), по отношению к которому рассматривается симметрия; инвариантность (неизменность, сохранение) каких-то свойств объекта, выражающая рассматриваемую симметрию. Инвариантность существует не сама по себе, не вообще, а лишь по отношению к определенным преобразованиям. С другой стороны, изменения (преобразования) представляют интерес постольку, поскольку что-то при этом сохраняется. Иными словами, без изменений не имеет смысла рассматривать сохранение, равно как без сохранения исчезает интерес к изменениям. Симметрия выражает сохранение чего-то при каких-то изменениях или, иначе, сохранение чего-то, несмотря на изменения.

Необходимо отметить взаимное влияние друг на друга одновременно происходящих необратимых процессов. Существует принцип симметрии Кюри, который гласит: «Если условия, однозначно определяющие какой-либо эффект, обладают некоторой симметрией, то результат их действия не нарушит эту симметрию». Поэтому формально все неравновесные процессы разделяют на скалярные (химические реакции), векторные (теплопроводность, диффузия) и тензорные (вязкое трение). В соответствии с принципом симметрии величины разных размерностей не могут быть связаны друг с другом. Так скалярная величина (химическое сродство) не может вызвать векторный поток (теплопроводность).

«Закон есть идентичное в явлениях». Предположим, что берем провод с некоторым определенным сопротивлением, прикладываем электрическое напряжение и наблюдаем явление – по проводнику течет ток. Можно многократно наблюдать данное явление – с разными проводами, сопротивлениями, гальваническими элементами. И всякий раз будет иметь место нечто идентичное, нечто инвариантное – это нечто выражается законом Ома: I = V/R. Таким образом, в самом понятии закона заложена симметрия. Каковы свойства симметрии физических законов?

1) Симметрия по отношению к переносам во времени означает, что законы природы со временем не меняются. Симметрия физических законов относительно переносов во времени означает однородность времени, то есть все моменты времени физически равнозначны, любой из них может быть выбран в качестве начала отсчета.

2) Симметрия по отношению к переносам в пространстве означает, что законы природы не зависят от выбора места - они одинаковы в Москве и Вашингтоне. Имея в виду симметрию физических законов, говорят об однородности пространства, т.е. физической равнозначности всех точек пространства.

3) Симметрия по отношению к поворотам в пространстве означает, что в пространстве нет физически выделенных направлений – пространство изотропно.

4) Симметрия по отношению к переходу из одной инерциальной системы отсчета в другую есть не что иное, как сформулированный А.Эйнштейном принцип относительности.

5) Симметрия относительно зеркального отражения означает, что физические законы не меняются при замене левого на правое, а правого на левое.

Немецкий математик Эмми Нетер доказала теорему, сущность которой заключается в утверждении, что различным симметриям физических законов соответствуют определенные законы сохранения. Связь между законами сохранения и симметрией законов природы можно сформулировать следующим образом.

Закон сохранения энергии есть следствие однородности времени или, иначе говоря, следствие симметрии законов природы по отношению к переносам во времени. Энергия – физическая величина, сохранение которой обусловлено указанной симметрией.

Закон сохранения импульса есть следствие однородности пространства (следствие симметрии законов природы по отношению к переносам в пространстве). Импульс – физическая величина, сохранение которой связано с однородностью пространства.

Закон сохранения момента импульса есть следствие изотропности пространства (следствие симметрии законов природы по отношению к поворотам) Момент импульса – величина, сохранение которой связано с изотропностью пространства.

Трехмерность пространства предопределяет векторную природу импульса и момента импульса; законы сохранения этих величин – векторные законы. Одномерность времени предопределяет скалярную природу энергии и соответствующего закона сохранения.

Законы природы неинвариантны относительно, например, преобразования подобия, т.е. преобразования, связанного с изменением пространственного масштаба. Геометрический принцип подобия не применим к физическим законам. И.Пригожин описал процесс самоорганизации в неравновесных системах через нарушение симметрии в точках бифуркации.

2.6.3. Диалектика симметрии и асимметрии

С давних времен симметрия форм, наблюдаемых в природе, производила на человека сильное впечатление. Он видел в симметрии порядок, гармонию, совершенство, вносимые всемогущим творцом в изначальный хаос.

Убеждение в том, что симметрия есть не что иное, как проявление мудрости творца, просуществовало фактически вплоть до нашего столетия. Очарование симметрией, мистическое преклонение перед ней сменилось пониманием действительного содержания симметрии.

Современный взгляд на симметрию: идея сохранения, выявление общего в объектах или явлениях, ограничение числа возможных вариантов. Симметрия связана с сохранением. Она выделяет в нашем изменчивом, динамичном мире инварианты, своеобразные «опорные точки». Тем самым в мир вносится порядок.

Симметрия выделяет общее, как в объектах, так и в явлениях. Мир многообразен, но в то же время он един; в его разнообразных проявлениях присутствуют черты общности. Параллель симметрия-общее, связана с параллелью симметрия-сохранение – обе выходят на законы сохранения. Симметрия предопределяет необходимость: она действует в направлении сокращения числа возможных вариантов. Симметрия накладывает ограничения на разнообразие структур молекул и кристаллов. Возможны лишь те процессы, которые согласуются с законами сохранения. Например, закон сохранения энергии делает невозможным вечный двигатель, а закон сохранения импульса «не позволяет самого себя поднять за волосы».

Итак, с идеей симметрии органически связаны идеи сохранения, общности, тождества и необходимости. Реальный мир – это мир, основанный на симметрии и асимметрии.

Связь между симметрией и вероятностью можно усмотреть, из формулы в теории вероятности Шеннона. Симметричному состоянию соответствует меньшая информация. Можно утверждать, что с повышением симметрии состояния возрастает его энтропия. Большей симметрии соответствует большая вероятность.

Симметрия действует в направлении ограничения числа возможных вариантов поведения систем. Необходимость действует в том же самом направлении. Асимметрия действует в направлении увеличения числа вариантов; в том же направлении действует случайность, но случайности создают новые возможности, порождают новые альтернативы.

Сокращая число возможных вариантов, симметрия и необходимость вносят в мир порядок (это мы оцениваем положительно). В то же время симметрия и необходимость, сокращая число альтернатив, могут привести к безвыходной ситуации, завести в тупик, создать обреченность, потерять интерес к жизни (мы это оцениваем отрицательно). В подобных «тупиковых» ситуациях жизненно важна спасительная случайность, способная разрушить симметрию, создать неожиданный выход из тупика.

Создавая новые возможности, новые альтернативы, асимметрия и случайность обеспечивает развитие, способствуют творческому поиску, появлению новой информации (мы оцениваем это положительно). В то же время асимметрия и случайность вносят дезорганизацию, увеличивают степень беспорядка в мире (оцениваем отрицательно). Обилие альтернатив, разнообразных вариантов может стать чрезмерным – тогда на помощь приходит упорядочивание в лице симметрии и необходимости.

Так и живем, находясь под воздействием, с одной стороны, симметрии и необходимости, с другой – асимметрии и случайности, «жизнь прожить – не поле перейти» и не каждому одинаково удается лавировать между этих «двух огней».

Красота как путеводная нить к истине, «красота спасет мир?»

Красота – понятие туманное, однако нет сомнений в том, что именно она служит источником вдохновения ученых. В некоторых случаях, когда дальнейший путь не ясен, именно математическая красота и изящество ведут ученых к истине. Между наукой и искусством существует множество параллелей, которые сразу же бросаются в глаза. Подобно художникам, каждый ученый имеет свой неповторимый стиль. Представления ученых о том, какой должна быть хорошая научная теория, удивительно схожи с аналогичными воззрениями представителей искусства. Корректной считается та теория, которая предположительно допускает экспериментальную проверку.

Можно ли из этого сделать вывод, что по отношению к асимметричным условиям вообще не может быть законов и что законы действуют только при наличии симметричных условий? Нет, нельзя.

Следует признать истинным и другой вывод: асимметричности условий не исключает существования закономерностей. Не исключаем асимметричность условий и инвариантности законов. Обоснованность этого положения в том, что симметрия – не единственны источник инвариантности, что инвариантность законов обеспечива­ется теми связями, которые входят в их содержание.

Таким образом, изучение связи между симметрией, асимметрией и законом дает возможность более глубоко представить и содержание этих категорий, и их роль в нашем познании.

История формирования понятия «симметрия» в науке начиналась с понимания ее как «од­нородность, соразмерность, пропорциональность, гармония». Философское значение принципов симметрии воспринималось как наиболее общая форма выражения принципа детерминизма. Принцип причинности имеет симметрический аспект: симметрия причин сохраняется в симметрии следствий.

Использование понятия «симметрия» рационально в двух значениях: во-первых, равновесие, во-вторых, нечто пропорциональное.

Симметрия объектов и симметрия у законов природы наблюдалась людьми в ревности, в частности при оражении объектов от глади вод. Ощущение симметрии отражения связывалось со сменой правого на левое и наоборот. То есть свойства зеркальной симметрии были изучены еще в древности. Симметрия кристаллизации льда, снега уже не относятся к зеркальной симметрии, также была известна в древности.

Симметрия объектов: объект является симметричным, если над ним можно произвести некоторые операции, в результате которых объект будет выглядеть точно так же, как и прежде сформулировал (Г. Вейль). В результате сформировалась классическая симметрия с основными понятиями симметрии и геометрии природных форм: ось симметрии, плоскость симмет­рии, центр симметрии. Операции симметрии: двустороннее от­ражение, повороты фигур вокруг определенных осей, трансля­ция и т.д. Все элементы симметрии конечных фигур встречают­ся и на бесконечных.

Позднее сформировалась криволинейная симметрия (гомология), симметрия подо­бия, многоцветная симметрия. Введено понятие об асимметрии.

Повторяемость видов симметрии в неживой и живой мате­рии. Основные виды классической симметрии в природе: зер­кальная (билатеральная), радиально-лучевая, шаровая. Основ­ной закон, объясняющий проявление симметричности природ­ных тел, закон Пьера Кюри: симметрия тела формируется под воздействием симметрии среды (на Земле это, прежде всего, сим­метрия сил земного тяготения). Наиболее вероятная эволюция форм симметрии: симметрия шара, двусторонняя симметрия, радиально-лучевая.

Симметрия в неживой и живой природе. Идеи Л. Пастера и В.И. Вернадского об отличии симметрии живых организмов от косной материи: преобладание в живой материи либо левых (в аминокислотах), либо правых изомеров (ДНК-РНК) - дисимметрия в живой природе, запрет на наличие пятой оси симмет­рии в неживой материи.

Симметрия в физике – свойство физических законов, де­тально описывающих поведение систем, оставаться инвариант­ными (неизмененными) при определенных преобразованиях, которым могут подвергнуться входящие в них величины.

Явные симметрии , непосредственно наблюдаемые, напри­мер симметрии пространства и времени или выводимые из за­конов сохранения.

Скрытые симметрии: скрытость симметрии исходной си­туации, возникающая после неустойчивого симметричного со­стояния.

Принципы и законы симметрии . Пространственно-временные, геометрические или внешние и связанные с ними за­коны сохранения.

1. Сдвиг времени, т.е. изменение начала отсчета, времени не меняет физических законов. Время однородно. Из инвариантности физических законов относительно этого преобразования вытекает закон сохранения энергии.

2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат не меняет физи­ческих законов. Однородность пространства. Из этой симмет­рии вытекает закон сохранения импульса.

3. Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические за­коны неизменными. Изотропность пространства. Закон сохра­нения момента импульса.

4. Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. Принцип относительности. Закон сохранения скорости движения центра масс изолирован­ной системы.

5. Фундаментальные физические законы не изме­няются при обращении знака времени. Все соответствующие процессы в природе обратимы во времени. Необратимость, на­блюдаемая в макромире, имеет статическое происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной.

6. Зеркальная симметрия природы: отражение пространства в зеркале не ме­няет физических законов.

7. Замена всех частиц на античастицы (операция зарядового сопряжения) не изменяет характера про­цессов природы.

Иерархия принципов симметрии в физике . Зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняются только при сильных и электромагнитных взаимодействиях. При слабых взаимодействиях эти симметрии нарушаются.

Внутренние симметрии, описывающие специфические свойства элементарных частиц.

1. При всех превращениях эле­ментарных частиц сумма электрических зарядов частиц остает­ся неизменной. Закон сохранения электрического заряда.

2. За­кон сохранения бариационного заряда.

3. Закон сохранения лептонного заряда. В современных теориях принимается, что только электрический заряд сохраняется. Барионный и лептонный заряды, возможно, не сохраняются строго, хотя экспери­ментально это не обнаружено.

4. Изотопическая инвариант­ность: зарядовая независимость сильных взаимодействий. Гейзенберг: протон и нейтрон – два различных состояния нуклона.

5. Симметрия (закон), связанная с сохранением нового кванто­вого числа, – странности. При сильных и электромагнитных взаимодействиях сумма странностей всех частиц остается неиз­менной.

Теория взаимодействий элементарных частиц развивается благодаря принципам симметрии. Роль принципа симметрии в познании весьма велика, например, из соображений симметрии Дираком были постулированы античастицы, Д.И. Менделеевым сформулирован периодический закон и т.д. Общенаучность принципов симметрии многократно подтверждается в таких научных методах как аналогия, анализ, синтез, моделирование, принцип подобия.

2.7. Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие

2.7.1. Концепции близкодействия и дальнодействия

Дальнодействие . После открытия закона всемирного тяготения И. Ньютоном, а затем закона Кулона, описывающего взаимодействие элек­трических заряженных тел, возник вопрос, почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на больших расстояниях через пустое пространство и почему заряженные тела взаимодействуют между собой даже через электрически нейтральную среду?

До введения понятия «поле» на этот вопрос не было удовлетворительного ответа. Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может непосредственно осуществляться через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействий, а передача взаимодействия от тела к телу передается мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия, которую обосновал Р. Декарт. Большинство ученых придерживалось этой концепции вплоть до конца XIX в.

Принцип дальнодействия утвердился в физике еще и потому, что гравитационное взаимодействие макроскопических тел в соответствии с законом всемирного тяготения И. Ньютона малозаметно, – притяжение слишком слабо, чтобы его ощутить. Поэтому экспериментально это было трудно подтвердить или опровергнуть. Только известные опыты Г. Кавендиша были первыми лабораторными наблюдениями гравитационного притяжения.

Близкодействие . Напротив, законы взаимодействия электрически заряженных тел допускали возможность их относительно простой проверки. Вскоре было установлено, что взаимодействие электрических зарядов происходит не мгновенно. Каждая электрически заряженная частица создает электрическое поле, действующее на другие частицы не в тот же момент, а спустя некоторое время.

Иными словами, взаимодействие передается через посредника – электромагнитное поле, а скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света. Это составляет суть концепции близк одействия.

2.7.2. Фундаментальные типы взаимодействий

Согласно концепции близкодействия все взаимодействия между юлами (помимо прямого контакта между ними) осуществляются с помощью тех или иных полей (например, взаимодействие в теории тяготения – с помощью гравитационного поля, электромагнитные взаимодействия – с помощью электромагнитных полей). Вплоть до ХХ в. были известны лишь два типа взаимодействий: гравитацион ное и электромагнитное.

В настоящее время, помимо гравитационного и электромагнитного взаимодействий, известны еще два – так называемые слабые и сильные взаимодействия. Указанные типы взаимодействий в современной физике являются фундаментальными.

Слабое взаимодействие отвечает за внутриядерное взаимодействие, приводящее, например, к распаду нейтрона с испусканием электронов (β -излучение), сильное взаимодействие – за внутринуклонные взаимодействия, оно удерживает кварки внутри нуклонов.

Пространственно действие четырех взаимодействий различно. Так, гравитационные и электромагнитные взаимодействия описываются законами «обратных квадратов расстояний» и проявляются во всем пространстве формально до бесконечности. Сильные взаимодействия проявляются только в пределах размера ядра ~10^–13 см, а слабые взаимодействия — на расстояниях в несколько порядков раз меньших размеров ядер.

Относительная сила взаимодействий различна. Если сильное взаимодействие условно принять за единицу, то электромагнитное взаимодействие будет в 10² раз меньше, слабое – в 10¹⁰ , а гравитационное – в 10³⁸ раз меньше сильного взаимодействия.

И хотя сила взаимодействий существенно различна, ни одним из них пренебрегать нельзя. Каждое взаимодействие может оказывать решающее влияние на процессы в том или ином конкретном случае. Даже такое взаимодействие, как гравитационное, несмотря на свою кажущуюся малость (в 10³⁸ раз меньше сильного взаимодействия) играет, например, доминирующую роль в процессах космического порядка, где присутствуют объекты с огромной массой и большие пространственные масштабы явлений.

Во второй половине XX в. велись интенсивные работы по возможному объединению электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий.

Пока что С. Вайнбергу , Ш. Глэшоу и А. Саламу удалось создать единую теорию электрослабого взаимодействия. В соответствии с этой теорией за электрослабые взаимодействия отвечают частицы – кванты электрослабого поля — бозоны W ~ и Z⁰ . Вскоре такие частицы были обнаружены экспериментально К. Руббиа и С. ван дер Меером .

Как отмечалось выше, сильное фундаментальное взаимодействие отвечает за связь частиц в ядре, и поэтому часто называется ядерным. Вначале это взаимодействие изучалось в рамках квантовой мезонодинамики. Японский ученый Х Юкава выдвинул идею, что взаимодействие между нуклонами (протонами и нейтронами) в атомных ядрах обусловлено специальными частицами – квантами ядерного поля, названными мезонами. В дальнейшем такие частицы были открыты и получили название π – мезонов.

Следующим этапом развития теории сильных взаимодействий было создание квантовой хромодинамики. Необходимость в создании новой теории объясняется следующим: в дальнейшем было выяснено, что отдельные единицы ядра – нейтроны и протоны – сами состоят из более мелких единиц – кварков, поэтому исследования переместились в область изучения взаимодействий между кварками в нуклонах. По современным представлениям, в соответствии с квантовой хромодинамикой, сильное вздимодействие связано с существованием квантов внутринуклонного поля глюонами. Таким образом, теория сильных взаимодействий – квантовая хромодинамика – описывает взаимодействие кварков и глюонов.

Теорию электрослабых и сильных взаимодействий называют Стан дартной моделью макромира.

После того, как была создана единая теория электрослабых взаимодействий, появилась реальная перспектива построения ядерной теории всех трех форм взаимодействий элементарных частиц (программа «Великого объединения»).

А в самое последнее время появились новые идеи, которые открывают, может быть, далекие, но все же реальные перспективы объединения всех известных четырех взаимодействий, включая и гравитационное. Решение этой задачи ознаменовало бы грандиозную научную революцию, которую трудно измерить масштабами всех предшествующих научных революций.

Иными словами, на сегодняшний день мы имеем очень продуктивную исследовательскую программу, дающую направление ее развития, которое ориентированно ведет к единству всех фундаментальных теорий.

Если такая программа будет реализована, то это будет означать что природа, в конечном счете, подчинена действию некой суперсилы проявляющейся в некоторых частных взаимодействиях. Эта суперсила достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную, наделить ее энергией в соответствующих формах и материей с определенной структурой.

Но суперсила – нечто большее, чем просто сила. В ней материя, пространство-время и взаимодействие слиты в нераздельное гармоническое целое, порождающее такое единство Вселенной, о котором раньше никто и не предполагал. Современная наука в поиске такого единства.

С концепциями взаимодействия в физике тесно связана концепция физического вакуума. По современным представлениям, вакуум – это не «абсолютная пустота», а реальная физическая система, например электромагнитное поле в одном из своих состояний. Более того, согласно квантовой теории поля, из состояния вакуума можно получить все другие состояния поля. Вакуум можно определить как поле с минимальной энергией. В вакууме постоянно протекают сложнейшие физические превращения, например особого рода вакуумные колебания электромагнитного поля, не вырывающиеся из него и не распространяющиеся, однако отчетливо проявляющиеся в физическом эксперименте.

2.8. Состояние, принципы суперпозиции, неопределенности,

дополнительности

Мы часто говорим о том или ином состоянии материи. Например, мы выделяем несколько агрегатных состояний вещества: твердое, жидкое, газообразное, плазма. Говорим о состояниях электромагнитного поля, имея в виду, какие процессы происходят в нем, об энергетических состояниях атома и т.д.

Говоря о газах, мы характеризуем их изотермическим, адиабатическим, изобарическим, изохорическим сотоянием. Говоря о жидкостях, мы характеризуем их состояние ламинарным или турбулентным движением, а состояние твердого тела – наличием или отсутствием кристаллической решетки. Говоря о состоянии плазмы, мы часто имеем в виду наличие тех или иных плазменных частот и.т.д. Состояние определяется параметрами состояния, сохраняющих свои значения при неизменных внешних условиях. Эту величину ввел в науку И. Ньютон. Различают устойчивое (стационарное) и неустойчивое состояние. Переход системы из одного состояния в другое означает процесс. Так, например, в классической термодинамике тепловых процессов предполагается, что параметры состояния, такие как, например, температура должна оставаться постоянной, только при таких условиях рассматриваются тепловые изопроцессы, поясняющие даже работу тепловой машины. Однако непонятно, и ни в каком учебнике по физике не поясняется, как может передаваться тепло от тел одинаковой температуры и может ли вообще работать тепловая машина, если нет флуктуации температуры?

Температура в термодинамическом смысле понимается (определяется) как мера средней статистической скорости молекул вещества. Чтобы обойти эту неопределенность (не сказав большее, – нелепость) проф. Сухановым обосновывается идея неконтролированного воздействия и трансдисциплинарные (над) дисциплинарные идеи. Остается только недоумевать, а есть ли предмет у современного естествознания, который по стихийному подходу авторов многих учебников по дисциплине «Концепции современного естествознания» видимо мыслится как некоторый многоголовый монстр, содержащий предметы (дисциплины), составляющие по всеобщему заблуждению междисциплинарный синтез этого, хотя и ограниченного множества предметов. Все дело в том, что синтез возможен по принципу наложения (суперпозиции) и справедлив лишь для линейных замкнутых систем. Совокупность наук и дисциплин, составляющих современное естествознание, как общеизвестно является нелинейной, открытой, самоорганизующейся системой, для которой принцип суперпозиции несправедлив. Стало быть, имеет место не интеграция ряда дисциплин, не декларируемый междисциплинарный их синтез, и, к сожалению, реализованный во многих учебниках по КСЕ дифференциальный подход к изучению природы по частям, а хотим мы этого, или не хотим в этом курсе имеет место взаимопроникновение, мультидисциплинарное взаимодействие, «эмерджентный нелинейный синтез» с алгоритмом реальности открытых нелинейных систем различной природы (прим. ред.). Этот алгоритм работает в природе, особенно в живой, имеет отношение к естественному отбору, борьбе за существованию к превосходству сложного, и приоритету простого. В этом природу подгонять нельзя, но и оставаться «сторонним наблюдателем» за этим неуправляемым процессом как-то не в правилах человека, поэтому необходимо постижение Природы в дисциплине «Концепции современного естествознания» в соответствии с синергетической парадигмой фундаментальности без отторжения.

2.8.1. Принцип неопределенности

Используемые в квантовой механике волновые функции для описания микрочастиц дают возможность установить вероятность нахождения микрочастиц в том или ином месте пространства в соответствии с принципом неопределенности.

Такое положение связано с двойственностью частиц микромира. С одной стороны, если считать микроструктуру частицей, то она должна быть локализована в пространстве, а если ее считать волной, то она формально занимает все пространство.

Вероятностный характер волновых функций приводит к парадоксальному выводу: если мы какую-то группу параметров микрочастиц можем знать более или менее точно (с небольшой погрешностью), то существует однозначно связанная с ней другая группа параметров, одновременные сведения о которых принципиально получить нельзя. Такими взаимно противоположными, дополнительными, или канонически сопряженными, переменными в микромире являются координаты и скорость (или импульс), энергия, и время, направление и величина момента количества движения, кинетическая и потенциальная энергии напряженность электрического поля в данной точке и число фотонов и др. В общем случае из теории следует, что дополнительными друг к другу являются физические величины, которым в квантовой механике соответствуют некоммутирурующие между собой операторы.

В 1927 г. один из создателей квантовой механики В. Гейзенберг установил фундаментальное положение квантовой теории – принцип неопределенности.

Принцип неопределенности: любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульса одновременно принимают вполне определенные точные значения.

Количественно соотношение неопределенности формулируется следующим образом. Если ∆х – неопределенность значения координаты х – центра инерции системы, а ∆р – неопределенность импульса р, то произведение этих неопределенностей должно быть по порядку величины не меньше постоянной Планка h , т.е. ∆х∆р > h . Ввиду малости h по сравнению с макроскопическими величинами той же размерности действия соотношение неопределенности существенно только для явлений атомных масштабов и не проявляется в опытах с макроскопическими телами.

Из соотношения неопределенности следует, что чем точнее определена одна из величин, входящих в неравенство, тем менее определенно значение другой. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению таких динамических переменных. При этом неопределенность в измерениях связана не с несовершенством экспериментальной техники, а с объективными свойствами микрообъектов. Таким образом, соотношение неопределенностей является квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам.

2.8.2. Принцип дополнительности

Для описания микрообъектов Н. Бор сформулировал принципиальное положение квантовой механики – принцип допол нительности, который наиболее четко изложил в следующей форме:

Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных.

По современным представлениям, квантовый объект – это одновременно и частица, и волна, которые являются классическими понятиями. Для возможно полного представления о микрообъекте мы должны использовать два разных типа приборов: один – для излучения волновых свойств, другой – для корпускулярных. Эту свойства несовместимы в отношении их одновременного проявления, но оба они в равной мере характеризуют микрообъект, а поэтому не противоречат, а дополняют друг друга. Эта идея и положена Бором в основу важнейшего методологического принципа современной науки – принципа дополнительности.

2.8.3. Принцип суперпозиции

В физике при изучении линейных систем широко используется принцип суперпозиции.

Принцип суперпозиции: общий результат воздействия на систему многих факторов равен сумме результатов воздействия каждого отдельного фактора.

Принцип суперпозиции играет большую роль во многих разделах физики и техники, в том числе и в теории колебаний и волновых процессов.

Например, если среда, в которой распространяется негармоническая волна S , линейна, т.е. ее свойства не меняются под воздействием возмущений, создаваемых этой волной, то все эффекты, вызываемые данной негармонической волной, могут быть определены как сумма эффектов, создаваемых каждой из гармонических составляющих (поскольку каждую негармоническую волну можно представить в виде суммы гармоник), т.е. S = S ₁ , + S ₂ + ... + S_n , +...

Особенно плодотворным оказалось применение принципа суперпозиции при изучении микромира. Здесь он стал одним из фундаментальных принципов (наряду с соотношением неопределенностей), составляющих основу математического аппарата квантовой механики. Как известно, состояния микросистем описываются волновыми функциями. Из принципа суперпозиции, например, следует, что если квантово-механическая система может находиться в некоторых конкретных состояниях, описываемых волновыми функ­циями, то физически допустимым будет состояние, изображаемое другой волновой функцией, т.е. су­перпозицией исходных волновых функций. Принцип суперпозиции в описании микромира отражает волновую природу микрочастиц.

2.9. Динамические и статистические закономерности в природе

Рассмотрим два типа физических явлений: механическое движе­ние тел и тепловые процессы. В первом случае движение тел подчиняется законам Ньютона, законам классической механики. Законы классической механики называются динамическими законами, тем самым подчеркивается, что движение происходит под действием тех или иных сил. Динамические законы имеют строго однозначный характер всех связей и зависимостей.

Зная начальное состояние механической системы, можно однозначно определить ее последующие состояния. Динамические закономерности не допускают какой-либо неопределенности системы. Они действуют во всех автономных, мало зависимых от внешней среды системах с относительно малым количеством входящих в нее элементов (например, характер движения планет Солнечной системы).

Во второй половине XIX в. наряду с динамическими в ряде разделов физики получили широкое развитие статистические методы исследования.

Классическим примером является статистическое рассмотрение тепловых термодинамических процессов. В данном случае рассматриваемая система, в отличие от динамической, включает огромное число отдельных элементов (например, полное число молекул газовой системы). И здесь рассматривается не движение каждой отдельно взятой молекулы, а лишь вероятностные ее характеристики. Затем, используя теорию вероятностей, теорию случайных событий, можно определить усредненные характеристики всей системы и установить статистические закономерности поведения всей системы.

Примером тому может служить установление статистической закономерности между температурой газа и кинетической энергией совокупности молекул системы в молекулярно-кинетической теории газа.

Статистические закономерности действуют во всех неавтономных, сильно зависящих от внешней среды системах, с большим количеством элементов.

При статистических закономерностях данное состояние системы определяет все ее последующие состояния не однозначно, а лишь с определенной вероятностью.

В классической термодинамике в основном рассматриваются изолированные системы, которые не обмениваются с внешней средой энергией. Именно для таких систем установлен закон возрастания энтропии. Этот закон имеет простое статистическое толкование. Действительно, энтропия изолированной, т.е. предоставленной самой себе, системы не может убывать. С другой стороны, очевидно, что предоставленная самой себе система будет переходить из менее вероятного состояние в более вероятное. Таким образом, энтропия и вероятность состояний изолированной системы ведут себя аналогично: они могут либо возрастать, либо оставаться неизменными.

В последние годы широкое развитие получили исследования в области термодинамики неизолированных, так называемых открытых систем, т.е. систем, которые обмениваются энергией и веществом с внешним миром. Открытыми являются биологические системы, в частности клетка живых организмов. Для таких систем энтропия может как возрастать, так и убывать.

В изолированных системах естественные процессы идут в направлении от упорядоченных структур к неупорядоченным, т.е. от порядка к беспорядку, хаосу . И в этом смысле можно говорить о том, что энтропия есть мера хаоса.

Для неизолированных, открытых, систем эволюция, например, живых организмов ведет от менее совершенных форм к более совершенным, от меньшего порядка в природе к большему, и в этих системах энтропия может не увеличиваться, а уменьшаться.

2.10. Законы сохранения энергии в макроскопических процессах

2.10.1. Формы энергии

Энергия (от греч.– действие, деятельность) – общая ко­личественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, Понятие «энергия» связывает воедино все явления природы.

В соответствии с различными формами движения материи рас­сматривают и разные формы энергии: тепловую, механическую, внут­реннюю, химическую, электромагнитную, ядерную и др. Это деление в известной степени условно.

Механическая энергия подразделяется в свою очередь на кинетическую и потенциальную.

Внутренняя энергия равна сумме кинетических энергий хаотического движения молекул относительно центра масс и потенциальных энергий взаимодействия молекул друг с другом.

Химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии взаимодействия электронов друг с другом и с атомными ядрами молекул химически веществ. Энергия химических связей для двухатомных молекул – это энергия, требуемая для удаления атомов на бесконечно большое расстояние друг от друга. Для многоатомных молекул, радикалов ионов рассматривается также энергия диссоциации. Суммарная энергия удаления всех атомов многоатомных молекул друг от друга на бесконечное расстояние называется энергией образования молекулы и приблизительно равна сумме энергий химических связей.

В атомной физике используется понятие энергии ионизации. Она равна работе, затрачиваемой на удаление одного внешнего электрона из атома, или ионизационному потенциалу.

В микрофизике широко используется понятие энергии связи. Энер гия связи системы каких-либо частиц (например, атома как системы, состоящей из ядра и электронов) равна работе, которую необходимо затратить, чтобы разделить данную систему на составляющие ее частицы и удалить их друг от друга на такое расстояние, при котором их взаимодействием можно пренебречь. Энергия связи определяется взаимодействием частиц и является отрицательной величиной, так как при образовании связанной системы энергия выделяется. Абсолютная величина энергии связи характеризует прочность связи и устойчивость системы.

Энергия связи электронов в атоме или молекуле определяется электромагнитными взаимодействиями и для каждого электрона пропорциональна ионизационному потенциалу.

Энергия связи в атомных ядрах определяется сильным взаимодействием нуклонов и, согласно соотношению Эйнштейна ΔЕ = Δтс² , пропорциональна дефекту масс атомных ядер Δm .

Энергия связи, обусловленная гравитационным взаимодействием, обычно мала и имеет значение лишь для космических объектов.

2.10.2. Закон сохранения энергии для механических процессов

Одним из наиболее фундаментальных законов природы является закон сохранения энергии, согласно которому важнейшая физическая величина – энергия – сохраняется в изолированной системе.

Закон сохранения энергии : в изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но ее количество оста­ ется постоянным.

Если система не изолирована, то ее энергия может изменяться либо при одновременном изменении энергии окружающих тел на такую же величину, либо за счет изменения энергии взаимодействия тела с окружающими телами. При переходе системы из одного состояния в другое изменение энергии не зависит от того, каким способом (в результате каких взаимодействий) происходит переход, т.е. энергия – однозначная функция состояния системы.

Закон сохранения энергии является строгим законом природы, справедливым для всех известных взаимодействий. Согласно известной теории Э. Нётер, он связан с однородностью времени, т.е. с тем фактом, что все моменты времени эквивалентны и физические законы не меняются со временем.

Закон сохранения энергии для механических процессов был установлен Г. Лейбницем (1686) а для немеханических – в середине XIX в. Ю.Р. Майером (1845), Дж. Джоулем и Г. Гельмгольцем (1847).

В термодинамике закон сохранения энергии называется первым началом термодинамики.

Открытие закона сохранения и превращения энергии вначале было итогом развития механики. Но затем, благодаря дальнейшим экспериментальным исследованиям и теоретическому осмыслива­нию их результатов, становилось ясно, что содержание этого закона значительно глубже, что он – всеобщий закон природы. Это позволило быстрыми темпами развивать теорию тепловых процессов, что привело к появлению термодинамики. Особо важную роль закон сохранения и превращения энергии сыграл в изучении электрических и магнитных явлений, своеобразие и специфика которых не допускали применения других механических (по своему происхождению) понятий.

Становление и утверждение закона сохранения энергии охватывает длительный период – более полутораста лет. Как уже указыва­лось, первым был установлен закон сохранения энергии для меха­нического движения.

Первый период был связан с длительной дискуссией о так на­зываемых «мерах движения» и введением понятия «работа».

В первой половине XVII в. Р. Декарт ввел понятие меры движе­ния — количество движения, или импульс, которое в современных обозначениях выглядит следующим образом: Р = mv , где т – масса (во времена Декарта понятия массы т еще не было), v – скорость (Р и v – векторные величины).

Понятием количества движения, равного mv , пользовались мно­гие ученые того времени, в том числе и И. Ньютон. Однако в 1686 г. появилась статья Г. Лейбница «Краткое доказательство ошибки Декарта... о количестве движения...», в которой он в качестве меры движения предлагал считать величину mv ² , названную им «живой силой». «Живая сила» при определенных условиях в механических дви­жениях была величиной постоянной.

По Лейбницу, основной закон природы состоит не в сохранении количества движения, но в том, что необходимо сохранить одно и то же количество двигательной деятельности, которое означает совсем не то, что понимают сторонники Декарта под количеством движения.

При введении меры движения в виде величины mv ² Лейбниц рассуждал следующим образом. Известно, что для поднятия тела весом в 1 фунт на высоту в 4 локтя требуются такие же усилия, как и для поднятия веса тела в 4 фунта на 1 локоть. Если же предоставить этим телам возможность падать, то в момент касания земли скорость первого тела будет в два раза больше скорости второго ( ) . Значит, они будут обладать разным количеством движения ( mv — по Декарту). Но если взять произведение массы т на v ² , то mv ² будет величиной, одинаковой для обоих тел.

Это произведение mv ² он и выбрал в качестве меры движения. «Живая сила» (mv ² ), по мнению Лейбница, выражает то «количество двигательной деятельности, которое сохраняется в природе».

Теперь мы знаем, что mv ² есть удвоенная кинетическая энергия движущегося тела. Таким образом, Лейбниц, по сути, вначале сформулировал закон сохранения кинетической энергии. Кинетическая энергия, по современной терминологии, определяется как физическая величина, равная половине произведения массы частицы на квадрат ее скорости: . Это уже знакомая «живая сила» Лейбница, только разделенная пополам. Разделить ее на два предложил французский механик Г. Кориолис .

Основанием послужила теорема, доказанная за несколько лет до этого французским математиком Л.Н. Карно . Согласно его теореме, если тело движется под действием постоянной силы, то удвоенное произведение силы ( F ) на перемещение ( s ) равно разности «живых сил» в конце и начале перемещения:

.

Тогда это было новым словом в практической механике.

Произведение силы на перемещение в формуле (2.1) Г. Кориолис вслед за другим французским механиком, Ж.В. Понселе , назвал работой. Если работу обозначить через А и записать как

A = Fs ,

то формулу следует переписать в виде:

.

Появившиеся в знаменателях этой формулы двойки дали основание Г. Кориолису принять за меру движения половину лейбницевой «живой силы».

Теорему, выраженную формулой, принято называть теоремой о кинетической энергии. В соответствии с ней работа сил, действующих на тело, равна изменению кинетической энергии этого тела:

А = E_{K 2} - E_{K 1} = ΔE_K .

Из теоремы следует, что кинетическая энергия равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему заданную скорость движения.

Следующий важный шаг в развитии понятия механической энергии был сделан Г. Гельмгольцем, чей вклад в обоснование закона сохранения энергии будет более подробно рассмотрен ниже. Изучая движение тел под действием сил, которые постоянны или зависят от расстояния, но не от времени и скорости, он обратил внимание на то, что левую часть уравнения в таком случае всегда можно представить в виде разности значений некоторой величины, характеризующей взаимодействие рассматриваемых тел.

Поскольку новая величина имела такую же размерность, что и «живая сила», Г. Гельмгольц предложил и ее назвать «силой», но не «живой», а «напряженной». Впоследствии «напряженная сила» Гельмгольца была переименована в потенциальную энергию. Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия. Она определяется работой, которую должны совершить силы, чтобы переместить тело из данного положения в нулевое:

Е_П =А₁ – 0.

Выбор нулевого положения произволен. Поэтому потенциальная энергия определена неоднозначно: по отношению к разным нулевым уровням потенциальная энергия одного и того же тела будет различной. Например, потенциальная энергия тела, взаимодействующего с Землей, может быть найдена по формуле Е_П = mgh , где h — высота центра тяжести тела, отсчитываемая от нулевого уровня. Принимая за нулевой уровень поверхность Земли, пола в комнате или, наконец, стола, над которым находится рассматриваемое тело, мы получим разные значения h и соответственно разные значения потенциальной энергии.

Для потенциальной энергии справедлива теорема, аналогичная теореме о кинетической энергии. По теореме о потенциальной энер гии, работа консервативных сил при любом движении тела равна разности потенциальных энергий в начальном и конечном состояниях:

А = Е_П1 – Е_{П2 = –} Е_П.

Рассматривая консервативные системы, т.е. системы, в которых действуют лишь консервативные силы, Гельмгольц пришел к выводу, что одна и та же величина может быть выражена и через прира­щение кинетической энергии системы, и через убыль ее потенци­альной энергии. Это означает, что увеличение кинетической энер­гии рассматриваемой системы всегда сопровождается соответст­вующим уменьшением ее потенциальной энергии, и наоборот:

.

Если переписать равенство в виде

,

то станет ясно, что сумма кинетической и потенциальной энергий рассматриваемой системы в процессе ее движения не меняется. На основании этого можно объединить обе величины в одну — полную механическую энергию системы:

Е = Е_К + Е_П .

Из отношения следует, что Е = const.

Итак, при любых процессах, происходящих в консервативной системе, ее полная механическая энергия остается неизменной. Это утверждение называется законом сохранения механической энергии.

Поскольку кинетическую энергию Г. Гельмгольц называл «живой силой», а потенциальную энергию – «напряженной», то первая формулировка закона сохранения энергии, данная Гельмгольцем, такова:

Когда тела природы действуют друг на друга с силами притяжения или отталкивания, не зависимыми от времени и скорости, то сумма живых сил и напряженных сил остается постоянной.

Следующий этап установления закона сохранения и превращения энергии связан с изучением превращения различных форм энергии друг в друга.

На начальном этапе изучения превращения различных форм движения друг в друга исключительную роль сыграл С. Карно , который впервые занялся изучением вопроса превращения теплоты в работу паровых машин.

Поставив вначале достаточно скромную техническую задачу, как наиболее экономно использовать топливо в паровых машинах, он решил не только эту проблему, но и получил целый ряд принципи­ально новых результатов, имеющих важное значение для развития многих направлений естествознания.

Во-первых, С. Карно нашел наиболее оптимальные условия рабо­ты тепловой машины (цикл Карно), при которых можно добиться максимального коэффициента ее полезного действия. Теорема Карно о максимальном коэффициенте полезного действия тепловых машин сыграла в дальнейшем важную роль в установлении одного из фун­даментальных законов природы — второго начала термодинамики.

Затем, продолжая свои исследования, он пришел к правильным взглядам на природу теплоты, как на совокупность механического движения атомов, из которых состоят физические тела.

Он отмечал: Тепло – не что иное, как движущая сила или, вернее, как движение, из­менившее свой вид, – это движение частиц тела,- повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количест­ве, пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила. Таким образом, можно высказать общее положение: движущаяся сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызы­вает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает.

Как видно из приведенной цитаты, С. Карно сформулировал за­кон сохранения и превращения «сил» (по современной терминологии – энергии), закон сохранения и превращения тепловой и механической энергии. Он даже впервые приблизительно определил механический эквивалент теплоты.

По некоторым представлениям, которые у меня сложились относитель­но теории теплоты, – писал Карно, – создание единицы движущей силы (по современной терминологии – единицы механической работы) требует затраты 2,7 единицы тепла.

При переводе в современные единицы это значение механиче­ского эквивалента равно примерно 370 кГм/ккал.

Противоположную С. Карно задачу, а именно: исследование об­ратного процесса превращения работы в тепло в результате трения, поставил себе Б. Томпсон . Работая на пушечных заво­дах, он заметил, что при сверлении пушечных стволов они очень сильно нагреваются.

Он помещал пушечный металлический ствол в воду и в резуль­тате сверления доводил температуру воды до кипения и испарения. Подсчитав, сколько необходимо энергии для испарения воды, он установил равенство между этой энергией и механической работой при сверлении стволов пушек. Б. Томпсон также пришел к выводу, что теплота есть форма движения.

2.10.3. Всеобщий закон сохранения и превращения энергии

Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно и установление механического эквивалента теплоты сыграло основную роль в открытии всеобщего закона сохранения и превращения энергии. Все большее место в физических исследованиях занимали явления, в которых происходило превращение одних форм движения в другие. Исследования многих химических, тепловых, электрических, магнитных, механических, световых явлений постепенно способствовали возникновению и развитию идеи о взаимопревращении различных форм движения друг в друга в эквивалентных количественных отношениях.

А к середине XIX в. закон сохранения и превращения энергии был признан как общий закон природы, охватывающий все физические явления. Приоритет установления данного закона научная общественность того времени признала за тремя учеными. Из них двое немецких ученых – Ю.Р. Майер и Г. Гельмгольц по профессии были врачами, а третий – англичанин Дж. Джоуль – специалистом в области электрических явлений.

То, что именно врачи Ю.Р. Майер и Г. Гельмгольц сделали решающий вклад в установление этого закона, не случаен, поскольку, изучая физиологию человека, обмен веществ в живом организме, они столкнулись с наиболее сложными комплексными процессами энергопревращения в различных органах и тканях. В частности, Ю.Р. Майер обнаружил, что в условиях разного теплообмена между человеком и окружающей средой в северных и южных районах в связи с неодинаковыми перепадами температур окислительно-восстановительные процессы в организме идут по-разному. В результате состав и цвет крови у южан и северян различный.

Развивая свои исследования, немецкие ученые осуществили ряд блестящих опытов и расчетов по выявлению связи между отдель­ными частными видами взаимопревращения энергии.

Так, Ю.Р. Майер также исследовал процессы перехода механи­ческого движения в теплоту и обратно и определил механический эквивалент теплоты (равный 365 кГм/ккал), процессы превращения механической энергии через трение в электричество и электричества в теплоту.

Г. Гельмгольц изучал процессы превращения кинетической энер­гии в потенциальную и обратно, превращение механической энергии в теплоту, электрической энергии в теплоту и механическую энергию при производстве работы за счет электричества.

Третий из авторов закона сохранения и превращения энергии Дж. Джоуль основное внимание уделял изучению процессов выде­ления тепла электрическим током во всей электрической цепи, в том числе и в гальванических элементах, где происходят электролитические химические реакции. В результате им была установлена связь между тепловой, электрической и, что очень важно, одновре­менно химической энергией.

Он определил, что общее количество теплоты равно теплоте хи­мических реакций, протекающих в гальванических элементах, за то же время. Таким образом, им было показано, что источником теп­лоты, выделенной в цепи электрического тока, являются химиче­ские процессы, проходящие в гальваническом элементе, а электри­ческий ток как бы разносит эту теплоту по всей цепи. Он писал, что «электричество может рассматриваться как важный агент, кото­рый переносит, упорядочивает и изменяет химическое тепло».

В дальнейшем Дж. Джоуль проделал свой знаменитый опыт, в котором экспериментально более точно определил механический эк­вивалент теплоты. С помощью падающих грузов он заставлял ось с лопастями вращаться внутри калориметра, наполненного жидкостью. Измеряя совершаемую грузами работу и выделенную в калориметре теплоту, Дж. Джоуль получил механический эквивалент теплоты, равный 424 кГм/ккал.

Установление закона сохранения и превращения энергии сыграло в истории естествознания огромную роль. Его утверждение стало свое образным катализатором для понимания многих явлений, а также обоснования и открытия целого ряда других частных законов природы.

2.10.4. Закон сохранения энергии в термодинамике

Закон сохранения энергии сыграл решающую роль в создании новой научной теории – термодинамики.

Опираясь на этот закон, был сделан ряд открытий в области электродинамики. У Томсон , используя закон сохранения и превращения энергии при исследованиях явления электромагнитной индукции и самоиндукции, установил при этом, что энергия проводника с током может быть выражена формулой LI ² /2, где I – ток, a L – коэффициент самоиндукции — величина, зависящая только от геометрии проводника.

Исследуя вопрос об энергии магнитов и электрических токов, У. Томсон в 1853 г. выразил эту энергию в виде интеграла, взятого по объему.

В том же году Р. Клаузиус применил закон сохранения энергии к энергетическим процессам в цепи постоянного тока, а в следующем году – к термоэлектрическим явлениям.

Помимо У. Томсона и Р. Клаузиуса над развитием и применением закона сохранения и превращения энергии много работал У. Дж. М. Ранкин . Он первым начал широко применять термин «энергия» и попытался дать этому понятию общее определение. Под энергией системы вслед за Ранкиным стали понимать ее способность производить работу. Ранкин писал: Термин «энергия» предполагает любое состояние субстанции, которое заключается в способности производить работу; количество энергии измеряется количеством работы, которую она способна произвести.

Еще раньше, Ранкин разделил энергию на «актуальную», или «ощутимую», и «потенциальную», или «скрытую». К «ощутимой» энергии он относил «живую силу» (термин, широко используемый в более ранних работах многих ученых, начиная с Лейбница), теплоту, лучистую теплоту, свет, химическое действие и электриче­ский ток, которые являются ее различными формами; к «потенци­альной», или «скрытой», – «механическую силу гравитации», упру­гость, химическое сродство, энергию статического электричества и магнетизма. У. Томсон для «актуальной», или «ощутимой», механиче­ской энергии ввел впоследствии понятие кинетической энергии дви­жущихся тел.

Благодаря этим трем великим открытиям, – писал он, – мы можем теперь в общем и в целом обнаружить не только ту связь, которая существует между процессами природы в отдельных ее областях, но также и ту, которая имеется между этими отдельными областями.

2.11. Принцип возрастания энтропии

2.11.1. Понятие энтропии

Понятие энтропии исторически возникло при рассмотрении и изучении тепловых процессов и создании термодинамики. К мо­менту зарождения термодинамики в естествознании господствовала механика Ньютона, механика обратимых процессов, которые могут идти как в прямом, так и в обратном направлении с так называе­мым обратимым временем. Например, вращающееся тело проходит при движении одни и те же положения при вращении по часовой стрелке, а затем и против часовой стрелки. Или другой пример: в принципе возможны все механические движения, показанные на кинопленке, при ее прокручивании как в прямом, так и в обратном направлении. В термодинамике в этом отношении все обстоит иначе.

Французский математик и физик Ж.Б. Фурье установил один из основных законов теплопроводности – односторонний переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому. Именно с этого момента начался выход физики за пределы ньютоновой схемы.

При переходе теплоты от более горячего тела к более холодному температуры тел постепенно (т.е. во времени!) выравниваются и становятся едиными для обоих тел – наступает состояние термодинамического равновесия. Таким образом, все системы, содержащие различные тела с разной температурой, естественным образом постепенно переходят в состояние термодинамического равновесия с выровненной температурой во всех участках данной системы. Такие процессы в силу закона Фурье имеют однонаправленность во времени, в связи с чем появилось понятие необратимости процессов, необратимости времени, «стрелы времени» .

Итак, первым важным открытием было открытие того факта, что все протекающие естественным образом (без участия внешних сил) тепловые процессы необратимы.

Второе, не менее важное открытие – установление второго на­чала (закона) термодинамики – принадлежит С. Карно, который изучал проблему использования теплоты (тепловой энергии) через преобразование ее в механическую энергию для производства рабо­ты в тепловых двигателях. Во времена С. Карно это были в основ­ном паровые машины. Результаты своих исследований он изложил в сочинении «Размышления о движущей силе, огне и о машинах, способных развивать эту силу».

Карно установил, что тепловую энергию, которой обладает на­гретое тело, непосредственно невозможно превратить в механиче­скую энергию для производства работы. Это можно сделать только в том обязательном случае, если часть тепловой энергии тела с температурой Т₁ передать другому телу с меньшей температурой Т₂ и, следовательно, нагреть его до большей температуры. Иными словами, в механическую энергию для производства работы можно преобразовать только часть тепловой энергии и только при обязательном условии, что в системе такого преобразователя имеется нагре­ватель с температурой Т₁ и охладитель с температурой Т₂ , т.е. для производства работы механической системой необходима разность температур Т₁ – Т₂ . Все механические системы, использующие тепло, работают «на перепаде температур» между нагревателем и холо­дильником. Карно выразил эту мысль следующим образом: Возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действи­тельной трате тепла, но его переходу от горячего тела к холодному... Недостаточно создать теплоту, чтобы вызвать появление движущей силы: нужно еще добавить холод; без него теплота стала бы бесполезной.

Помимо этого, одного из важнейших открытий XIX в., Карно определил ту часть тепловой энергии, которая может быть переведена в производство механической энергии, в производство работы в тепловых машинах, т.е. он нашел значение разности

W = Q ₁ – Q ₂ ,

где W – полученная механическая энергия в процессе преобразования тепловой энергии;

Q ₁ – полная тепловая энергия, отдаваемая нагретым телом в процессе преобразований энергии;

Q ₂ – часть тепловой энергии, переданной холодильнику.

Определив разность Q ₁ - Q ₂ , Карно нашел максимальное значе­ние коэффициента полезного действия тепловых машин (для так называемого идеального цикла Карно), которое оказалось равным

.

Из приведенного соотношения следует, что коэффициент полезного действия (кпд) тепловой машины определяется только значениями Т₁ и Т₂ . Или, по словам Карно, движущаяся сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития; ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми, в конечном счете, производится перенос тепла.

В дальнейшем, развивая идеи Карно, один из основных создате­лей теоретической термодинамики немецкий ученый Р.Ю. Клаузиус ввел важнейшее понятие – энтропию. Постепенно со­держание понятия энтропии стало существенно расширяться. Из термодинамического понятия оно сначала перешло в другие разделы физики – механику, электричество, магнетизм, оптику, а затем в смежные науки – химию, информатику, биологию , и сейчас стало одним из важнейших понятий современного естествознания наряду с таким, например, понятием, как энергия.

Энтропия (от греч. – поворот, превращение) – функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы.

Р. Клаузиус обратил внимание на то, что из выражения Карно для максимального коэффициента полезного действия тепловой машины следует, что . Это соотношение, как известно, справедливо только для идеального обратимого цикла работы тепловой машины – цикла Карно. Отношение Клаузиус обозначил буквой S и назвал энтропией, что в переводе с древнегреческого означает «обращение», «превращение», «поворот». Таким образом, по мысли Клаузиуса, энтропия S = характеризует превратимость, превращение. К такому понятию энтропии мы еще вернемся в дальнейшем.

Итак, для циклических обратимых процессов т.е. выполняется закон сохранения энтропии: S ₁ = S ₂ . Иными словами, в таких процессах холодное тело поглощает столько же энтропии, сколько и выделяется нагретым телом. Реально же все процессы теплопередачи, в соответствии с законом Фурье, являются необратимыми, и при передаче количества тепла Q от горячего тела (с температурой Т₁ ,) к холодному (с температурой Т₂ ) энтропия S ₁ = всегда будет меньше энтропии S ₂ = в силу того, что Т₁ > Т₂ и, следовательно, изменение энтропии ΔS = S ₂ – S ₁ всегда положительно. То есть в реальных процессах энтропия термодинамической системы будет возрастать.

Принцип возрастания энтропии справедлив для любой изолированной системы. Это обстоятельство указывает на асимметрию природных явлений, т.е. на однонаправленность происходящих в ней процессов. Раскрытие в дальнейшем более глубокого смысла энтропии, а также установление закона ее возрастания привело к целому ряду очень важных, далекоидущих следствий.

Исследование энтропии в дифференциальной форме показало, что dS является полным дифференциалом, и, следовательно, энтропия не зависит от вида физического процесса, а определяется только состоянием системы. Поэтому энтропия является функцией состояния.

Кроме того, оказалось, что с помощью энтропии удобно исследовать не только тепловые процессы, но и рассматривать процессы преобразования других видов энергии в тепловую. Так, механическая энергия в результате трения переходит в тепловую, электрический ток нагревает проводники тока, электромагнитное поле – среду, через которую оно распространяется, и т.д., т.е. все естественные процессы, в конечном счете, ведут к превращению всех видов энергии в тепловую. Постепенно возникло представление о качестве разных видов энергии и ее деградации с точки зрения качества . Под качеством энергии понимается возможность использования того или иного вида энергии для производства полезной работы.

Сейчас принята следующая иерархия качества энергии в указанном смысле: ядерная, электромагнитная, химическая, механическая и тепловая энергии. При этом каждому виду энергии соответствует свое значение энтропии. Оно имеет минимальное значение для энергии высокого качества и возрастает при превращении всех видов энергии в тепловую и переходу системы в термодинамическое равновесие, при котором энтропия достигает максимальной величины.

В связи с этим значение энтропии («превращения») характеризует меру обесценивания энергии . Там, где происходят процессы изме­нения и преобразования энергии, следует «ее тень – энтропия».

Сегодня, как уже говорилось, понятие энтропии и знание ее величины необходимы при рассмотрении различных вопросов в физике, например при изучении фазовых переходов между твердым телом, жид­костью и газом, определении теплоты плавления кристаллов, теплоты парообразования. При плавлении и испарении происходит изменение энтропии систем. Термодинамические основы растворения одних веществ в других также требуют знания энтропии. То же касается радужных пленок на поверхности воды и мыльных пузырей. Возрастание растворимости веществ с повышением температуры, расслоение бензина на поверхности воды также связаны с возрастанием энтропии. Изменение энтропии выталкивает молекулы углеводородов из водного окружения.

Изменение энтропии выступает в роли действующей силы. Эта энтропийная сила называется гидрофобной. Вещества, которые вытал­киваются ею из воды, называются гидрофобными веществами, в отличие от гидрофильных веществ вроде спирта, которые полностью растворяются в воде. С гидрофобными силами связаны многие важ­ные явления. Но наиболее важные следствия, определяемые гидрофобными энтропийными силами, – это строение белков – веществ, определяющих протекание всех жизненных процессов. Из приведенных примеров видно, что энтропия имеет важнейшее значение для многих вопросов, в том теле и для биологических систем. Важность энтропии в биологии формулировал один из создателей квантовой механики Э. Шрёдингер в своей знаменитой книге «Что такое жизнь с точки зрения физики?» в следующем высказывании: «Живой организм питается отрицательной энтропией». Энтропия играет важную роль во всех естественно-научных дисциплинах. В химии, например, это изучение процессов окисления, пучение реакций со взрывом, оценка возможности или невозмож­ности протекания многих реакций, исследование скоростей протекания тех или иных реакций и др.

Исключительно широкое применение получила энтропия в информатике, в частности, для расчетов пропускной способности различных линий связи и систем передачи информации.

2.12. Основные космологические теории эволюции Вселенной

Учение о мегамире как едином целом и всей охваченной астроно­мическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) называется космологией .

Выводы космологии основываются на законах физики и данных наблюдательной астрономии. Космологические теории различаются в зависимости от того, какие физические принципы и законы положены в их основу. Построенные в соответствии с космологическими теориями модели должны допускать проверку для наблюдаемой области Вселенной, выводы теории – подтверждаться наблюдениями (во всяком случае, не противоречить им), теория – предсказывать новые явления.

В конце XX в. этому требованию наилучшим образом удовлетворяли разработанные на основе общей теории относительности однородные изотропные модели нестационарной «горячей» Вселенной.

Возникновение современной космологии связано с созданием релятивистской теории тяготения А. Эйнштейном (1916) и зарождением внегалактической астрономии (начиная с 20-х гг. XX в.).

На первом этапе развития релятивистской космологии главное внимание уделялось геометрии Вселенной кривизна четырехмерного пространства-времени и возможная замкнутость Вселенной.

Начало второго этапа можно датировать работами А.А. Фридмана , который в 1922–24 гг. доказал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной – она должна расширяться или сжиматься; но эти принципиально новые результаты получили признание лишь после открытия красного смещения (эффекта «разбегания» галактик) астрономом Э. Хабблом (1929).

В результате на первый план выступили проблемы механик Вселенной и ее «возраста» (длительности расширения).

Третий этап в развитии космологии связан с моделями «горячей» Вселенной (Г. Гамов, вторая половина 40-х гг.), в которых основное внимание переносится на физику Вселенной – состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии, когда состояние было необычным.

В основе теории лежат уравнения А. Эйнштейна общей теории относительности, из них следуют наличие кривизны пространства-времени и связь кривизны с плотностью вещества. Космологические уравнения допускают существование двух моделей. В одной из кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю. Вселенная бесконечна (открытая модель ). В такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают. В другой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но столь же безгранична, как и в открытой модели). В такой (замкнутой ) модели расширение со временем сменяется сжатием. В ходе эволюции Вселенной кривизна трехмерного пространства уменьшается при расширении, увеличивается при сжатии, но знак кривизны не меняется, т.е. открытая модель остается открытой, замкнутая – замкнутой. Начальные стадий эволюции по обеим моделям совершенно одинаковы: должно было существовать особое начальное состояние – сингулярность с огромной плотностью массы и кривизной пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение.

Из космологических уравнений следует, что равная нулю кривизна пространства может иметь место только при строго определенной критической плотности ρ_кр .

Если , то мир замкнут, при мир является открытым. Два указанных исходных положения достаточны для суждений об общем характере эволюции Вселенной, но они оставляют открытым вопрос о ее начальном состоянии.

С 60–70-х гг. XX в. стала общепринятой модель «горячей» Вселенной (предполагается высокая первоначальная температура). В условиях очень высокой температуры (Т > 10¹³ К) существовала лишь равновесная смесь различных элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Можно рассчитать состав такой смеси при разных температурах Т, соответствующих последовательным этапам эволюции, найти закон расширения однородной и изотропной Вселенной и изменение ее физических параметров в процессе расширения.

Согласно этому закону во Вселенной в момент с должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино, а также большая примесь нуклонов (протонов и нейтронов). В результате последующих превращений к моменту мин из нуклонов образовалась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия по массе; все остальные химические элементы синтезировались из этого дозвездного вещества, причем намного позднее, в результате ядерных реакций в недрах звезд). В момент образования нейтральных атомов гелия и водорода (рекомбинация нуклонов и электронов в атомы произошла при лет) вещество становилось прозрачным для оставшихся фотонов, и они должны наблюдаться в настоящее время в виде реликтового излучения, свойства которого можно предсказать на основе теории «горячей» Вселенной.

Наибольшее принципиальное значение этой теории имеют вы­воды о нестационарности (расширении) Вселенной, о высоких зна­чениях плотности и температуры в начале расширения («горячая» Вселенная) и об искривленности пространства-времени.

Вывод о нестационарности надежно подтвержден космологическим красным смешением, обнаруженным Э. Хабблом в 1929 г.: наблюдае­мая область Вселенной расширяется, и это расширение длится, по меньшей мере, 15—20 млрд. лет. Столь же основательное подтвер­ждение нашла и концепция «горячей» Вселенной: в (1965) американ­скими физиками А.А. Пензиасом и Р.В. Вильсоном было открыто реликтовое излучение, которое оказалось изотропным, а спектр его – равновесным с Т = 3 К.

Что касается плотности вещества, то астрономические наблюде­ния приводят к значениям усредненной плотности вещества, вхо­дящего в видимые галактики, г/см³ . Определить плот­ность скрытого (невидимого) вещества, а тем более плотность, создаваемую нейтрино (если масса нейтрино не равна нулю), гораз­до труднее, и неопределенность суммарной плотности из-за этого весьма велика. На основе имеющихся наблюдательных данных (10^–31 < ρ < 10^–29 г/см³ ) нельзя сделать окончательного выбора между открытой (расширяющейся безгранично) и замкнутой (расши­рение в далеком будущем сменится сжатием) моделями. Эта неоп­ределенность никак не сказывается на общем характере прошлого и современного расширения, но влияет на возраст Вселенной (дли­тельность расширения).

Модель расширяющейся Вселенной

Значение термина Вселенная более узкое и приобрело специфически научное звучание.

Вселенная – место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение научного значения термина Вселенная вполне понятно, так к естествознание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными методами.

Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией, т. е. наукой о космосе. Космология, в основе своей открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет с бой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной как бы в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения.

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения:

- свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках и направлениях;

- наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнение Эйнштейна. Из этого следует кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии).

Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:

- принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах выполняются все законы сохранения вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга;

- экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных (красных) волн.

Для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики –, видимой части Вселенной.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 –18 млрд. лет назад

Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом.

Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) – вещество

Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной научной точки зрения самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация.

Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

После Большого Взрыва образовался сгусток плазмы «состояния, в котором находятся элементарные частицы» нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны.

По наиболее обоснованным оценкам, возраст расширяющейся Вселенной составляет примерно 13 млрд. лет.

Контрольные вопросы

1.Что такое корпускулярно-волновой дуализм материи?

2. Почему энтропия является мерой порядка и беспорядка в природе?

3. Какова классификация материи на микро-, макро-, мегамиры?

4. Сформулируйте основные законы сохранения.

5. Каково объяснение периодической системы Д.И. Менделеева?

6. Каковы фундаментальные взаимодействия в природе?

7. Какова связь симметрии и законов сохранения?

8. какова связь пространства и времени в специальной теории относительности?

9. В чем различие между динамическими и статистическими закономерностями в природе?

10. Каков смысл принципа дополнительности?

3. ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

Химия – наука о веществах и процессах их превращения, сопровождающие изменением состава и структуры.

Основанием химии выступает проблема получения веществ с заданными свойствами (производственная зада­ча) и выявление способов управления свойствами веществ (научная задача). Свойства веществ зависят:

1) от элементарного и молекулярного состава;

2) от структуры молекулы;

3) от термодинамических и кинетических условий процесса химической реакции;

4) от уровня химической организации вещества.

Концептуальные этапы получения знаний по химии можно представить следующим образом:

XVII – учение о составе вещества;

середина XIX в. – учение о структуре вещества;

конец XIX в. – учение о химических процессах;

середина XX в. – учение о химической эволюции.

Четыре способа решения основной проблемы химии:

Первый уровень научных химических знаний, продол­жающийся с работ Р. Бойля (1660-е годы) до 1820-1830-х годов: свойства вещества определяются его составом. Химический элемент и химическое соединение. Дальтониды – химическое вещество молекулярного строения и бертоллиды – соединения немолекулярного строения. Вовлечение новых химических эле­ментов в производство материалов. Синтез новых элементоорганических соединений, например фторорганических, обла­дающих исключительной устойчивостью.

Второй уровень развития химических знаний (середина XIX века): свойства вещества и их качественное разнообразие обуславливаются составом и структурой молекул. Возникнове­ние структурной химии: работы Д. Дальтона, И.Я. Берцелиуса, Ш. Жерара, А. Кекуле, A.M. Бутлерова. Триумфальный марш органического синтеза. Пределы и проблемы структурной ор­ганической химии.

Третий уровень химических знаний (середина XX века): учение о химических процессах и механизмах изменения веще­ства. Свойства вещества зависят от термодинамических и кине­тических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции. Учение о химических процессах – область науки, где осуществляется глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Химическое производство синтетиче­ских материалов.

Принципиальная обратимость всех химических реакций. Законы Я. Вант-Гоффа и А. Ле-Шателье. Зависимость хода хи­мических процессов от структурно-кинетических факторов: от строения исходных реагентов, концентрации, наличия катали­заторов и др. Проблемы катализа химических реакций и реше­ние задачи химического преобразования ядерной и солнечной энергии.

Химия экстремальных состояний, высокотемпературный синтез.

Четвертый уровень химических знаний (с 1970-х годов): свойства вещества зависят от высоты химической организации вещества. Биологизация химии – возникновение эволюционной химии. Основа лаборатории живого организма – биокатализ. Подражание живой природе – химия будущего. Создание ката­лизаторов по принципу ферментов. Изучение брожения – один из первых опытов изучения химии живой природы. Пути освоения каталитического опыта живой природы: ис­следование в области металлокомплексного катализа, моделирование биокатализаторов, исследования в области иммобили­зованных систем, применение принципов биокатализа в хими­ческой технологии.

Отбор химических элементов в ходе эволюции. Химиче­ские свойства углерода, отвечающие всем требованиям эволю­ции: прочность химических связей, их энергоемкость и доста­точная лабильность.

Явления самосовершенствования катализаторов в ходе ре­акции. Самоорганизация химических систем. Теории химиче­ской эволюции и биогенеза. Эволюция химических систем.

Четыре способа решения основной проблемы химии – че­тыре иерархические концептуальные системы. Теоретическое и практическое значения представлений о концептуальных систе­мах химии.

3.1. Развитие учения о составе вещества

Демокрит и Эпикур считали, что все тела состоят из атомов различной величины и формы, чем и объясняли различие тел.

Аристотель и Эмпедокл видимое разнообразие тел природы объясняли посредством сочетания в те­лах различных стихий: тепла и холода, сухости и влажности. Переход одних веществ в другие, связанный с появлением их новых специфических свойств и «форм». В эпоху эллинизма (до н.э.) возникло учение о «трансмутации » (превращении), согласно которому можно, изменяя сочетание элементов, получать вещество с иными свойствами. Так, пытались получить золото из более распространенных металлов – ртути, свинца и др.

Главной целью алхимия считала поиски «философского камня» для превращения неблагородных металлов в благородные, получение эликсира долголетия, универсального растворителя и др.

В VIII в. широкое распространение в Западной Европе получила «ртутно-серной» теории алхимиков, согласно которой вначале образуется «сера» из огня из воздуха и «ртуть» из земли и воды, а уже из них получаются различные металлы.

Т. Парацельс , в отличие от алхимиков, подчеркнул вещественный характер трех начал: «серы» – начала горючести, «ртути» – начала летучести, «соли» – начала огнепостоянства. Он ставит задачу исследовать свойства веществ и найти новые соединения с более полезными для медицинских целей свойствами, чтобы помогать человеку от болезней, успешно применял препараты ртути против сифилиса. Вскоре медицинскую химию (иатрохимию ) стали преподавать на медицинских факультетах университетов.

Научное изучение химических явлений начинается в 1600 г. с работ Р. Бойля . Он создает теорию, по которой окружающий нас мир построен из мельчайших частичек – корпускул , различных по размерам, форме и массе. Они, объединяясь и разъединяясь, образуют качественно различные тела – «структурные формы вещества », среди этих тел вода, земля, железо, ртуть. При получении химических элементов как «простых тел» пользовались универсальным по тому времени методом разложения «сложных тел» – прокаливанием .

Изучение процессов горения привело к появлению первой, хотя она и оказалась ложной, научной теории в химии – теории флогистона , основатель этой теории Г. Шталь . Наблюдая за процессом плавки металлов, например олова, он заметил, что часть металла теряется в виде окалины («извести», как тогда называли), но при соприкосновении с древесным углем вновь превращается в олово. Шталь сделал вывод о том, что уголь участвует в реакции, и предположил, что в угле содержится вещество, которое превращает «известь» в металл. Позже это вещество было названо флогистоном . При всех огромных недостатках теории флогистона (путаница в понятии простого и сложного вещества), впервые были разработаны научные представления о реакциях окисления-восстановления.

Основатель научной химии М.В. Ломоносов в 1756 г. сформулировал один из основопо­лагающих, действующих и по сей день законов естествознания – закон сохранения материи массы: масса веществ, вступивших в реакцию равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции. «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего от одного тела отнимется, столько присовокупится к другому; так если где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий закон простирается и в самые правила движения; ибо тело, движущее своей силой другое тело, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Гипотеза флогистона была опровергнута А. Лавуазье после открытия кислорода и установлении его роли в процессах горения и окисления. Так, явление обжига металлов и горение стали рассматривать как процессы соединения элемента с кислородом, а не как процесс разложения «сложного вещества» на элемент и флогистон. Это была настоящая революция в химии. Лавуазье впервые разделил вещества на простые вещества (химические элементы) и химические соединения.

В 1869г. Д.И. Менделеев систематизировал известных тогда 62 элементов на основании их атомного веса и представил это в виде таблицы, которая и получила название «Периодическая таблица Менделеева». Периодический закон, сформулированный Менделеевым, гласит: «Физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел ими образованных, состоят в периодической зависимости от их атомного веса ».

Современная формулировка периодического закона: свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины положительного заряда ядра их атомов .

В этой таблице ярко выявлена периодичность изменения свойств элементов с увеличением их сложности в каждом новом периоде. Систематизация элементов, выполненная Менделеевым, оказала основополагающее влияние на дальнейшее развитие химических исследований. На основании выявленных общностей он предсказал суще­ствование неизвестных элементов, оставив для них вакантные места в периодической таблице. Впоследствии эти элементы были открыты и свойства их оказались такими, какие предсказал Менделеев.

В настоящее время доказано, что атом является сложной делимой субъединицей вещества. Вся масса атома сосредоточена в его ядре (~10^–13 см). Ядро атома состоит из протонов (р), несущих положительный заряд (+1) и обладающих массой. Заряд ядра равен порядковому номеру элемента. Вок­руг ядра по орбиталям вращаются электроны (е) – частицы с зарядом –1. Количество электронов равно количеству протонов, атом в целом электронейтрален. Ядро атома кроме протонов содержит нейтроны (n) – частицы, не имеющие заряда, но обладающие массой.

Пример строения хлора (С): порядковый номер 17, а атомная масса 37, число электронов 17, ядро содержит 17 протонов и 20 электронов.

Ядра элементов могут содержать различное количество нейтронов, так есть атомы хлора, обладающие атомной массой 37 и 35, их ядра содержат 20 и 18 нейтронов соответственно – это так называемые изотопы (³⁷ Сl, ³⁵ Сl).

Изотопы – атомы с одинаковым зарядом ядра (и соответственно химическими свойства), но разным числом нейтронов.

Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т. е. это совокупность изотопов.

С начала ХIХ в. активно обсуждался вопрос о том, что относится к химическим соединениям, а что к смесям.

Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом, «прочным притяжением составных частей» (атомов) и тем отличается от смесей.

С позиций атомно-молекулярного учения данный закон был обоснован химиком Д. Дальтоном ; он утверж­дал, что все простые и сложные индивидуальные вещества состоят из мельчайших частиц – молекул, которые в свою очередь образованы из атомов химических элементов. Так, молекулы простых веществ – водорода (Н₂ ), кислорода (О₂ ), озо­на (О₃ ), – образованные из атомов одного элемента. Молекулы сложных веществ образованы из разных атомов.

К. Бертолле утверждал возможность существо­вания индивидуальных химических соединений переменного состава с непрерывным изменением. Так, интерметаллические соединения, состоящие из 2 металлов: цинк-сурьма, магний-серебро и др. образуют соединения, как с постоянным, так и с переменным составом. Н.С. Курнаков первые из них назвал дальтонидами в честь Ж. Дальтона, а вторые – бертоллидами в честь К. Бертолле.

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойства и состоящая их одинаковых или разных атомов. В состав молекул входят атомы. Большинство неорганических веществ не имеют молекулярного строения.

Атом – наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств.

Химическое соединение – определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых химической связью объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты.

3.2. Развитие учения о структуре молекул

При взаимодействии атомов между ними может возникнуть химическая связь, приводящая к образованию многоатомной системы – молекулы, молекулярного иона или кристалла.

Химическая связь – взаимодействие атомов, обусловленное перекрытием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы .

Й. Берцелиус в 1830 г. выдвинул гипотезу: все атомы разных элементов обладают различной электроотрицательностью, причем атом каждого элемента несет два заряда (положительный + и отрицательный –). Объединение атомов в молекулы происходит за счет взаимодействия разноименно заряженных атомов или атомных групп, что сопровождается частичной нейтрализацией зарядов. Например, калий (К) несет положительный заряд, а кислород (О) – отрицательный, взаимодействуя, они образуют оксид. Однако, теория Берцеллиуса, основанная на электростатическом взаимодействии зарядов, не могла объяснить образование молекул из двух одинаково заряженных атомов, например, молекулы О₂ .

В 1916 г. Дж. Льюис высказал предположение, что химическая связь возникает путем образования электронной пары, одновременно принадлежащей двум атомам – эта идея послужила основой для разработки современной теории ковалентной связи. В том же году В. Коссель предположил, что химическая связь возникает при взаимодействии двух атомов, один из них отдает электроны, превращаясь в положительно заряженный ион (катион), а второй атом принимает электрон, превращаясь в отрицательно заряженный ион (анион). Дальнейшее развитие идей Косселя привело к созданию представлений об ионной связи.

Ковалентная связь – химическая связь между атомами, осуществляемая обобществляемыми электронами .

Ковалентная связь между одинаковыми атомами называется неполярной (Н· + ·Н ® Н : Н или Н – Н ).

Ковалентная связь возникающая при взаимодействии атомов разных элементов называется полярной, при этом общая электронная пара (или электронные пары) несколько смещаются в сторону более полярного атома (H – Cl , С≡ O ).

Ионная связь – химическая связь, осуществляемая за счет электростатического притяжения образовавшихся разноименных ионов (Na⁺ Cl^– , NH₄ ⁺ OH^– ).

Металлическая связь – многоцентровая химическая связь с дефицитом электронов в твердом или жидком состоянии, основанная на обобществлении внешних электронных атомов . Металлическая связь характерна только для конденсированного состояния вещества в жидкости или твердом веществе.

Электрически нейтральные атомы и молекулы способны к дополнительному взаимодействию друг с другом: водородная связь – химическая связь, осуществляемая между положительно поляризованным атомом водорода и отрицательно поляризованным атомом F , O и N (реже Cl , S и др.), принадлежащих другой или той же молекуле (НF … HF, Н₂ О … Н₂ О).

Ф. Кекуле сформулировал теорию валентности – каждый атом обладает определенной способностью к насыщению , т.е. валентностью, или числом единиц сродства. Благодаря этому появилась возможность составлять так называемые структурные формулы . При написании в любой формуле элементы связывают друг с другом согласно их валентности.

Позже А.М. Бутлеров разработал теорию строения органических соединений :

1. Атомы в молекулах соединены химическими связями согласно их валентности в определенном порядке.

2. Атомы и группы атомов, соединенные в молекуле, оказывают взаимное влияние.

3. Химическое строение вещества определяет его свойства.

4. Изучая химические превращения вещества, можно установить строение вещества и выразить его одной единственной структурной формулой.

Теория Бутлерова явилась фундаментом для развития органической химии.

3.3. Развитие учения о химических процессах

3.3.1. Энергетика химических процессов и систем

Химические реакции – в заимодействие между атомами и молекулами, приводящее к образованию новых веществ, отличных от исходных по химическому составу или строению. Химические реакции в отличие от ядерных не изменяют ни общего числа атомов в системе, ни изотопного состава элементов. Методы управления химической реакцией можно разделить на термодинамические и кинетические, среди последних ведущую роль выполняют каталитические процессы.

Химическая термодинамика отвечает на вопросы о принципиальной возможности протекания данной химической реакции в определенных условиях и о конечном равновесном состоянии системы .

Система – совокупность тел, выделенная из пространства . Если в системе возможен массо- и теплообмен между всеми ее составными частями, то такая система называется термодинамической. Химическая система, в которой возможно протекание реакций, представляет собой частный случай термодинамической. Если между системой и окружающей средой отсутствует массо- и теплообмен, то такая система называется изолированной. Если отсутствует массообмен, но возможен теплообмен, то система называется закрытой. Если же между системой и окружающей средой возможен и массо-, и теплообмен, то система открытая. Система, состоящая из нескольких фаз, называется гетерогенной , однофазная система – гомогенной .

Состояние химической системы определяется свойствами: температура, давление, концентрация, объем, энергия.

Реакции, протекающие в гомогенной системе, развиваются во всем ее объеме и называются гомогенными . Реакции, происходящие на границе раздела фаз – гетерогенными .

Для термодинамического описания системы пользуются так называемыми функциями состояния системы – это любая физическую величину, значения которой однозначно определяются термодинамическими свойствами системы . К важнейшим функциям состояния системы относятся:

- полная энергия системы (Е );

- внутренняя энергия системы (U );

- энтальпия (или теплосодержание) – это мера энергии, накапливаемая веществом при его образовании (Н): Н = U + р∙ V ;

- энтропия – мера неупорядоченности системы (S );

- энергия Гиббса – мера устойчивости системы при постоянном давлении (G ): ∆ G = ∆ H – T ∙∆ S ;

- энергия Гельмгольца – мера устойчивости системы при постоянном объеме (F ): ∆ F = ∆ U – T ∙∆ S .

Судить о возможности самопроизвольного протекания процесса можно по знаку изменения функции свободной энергии Гиббса: если ∆ G < 0, т.е. в процессе взаимодействия происходит уменьшение свободной энергии, то процесс термодинамически возможен. Если ∆ G > 0, то протекание процесса невозможно. Таким образом, все процессы могут самопроизвольно протекать в сторону уменьшения свободной энергии.

Химическое взаимодействие, как правило, сопровождается тепловым эффектом. Процессы, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими (∆ Н < 0), а идущие с поглощением теплоты – эндотермическими (∆ Н > 0).

Тепловой эффект химических процессов в изобарных условиях определяется изменением энтальпии, т.е. разницей энтальпий конечного и исходного состояний. Согласно, закону Лавуазье-Лапласа : теплота, выделяющаяся при образовании вещества, равна теплоте, поглощаемой при разложении такого же его количества на исходные составные части.

Более глубокие обобщения термохимических закономерностей дает закон Гесса : тепловой эффект химических реакций, протекающих или при постоянном давлении, или при постоянном объеме, не зависит от числа промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы.

I закон термодинамики (закон сохранения энергии) – энергия не исчезает и не возникает вновь из ничего при протекании процесса, она лишь может переходить из одной формы в другую в строго эквивалентных отношениях.

II закон термодинамики – при протекании процесса в изолированной системе обратимых процессов энтропия остается неизменной, а при необратимых процессах увеличивается.

3.3.2. Реакционная способность веществ

Химическая кинетика – раздел химии, изучающий закономерности протекания физико-химических процессов во времени и механизмы взаимодействия на атомно-молекулярном уровне. Химическая кинетика рассматривает зависимость скорости химической реакции от концентрации реагентов, температуры, свойств среды, электромагнитного излучения и других факторов.

Скорость химической реакции ( v ) – изменение концентрации (С) реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу време­ни (τ) в единице объема системы (для гомогенной реакции) или на единицу площади поверхности раздела фаз (для гетерогенной реакции).

v = ∆С / ∆τ

Зависимость скорости химических реакций от концентраций реагирующих веществ легко понять исходя из молекулярно-кинетических представлений. Молекулы газов, двигаясь в различных направлениях с довольно большой скоростью, неизбежно должны встречаться, сталкиваться друг с другом. Взаимодействие между молекулами, очевидно, может происходить только при их столкновениях, следовательно, чем чаще будут сталкиваться молекулы, тем быстрее будет идти превращение исходных веществ в новые и тем больше будет скорость реакции.

К. Гульдберг и П. Вааге в 1867 г. сформулировали закон действующих масс : при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ.

Скорость гомогенной химической реакции измеряется изменением концентрации реагирующих веществ в единицу времени. Так, для гомогенной реакции типа А + 2В → АВ₂ закон действующих масс выражается следующим образом:

v = k ∙[ A ] ∙[В]²

где [A] и [В] – концентрации вступающих в реакции веществ, k – константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ.

При гетерогенных реакциях концентрации веществ, находящихся в твердой фазе, обычно не изменяются в ходе реакции и поэтому не включаются в уравнение закона действующих масс.

Скорость всякой реакции непрерывно уменьшается с течение времени, так как взаимодействующие вещества постепенно расходуются и концентрации их уменьшаются. Поэтому, говоря о скорости реакции, всегда имеют в виду скорость в данный момент, т.е. то количество вещества, которое подверглось бы превращению, если бы существующие в данный момент концентрации поддерживались искусственно в течение определенного промежутка времени.

Зависимость скорости химической реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа : при повышении температуры на 10°С скорость большинства реакций возрастает в 2–4 раза .

Отношение константы скорости при температуре t + 10° к константе при температуре t называется температурным коэффициентом скорости (γ).

В общем случае, если температура изменилась на ∆t °, уравнение зависимости скорости реакции от температуры имеет вид:

v ­ _{t + ∆ t} / v ­ _t = γ^{∆ t /10}

Так, если температурный коэффициент скорости реакции равен 3, то, во сколько возрастет скорость реакции при повышении температуры от 20 до 60 °С? Поскольку ∆t = 60 – 20 = 40 °С, то, обозначив соответственно скорость реакции при 20 и 60 °С соответственно через v и v ´ , можем записать изменения скорости реакции: v ´ / v = 3^40/10 = 3⁴ = 81 раз.

Сильное возрастание скорости реакции при повышении температуры связано с резким возрастанием числа активных частиц и числа активных столкновений.

Зависимость скорости химической реакции от присутствия катализа­торов и ингибиторов – веществ, которые изменяют скорость реакции, но сами в результате реакции остается в химически неизменном состоянии и не расходуется. Вещества, ускоряющие реакцию, называются катализаторами , а замедляющие – ингибиторами. Иногда применение катализаторов может увеличить скорость реакции в 1000 и более раз.

Катализ – изменение скорости химической реакции в присутствии катализаторов. Скорость химической реакции возрастает в присутствии катализатора, в связи с понижением энергия акти­вации реакции через образование нестойких промежуточных соединений – активных комплексов . Процесс, идущий с образованием активного комплекса кинетически более выгоден, т.к. требуется меньшей затраты энергии.

Нередко один из продуктов реакции служит катализатором, ускоряющим эту реакцию. Такого рода реакции, называются автокаталитическими . Например, кислота, образующаяся при гидролизе эфиров, катализирует этот гидролиз. Скорость автокаталитических реакций в течение некоторого времени (период индукции) мала, но по мере накопления продукта – катализатора, растет, достигает максимума и снова уменьшается вследствие расхода исходного вещества. В таких реакциях возможно протекание явлений самоорганизации, приводящее к образованию пространственных и пространственно-временных диссипативных структур.

Ярким примером автокаталитического процесса является гомогенная периодическая химическая реакция окисления лимонной кислоты смесью бромата калия КВrО₃ и сульфата церия Се(SО₄ )₂ , открытая и исследованная русскими химиками Белоусовым и Жиботинским в 1951 г. Смесь этих веществ, растворенная в разбавленной серной кислоте, дает реакцию восстановления церия: Се⁴⁺ (синего цвета)→Се³⁺ (красного цвета), а затем, когда свободный ион брома расходуется (выступает как ингибитор окисления церия), проте­кает обратная реакция окисления: Се³⁺ → Се⁴⁺ . В результате возникает система, которая с идеальной периодичностью изменяет свой цвет с синего на красный и наоборот. Эти колебания можно рассматривать как химические часы, а саму систему как самоорганизующуюся. Начиная с некоторого момента числа колебаний системы, спонтанно возникают неоднородности концентрации и образуются устойчивые красные и синие слои.

3.3.3. Химическое равновесие. Принцип Ле Шателье

Многие химические реакции протекают таким образом, что исходные вещества целиком превращаются в продукты реакции или, как говорят, реакция идет до конца. Так, например, бертолетова соль при нагревании вся без остатка превращается в хлористый калий и кислород:

2КСlО₃ = 2КСl + 3О₂

Обратное получение бертолетовой соли из хлористого калия и кислорода оказывается невозможным. Такого рода реакции называются практически необратимыми, или односторонними.

Иной характер имеет реакция взаимодействия водорода с железной окалиной. Если пропускать водород над нагретой до высокой температуры железной окалиной, то последняя превращается в желе­зо, а водород, соединяясь с кислородом окалины, образует воду:

Fe₃ O₄ + 4Н₂ = 3Fe + 4Н₂ О.

С другой стороны, пропуская при такой же температуре водяной пар на порошкообразным железом, можно получить железную окалину и водород. Эта реакция выражается тем же уравнением, что и предыдущая, если читать его справа налево:

3Fe + 4Н₂ О = Fe₃ O₄ + 4Н₂

Таким образом, при одной и той же температуре будут протекать две прямо противоположные реакции: из железной окалины и водорода будут получаться железо и водяной пар, а из последних – снова железная окалина и водород.

Процессы, которые при одних и тех же условиях могут идти как в ту, так и в другую сторону, называются обратимыми, или двусторонними.

Чтобы показать, что химический процесс обратим, в уравнении реакции заменяют знак равенства двумя стрелками, направленными в противоположные стороны:

Fe₃ O₄ + 4Н₂ 3Fe + 4Н₂ О

Реакцию, протекающую в направлении слева направо, принято называть прямой, противоположную реакцию – обратной.

Характерная особенность обратимых реакций заключается им, что они не доходят до конца, если продукты реакции не удаляются из сферы взаимодействия (например, при реакциях между газами в закрытом сосуде). Исходные вещества, если даже они были и взяты в эквивалентных количествах, никогда не расходуются полностью на образование продуктов реакции. Реакция идет лишь до известного предела и затем как бы останавливается.

Если реакция обратима, т.е. она может протекать как в прямом, так и обратном направлениях, то с течением времени скорость обратной реакции будет возрастать, когда скорости прямой и обратной реакции становятся одинаковыми, наступает состояние химического равновесия .

N₂ (г) + 3H₂ (г) 2NH₃ (г)

Установившееся между данными веществами химическое равновесие может сохраняться при неизменных условиях как угодно долго, но при изменении условий протекания реакции (температуры, давления, концентрации участвующих в реакции веществ), скорости прямого и обратного процессов изменяются неодинаково, и хими­ческое равновесие нарушается.

Направление этого смещения подчиняется принципу Ле Шателье : при всяком внешнем воздействии на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, в ней протекают процессы, приводящие к уменьшению этого воздействия.

Так, повышение температуры приводит к смещению равновесия в направлении реакции, сопровождающейся поглощением теплоты, т. е. охлаждением системы; повышение давления вызывает смещение равновесия в направлении уменьшения общего числа молей газообразных веществ, т.е. в направлении, приводящем к понижению давления; удаление из системы одного из про­дуктов реакции ведет к смещению равновесия в сторону прямой реакции; уменьшение концентрации одного из исходных веществ приводит к сдвигу равновесия в направлении обратной реакции.

3.4. Развитие представлений об эволюционной химии

Эволюционная химия рассматривает вопросы эволюционного развития и совершенствования химической формы материи, в том числе в процессах ее самоорганизации до перехода в биологическую форму.

Из известных в настоящее время 112 химических элементов большинство принимают участие в жизнедеятель­ности живых организмов. Однако основу живых систем составляют только 4 элемент (98%) – углерод, водород, кислород, азот – макроэлементы . К микроэлементам относятся магний, натрий, калий, каль­ций, железо, калий, сера, фосфор, хлор ; в сумме они составляют около 2-3%. К группе ультрамикроэлементов относят цинк, медь, йод, фтор, марганец, кобальт, кремний и др. (суммарное содержание порядка 0,1%). Из известных се­годня более 20 млн. химических соединений, основная доля приходится на долю органических вещества.

Химическая эволюция среди огромного количества соединений для построения живых организмов отобрала лишь несколько сотен. Так, в состав белков входит только 20 аминокислот, всего четыре нуклеотида участвуют в построении ДНК и РНК, ответственных за наследственность и регуляцию белково­го синтеза в любых живых организмах. В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селек­тивности действия каталитических групп.

Распределение элементов в земной коре и в живом организме:

В основе химических процессов клетки лежит биокатализ, основанный на способности различных природных веществ, участвующих в химических реакциях, управлять ими, замедляя или ускоряя их протекание. Ферменты (энзимы) – белки, обладающих каталитической активностью.

В 1964 г. проф. А.П. Руденко представил теорию самоорганизации элементарных открытых каталитических систем , в последствии ставшая основой общей теории химической эволюции и биогенеза , раскрывающая многие важные эволюционные вопросы. Химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем. Теория саморазвития открытых каталитических систем дает возможность определить рубеж перехода неживого в живое.

Контрольные вопросы

1.Что такое химическая связь?

2.От чего зависит выделение или поглощение энергии в экзотермических или эндотермических химических реакциях?

3.Сформулируйте основные законы термохимии.

4.Что такое реакционная способность вещества?

5.От чего зависит скорость протекания химических реакций?

6.Что такое химическое равновесие?

7.В чем заключается принцип Ле-Шателье применительно к химическим реакциям?

8.Назовите основные законы химического строения вещества.

9.Почему при обратимых реакциях особенно велика роль катализаторов?

10. Какова роль физики в понимании и решении проблем химического соединетия?

4. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

4.1. Внутреннее строение и история образования Земли

Земля, как и другие планеты, возникла из солнечного вещества. Документальными свидетелями допланетной стадии развития вещества и ранних этапов существования Земли служат соотношения изотопов и радиоактивность химических элементов, из которых состоят Земля и метеориты. На основании данных астрофизики и космохимии можно предполагать, что задолго до формирования планет Солнечной системы их вещество прошло звездную стадию, включавшую синтез ядер атомов в недрах звезд, одна из которых была предком Солнечной системы. В результате взрыва этой звезды в плоскости ее экватора образовалась протопланетная туманность.

Исходным материалом для образования планет был так называемый звездный газ – разобщенные ионизированные атомы. По мере охлаждения из него возникали твердые частицы, и происходила их консолидация. Древнейшими твердыми телами Солнечной системы являются метеориты. По данным ядерной геохронологии, их возраст составляет 4,5–4,7 млрд. лет. Абсолютный возраст вещества Луны – 4,7 млрд. лет. Земля как планета имеет аналогичный возраст.

Земля как небесное тело образовалось при температурах ниже точки плавления составляющих ее материалов. Затем начался ее разогрев вследствие распада радиоактивных элементов. Кроме того, Земля нагревалась за счет кинетической энергии соударения метеоритных потоков. В результате произошла дифференциация химических веществ планеты на оболочки разного строения и состава.

4.1.1. Внутреннее строение Земли

Главными методами изучения внутренних частей нашей планеты являются, в первую очередь, геофизические наблюдения за скоростью распространения сейсмических волн, образующихся при взрывах или землетрясениях. Среди них выделяют волны продольных и поперечных колебаний. Продольные колебания представляют собой чередования сжатия и растяжения вещества в направлении распространения волны, поперечные колебания – чередующиеся сдвиги в направлении, перпендикулярном распространению волны.

Продольные волны распространяются как в твердом, так и в жидком веществе, поперечные – только в твердом. Следовательно, ecли при прохождении сейсмических волн через какое-либо тело будет обнаружено, что оно не пропускает поперечные волны, то можно считать, что это вещество находится в жидком состоянии. Если через тело проходят оба типа сейсмических волн, то это свидетельство твердого состояния вещества

Скорость волн увеличивается с возрастанием плотности вещества. При резком изменении плотности вещества скорость волн будет скачкообразно изменяться. Изучение распространения сейсмических волн через Землю показало, что имеется несколько определенных границ скачкообразного изменения скоростей волн. Поэтому предполагается, что Земля состоит из нескольких концентрических оболочек (геосфер).

На основании установленных трех главных границ раздела выделяют три главные геосферы: земную кору, мантию и ядро (рис.4.).

Рис. 4. Строение Земли

Первая граница раздела характеризуется скачкообразным увеличением скоростей продольных сейсмических волн от 6,7 до 8,1 км/с. Эта граница получила название раздела Мохоровичича (в честь открывшего ее сербского ученого А. Мохоровичича), или просто граница М. Она отделяет земную кору от мантии. Плотность вещества земной коры не превышает 2,7 – 3,0 г/см³ . Граница М расположена под континентами на глубине от 30 до 80 км, а под дном океанов - от 4 до 10 км.

Учитывая, что радиус земного шара равен 6371 км, земная шар представляет собой тонкую пленку на поверхности планеты, состав имеющую менее 1% ее общей массы и примерно 1,5% ее объема.

Мантия . Мантия – самая мощная из геосфер Земли. Она распростра няется до глубины 2900 км и занимает 82,26% объема планеты. В мантии сосредоточено 67,8% массы Земли. С глубиной плотность вещества мантии в целом возрастает с 3,32 до 5,69 г/см³ , хотя это происходит неравномерно.

На границе с земной корой вещество мантии находится в твер­дом состоянии. Поэтому земную кору вместе с самой верхней ча­стью мантии называют литосферой.

Агрегатное состояние вещества мантии ниже литосферы недос­таточно изучено и по этому поводу имеются различные мнения. Предполагается, что температура мантии на глубине 100 км состав­ляет 1100 – 1500°С, в глубоких частях – значительно выше. Давле­ние на глубине 100 км оценивается в 30 тысяч атмосфер, на глубине 1000 км – в 1350 тысяч атмосфер. Несмотря на высокую температуру, судя по распространению сейсмических волн, вещество ман­тии преимущественно твердое. Колоссальное давление и высокая температура делают невозможным обычное кристаллическое со­стояние. По-видимому, вещество мантии находится в особом высо­коплотном состоянии, которое на поверхности Земли невозможно. Уменьшение давления или некоторое повышение температуры должны вызвать быстрый переход вещества в состояние расплава.

Мантию подразделяет на верхнюю (слой В, простирающийся до глубины 400 км), промежуточную (слой С – от 400 до 1000 км) и нижнюю (слой D – от 1000 до 2900 км). Слой С именуют также слоем Голицына (в честь русского ученого Б.Б. Голицына, устано­вившего этот слой), а слой В – слоем Гутенберга (в честь выделив­шего его немецкого ученого Б. Гутенберга).

В верхней мантии (в слое В) имеется зона, в которой скорость поперечных сейсмических волн значительно уменьшается. По-видимому, это связано с тем, что вещество в пределах зоны частично находится в жидком (расплавленном) состоянии. Зона пониженной скорости распространения поперечных сейсмических волн предполагает, что жидкая фаза составляет до 10%; это обусловливает более пластичное состояние вещества по сравнению с выше и ниже рас­положенными слоями мантии.

Относительно пластичный слой пониженных скоростей сейсмических волн получил название астеносферы (от греч. asthenes – слабый). Мощность ослабленной зоны достигает 200–300 км. Распола­гается она на глубине примерно 100–200 км, но глубина меняется: в центральных частях океанов астеносфера располагается выше, под устойчивыми участками материков опускается глубже.

Астеносфера имеет весьма важное значение для развития глобальных эндогенных геологических процессов. Малейшее нарушение термодинамического равновесия способствует образованию огромных масс расплавленного вещества (астенолитов), которые поднимаются вверх, способствуя перемещению отдельных блоков литосферы по поверхности Земли. В астеносфере возникают магматические очаги. Исходя из тесной связи литосферы с астеносферой эти два слоя часто объединяют под названием тектоносфера.

В последнее время внимание ученых привлекает зона мантии, расположенная на глубине 670 км. Полученные данные позволяют предполагать, что эта зона намечает нижнюю границу конвективного тепломассообмена, который связывает верхнюю мантию (слой В и верхнюю часть промежуточного слоя с литосферой.

В пределах мантии скорость сейсмических волн в целом возрастает в радиальном направлении от 8,1 км/с на границе земной кс ры с мантией до 13,6 км/с в нижней мантии. Но на глубине около 2900 км скорость продольных сейсмических волн резко уменьшаете до 8,1 км/с, а поперечные волны глубже вообще не распространяются. Этим намечается граница между мантией и ядром Земли.

Ученым удалось установить, что на границе мантии и ядра в интервале глубин 2700–2900 км происходит зарождение гигантских тепловых струй, периодически пронизывающих всю мантию и проявляющихся на поверхности Земли в виде обширных вулканических полей.

Ядро . Ядро Земли – центральная часть планеты. Оно занимает только около 16% объема Земли, но содержит более трети всей ее массы. Судя по распространению сейсмических волн, периферия ядра находится в жидком состоянии. В то же время наблюдения за происхождением приливных волн позволили установить, что упругость Земли в целом очень велика (больше упругости стали).

В ядре господствуют условия чрезвычайно высокого давления несколько миллионов атмосфер. В этих условиях происходит полное или частичное разрушение электронных оболочек атомов, вещество «металлизируется», т.е. приобретает свойства, характерные для металлов, в том числе высокую электропроводность. Возможно, что земной магнетизм является результатом электрических токов, возникающих в ядре в связи с вращением Земли вокруг своей оси.

Плотность ядра – 5520 кг/м³ , т.е. вещество, составляющее ядро, в два раза тяжелее каменной оболочки Земли. Вещество ядра неодно­родно. На глубине около 5100 км скорость распространения сейсмических волн вновь возрастает с 8100 м/с до 11000 м/с. Поэтому предполагают, что центральная часть ядра твердая.

Вещественный состав оболочек Земли . Исследование вещественного состава оболочек Земли представляет весьма сложную проблему. Для непосредственного изучения состава доступна лишь земная ко­ра. Имеющиеся данные свидетельствуют, что земная кора состоит преимущественно из силикатов, а 99,5% ее массы составляют восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, маг­ний, кальций, натрий и калий. Все остальные химические элементы в сумме образуют около 1,5%.

О составе более глубоких сфер земного шара можно судить лишь ориентировочно, используя геофизические данные и результаты изу­чения состава метеоритов. Поэтому модели вещественного состава глубинных сфер Земли, разработанные разными учеными, различа­ются. Можно с большой уверенностью предполагать, что верхняя мантия также состоит из силикатов, но по сравнению с земной корой содержащих меньше кремния и больше железа и магния, а нижняя мантия – из оксидов кремния и магния, кристаллохимическая струк­тура которых значительно более плотная, чем у этих соединений, на­ходящихся в земной коре.

Еще более гипотетичны представления о составе ядра Земли. Учи­тывая высокую плотность (9,4–11,5 г/см) и невозможность распро­странения поперечных сейсмических волн, ученые предполагают, что периферия ядра находится в состоянии расплава и состоит из ок­сидов или сульфидов железа с примесью кремния, углерода и неко­торых других элементов. По причине еще большей плотности цен­тральной части ядра можно ожидать, что она близка к составу же­лезных метеоритов и состоит из никелистого железа.

4.1.2. История геологического строения Земли

Историю геологического строения Земли принято изображать в виде последовательно появляющихся друг за другом стадий или фаз. Отсчет геологического времени ведется от начала процесса образо­вания Земли.

Фаза 1 (4,7–4 млрд. лет). Происходит образование Земли из газа, пыли и планетезималей. В результате энергии, выделяющейся в процессе распада радиоактивных элементов, и столкновения планетезималей Земля постепенно разогревается. Падение на Землю гигантского ме­теорита приводит к выбросу материала, из которого образуется Луна.

Согласно другой концепции Протолуна, находящаяся на одной из гелиоцентрических орбит, была захвачена Протоземлей, в резуль­тате чего образовалась двойная система Земля–Луна.

Дегазация Земли приводит к началу образования атмосферы, состоящей в основном из углекислоты, метана и аммиака. В конце рассматриваемой фазы за счет конденсации водяного пара начинается образование гидросферы.

Фаза 2 (4–3,5 млрд. лет). Возникают первые острова, протоконтиненты, сложенные из горных пород, содержащих преимущественно кремний и алюминий. Протоконтиненты незначительно возвыша­ются над еще очень мелководными океанами.

Фаза 3 (3,5–2,7 млрд. лет). Железо собирается в центре Земли и образует ее жидкое ядро, которое обусловливает возникновение магнитосферы. Создаются предпосылки для появления первых организмов, бактерий. Продолжается формирование континентальной коры.

Фаза 4 (2,7–2,3 млрд. лет). Образуется единый суперконтинент Пангея, которому противостоит суперокеан Панталасса.

Фаза 5 (2,3–1,5 млрд. лет). Охлаждение коры и литосферы приводит к распаду суперконтинента на блоки-микроплиты, пространство между которыми заполняют осадки и вулканы. В результате возникают складчато-надводные системы, и образуется новый суперконтинент – Пангея I. Органический мир представлен сине-зелеными водорослями, фотосинтезирующая деятельность которых способствует обогащению атмосферы кислородом, что ведет к дальнейшему развитию органического мира.

Фаза 6 (1700–650 млн. лет). Происходит деструкция Пангеи I, образование бассейнов с корой океанского типа. Формируются два cyперконтинента: Гондвана, куда вошли Южная Америка, Африка, Мадагаскар, Индия, Австралия и Антарктида, и Лавразия, включающая Северную Америку, Гренландию, Европу и Азию (кроме Индии). Гондвану и Лавразию разделяет море Тетис. Наступают первые ледниковые эпохи. Органический мир стремительно насыщается многоклеточными бесскелетными организмами. Появляются первые скелетные организмы (трилобиты, моллюски и др.). Происходит нефтеобразование.

Фаза 7 (650–280 млн. лет). Горный пояс Аппалачей в Америке соединяет Гондвану с Лавразией – образуется Пангея II. Обозначаются контуры палеозойских океанов – Палеоантлантического, Палеотетиса, Палеоазиатского. Гондвану дважды охватывает покровное оледенение. Появляются рыбы, позднее – амфибии. Растения и животные выходят на сушу. Начинается интенсивное углеобразование.

Фаза 8 (280–130 млн. лет). Пангея II пронизывается все более густой сетью континентальных рифов, щелевидных ровообразных растяжений земной коры. Начинается раскалывание суперконтинента. Африка отделяется от Южной Америки и Индостана, а последний – от Австралии и Антарктиды. Наконец Австралия отделяется от Антарктиды. Покрытосеменные растения осваивают значительные пространства суши. В животном мире господствуют пресмыкающиеся и земноводные, появляются птицы и примитивные млекопитающие. В конце периода погибают многие группы животных, в том числе огромные динозавры. Причины этих явлений обычно видят либо в столкновении Земли с крупным астероидом, либо в резком усиле­нии вулканической деятельности. То и другое могло привести к глобальным изменениям (увеличению содержания углекислоты в атмосфере, возникновению крупных пожаров, похолоданию), несо­вместимым с существованием многих видов животных.

Фаза 9 (130 млн. лет–600 тыс. лет). Крупным изменениям подвергает­ся общая конфигурация материков и океанов, в частности Евразия отделяется от Северной Америки, Антарктида – от Южной Америки. Распределение материков и океанов стало весьма близким к совре­менному. В начале рассматриваемого периода климат на всей Земле теплый и влажный. Конец периода характеризуется резкими климатическими контрастами. Вслед за оледенением Антарктиды происходит оледенение Арктики. Складываются фауна и флора, близкие к современным. Появляются первые предки, современного человека.

Фаза 10 (современность). Между литосферой и земным ядром поднимаются и опускаются потоки магмы, сквозь щели в коре они прорываются наверх. Обломки океанической коры опускаются вплоть до самого ядра, а затем всплывают и, возможно, образуют новые острова. Литосферные плиты сталкиваются друг с другом и находятся под постоянным воздействием потоков магмы. Там, где плиты расходятся, образуются новые сегменты литосферы. Постоянно происходит процесс дифференциации земного вещества, который преобразует состояние всех геологических оболочек Земли, в том числе и ядра.

4.2. Современные концепции развития геосферных оболочек

4.2.1. Концепция глобальной геологической эволюции Земли

Разработка концепции глобальной эволюции Земли позволила представить развитие геосферных оболочек.

Концепция глобальной эволюции Земли в объяснении динамических истоков развития геосферных оболочек решающее значение придает:

· однородности химического состава первичной Земли;

· изменению ее термодинамических состояний под воздействием энергетических потоков;

· приобретению расплавленным веществом Земли текуче-подвижных состояний, приводящих к его химико-плоскостной дифференциации;

· образованию в результате дифференциации вещества Земли ее геосферных оболочек;

· эволюции геосферных оболочек в процессе непрекращающихся изменений динамических характеристик Земли.

Каждый новый шаг в осмыслении возникновения, эволюции и развития (коренных преобразований) геосферных оболочек требует четкого выделения тех динамических факторов, которые детерминируют геологические события. В этом состоит суть, главное содержание концепции глобальной эволюции Земли.

Энергетическая динамика Земли определяется в основном тремя составляющими: энергией гравитации (около 82%), энергией радиоактивного распада (около 12%), приливной энергией (около 4%). Что касается солнечной энергии, то она, частично поглощаясь внешними геосферными оболочками, отражается ими же в космос. Земля стала тектонически активной далеко не сразу, а лишь после ее разогрева, который из-за наличия приливных сил (высота волн прилива достигала 1 км) оказался наибольшим в приповерхностных слоях планеты. Высокие температуры на поверхности способствовали постепенному разогреванию вещества планеты, переводя его в расплавленное состояние. Вещества Земли, обладавшие наибольшей плотностью, стали диффундировать в центр планеты.

В первичном составе Земли содержалось много железа (около 13%) и его двухвалентной окиси (около 24%).

Железо появилось отчасти за счет межзвездной материи, из которой образовалась Земля, и захвата ею метеоритов, в которых содержалось около 30% железа. Стекшие железа и его окислов в центр планеты привело к образованию ядра Земли. Более легкие вещества (SiO2, MgO и др.) при этом переходили в верхние слои планеты, где они, остывая, образовали астеносферу и литосферу. Собственно мантия Земли оказалась заключенной между ядром планеты и ее твердыми приповерхностными областями, т.е. литосферой. Дегазация планеты привела к образованию атмосферы Земли. За счет конденсации водяных паров атмосферы образовалась гидросфера.

Итак, было время (4,6–4,0•10⁹ лет назад), когда Земля не была дифференцирована на геосферные оболочки. Все геосферные оболочки являются результатом дифференциации вещественного составам первичной Земли. Атмосфера оказывает давление на литосферу и гидросферу, две последние упруго сжимают мантию планеты, которая в свою очередь спрессовывает ядро Земли. Если же двигаться от центра планеты к ее периферии, то динамическая картина оказывается другой. Ядро Земли притягивает к себе вещество всех других геосферных оболочек, охватывает их обручем инициированного им магнитного поля, нагревает мантию и достигающие его оболочки литосферы. Мантия Земли передает мощные потоки тепловой энергии литосфере, раздвигает океаническое дно и перемещает литосферные плиты. Литосфера и гидросфера оказывают тепловое воз­действие на атмосферу, передавая ей также огромные массы вещества являющиеся продуктами выветривания и испарения.

Таким образом, геодинамическая активность Земли также имеет свою историю: она находится в полном соответствии с историей эволюции геосферных оболочек.

4.2.2. История формирования геосферных оболочек

Рассмотрим в свете концепции глобальной эволюции Земли историю формирования основных геосферных оболочек.

Этапы развития Земли с позиций концепции глобальной геоэволюции .

С позиций концепции глобальной геоэволюции в развитии Земли выделяют следующие этапы:

1)образование планеты (4,7–4 млрд. лет назад);

2)нарастание тектонической деятельности Земли и достижение ею своего пика (4–2,2 млрд. лет назад);

3)период относительного постоянства в тектонической деятельности планеты (2,2 млрд. лет назад – 6 млрд. лет вперед);

4)угасание тектонической деятельности Земли (0,6 млрд. лет назад – 1,6 млрд. лет вперед);

5)остывание планеты (1,6–5 млрд. лет вперед);

6) опаление Земли в результате расширения перед угасанием Солнца (около 5 млрд. лет вперед).

Формирование ядра . Формирование ядра Земли началось примерно 4,6 • 10⁹ лет назад. Расчеты показывают, что оно было особенно интенсивным в период (3–2,6) • 10⁹ лет назад. После 2,6 млрд. лет наращивание массы земного ядра начало резко, а потом плавно убывать. В наши дни масса ядра увеличивается, согласно расчетам, на 130 млрд. т в год. «Металлическое железо» покинуло мантию Земли примерно 500 млн. лет назад, оставшийся в ней магнетит (Fe₃ O₄ ) распадается по схеме: 2Fе₃ O₄ →6FeO + O₂ , при этом FeO переходит но внешнее ядро Земли. Остывание Земли привело к частичному или полному затвердеванию как ее мантии, так и ядра.

Формирование мантии . Мантия по своему вещественному составу наиболее близка к составу первичного вещества Земли. Тем не менее, именно в ней процессы химико-плотностной дифференциации идут наиболее энергично: на протяжении 4 млрд. лет она проходит все новые стадии своего вещественного обеднения. Тяжелое вещество уходит к центру планеты, в ее ядро. Легкие элементы перемещаются в лито-, атмо- и гидросферу. Из мантии Земли полностью исчезли FeS, Fe, Ni. По сравнению с составом первичной Земли она существенно обеднела легкими веществами (К₂ О, Na₂ O, N₂ , H₂ и др.) Вместе с тем происходящая в мантии химико-плотностная дифференциация приводит к росту в процентном содержании оксидов кремния (SiO₂ ) и магния (MgO). В сумме эти два оксида составляют около 83% состава современной мантии (против 57% в составе первичного вещества Земли).

Современная мантия охвачена мощными конвективными движениями, за счет которых тепловая энергия ядра и мантии передается другим геосферным оболочкам. Теплопотери Земли приведут к ее остыванию и переходу мантии в твердое литосферное состояние.

Формирование литосферы . Литосфера образовалась в процессе осты­вания и кристаллизации частично расплавленного вещества мантии Земли. Ее часто называют «силикатным льдом». Имеется в виду, что литосфера, состоящая в основном из силикатов, т.е. солей кремние­вых кислот, содержащих SiO₂ , формируется подобно образованию льда при замерзании воды. Формирование литосферы началось 4–3,5 млрд. лет назад. Около 2 млрд. лет ушло на формирование cyперконтинента Пангеи. Последующая тектоническая деятельность Земли привела к раскалыванию Пангеи и образованию новых суперконтинентов.

Современная история литосферы связана прежде всего с тектоникой океанических плит. При раздвижении литосферы вещество астеносферы внедряется в разломы рифтовых зон и, охлаждаясь, образует молодую океаническую литосферу. Океаническая кора cпособна надвигаться на концы континентальных плит, в результате чего образуются складчатые структуры. Обломки океанических литосферных плит, увлекаясь мантийными потоками, опускаются вплоть до ядра Земли, перемешиваются с другим мантийным веществом и вновь поднимаются на поверхность. Так осуществляются циклы тектони­ческой деятельности Земли. В далеком будущем непременно про­изойдет их замедление, вплоть до полной остановки.

Формирование гидросферы . Молодая Земля была лишена гидросферы. Последняя появилась благодаря дегазации Земли, инициируемой изливавшимися на ее поверхность мантийными расплавами, которые, попав в условия с минимальным давлением, вскипали (как известно, температура кипения тем ниже, чем меньше давление) и выделяли летучие вещества, в том числе пары воды. Чем сильнее нарастали конвективные явления в мантии, тем чаще ив большей массе извергались на поверхность Земли потоки магмы и тем больше становился объем первоначально неглубокого океана. Из-за поглощения части воды океанической, а также континентальной корой глубина океана увеличивалась медленно. И лишь после полного насыщения водой слоя океанической коры, а произошло это около 2,2 млрд, лет назад, дно океана стало быстро опускаться (до средней глубины современного океана).

Наибольший приток воды происходил в период охвата конвективными движениями всей мантии Земли, т.е. около 2,6 млрд. лет назад. Приток воды в Мировой океан имеет место и в наши дни, он будет продолжаться и в дальнейшем. Ослабление тектонической активности Земли, остывание ее мантии, образование в этой связи особо глубоких океанических впадин и поглощение части воды глубоко стегающими осадочными породами океанической литосферы приведет к тому, что будут вновь видны срединно-океанические хребты.

Формирование атмосферы . Согласно концепции глобальной эволюции Земли история атмосферы связана с дегазацией планеты отнюдь не меньше, чем история гидросферы. Полагают, однако, что уже на ранних этапах своей эволюции (4,7–4 млрд. лет назад) Земля, еще не приобретя гидросферы, уже обладала атмосферой, но крайне разреженной. Она состояла главным образом из летучих соединений, которые распространены в космосе, т.е. Н₂ , Не, N₂ , CH4, NH3, С0₂ , СО.

Рождение плотной атмосферы оказалось связанным с выделением тех летучих соединений, которые попали на Землю в связанном состоянии: вода – с гидросиликатами, азот – с нитритами и нитра­тами, углекислый газ – с карбонатами и т.д. Подлинным динамическим источником атмосферы Земли оказалась начавшаяся ее активная дегазация (4 млрд. лет назад). Около 3 млрд. лет назад Земля пыла окутана плотной, состоящей в основном из азота (N₂ ) и угле­кислого газа (С0₂ ) атмосферой с давлением до 4 атм. Последующая история Земли связана в основном со своеобразной «заменой» угле­кислого газа кислородом.

Насыщение слоя океанической коры водой сопровождалось связыванием С0₂ в карбонаты (доломиты), поскольку при избытке углекислого газа в атмосфере реакции гидратации сопровождаются его связыванием в карбонаты.

Это привело к извлечению углекислого газа из атмосферы и снижению его парциального давления почти до современного. Обеднение атмосферы СО₂ –газом, задерживающим инфракрасное (тепловое) излучение Земли, привело к резкому снижению приземной температуры (с 90 до 6°С), которое 2,4 млрд. лет назад сопровождалось грандиозным оледенением.

Активную роль в извлечении углекислого газа из атмосферы сыграли также зеленые растения и фотосинтезирующие микроорганизмы. Речь идет о процессе фотосинтеза, суммарное выражение которого выглядит следующим образом:

Насыщение атмосферы кислородом происходило также благодаря фотолизу паров воды под воздействием коротковолнового излучения Солнца:

Н₂ О -» ОН ⁺ + Н ⁺ , 4ОН ⁺ - -> О₂ + 2Н₂ О,

а также галогенизации оксидов щелочных и щелочноземельных металлов:

2Na₂ O + 2С1₂ – 4NaCl + О₂ ; 2СаО + 2F₂ = 2CaF₂ + О₂ .

Далеко не весь кислород переходил непосредственно в атмосферу. Его мощным поглотителем являлось свободное железо:

3Fe + 2О₂ -> Fe₃ O₄ (Fe₂ O₃ • FeO).

Свободное железо исчезло из мантии Земли около 600 млн. назад. Это способствовало увеличению концентрации кислорода в атмосфере, что благоприятствовало быстрому развитию многоклеточных организмов.

В современных условиях выделяющийся в мантии кислород частично поглощается:

4FeO + О₂ -> 2Fe₂ O₃ .

Расчеты показывают, что через 600 млн. лет содержащееся в мантии железо окажется в состоянии магнетита (Fe₃ O₄ ). Магнетит устойчив в мантии, но при переходе в ядро Земли он распадается:

2Fe₃ O₄ -> 6FeO + О₂ .

Свободный кислород, не встречая препятствий, устремится в атмосферу. Это, согласно расчетам, приведет к быстрому росту давления атмосферы (до 10 атм), приземная температура достигнет 250°С. После вскипания воды океанов давление возрастет до 350 атм, а приземная температура – до 450°С. В новых условиях жизнь окажется невозможной.

Подводя итог, отметим, что с позиций концепции глобальной эволюции Земли развитие геосферных оболочек связано главным образом с динамическими факторами. Среди них наиглавнейшим является энергия, выделяемая в процессе химико-плотностной дифференциа­ции вещества в мантии и ядре Земли. Механизм химико-плотностной дифференциации вещества определяет как само наличие геологических явлений, так и их специфику.

4.3. Литосфера как абиотическая основа жизни

4.3.1. Понятие литосферы

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, которая включает всю земную кору и часть верхней мантии. Это особый слой толщиной порядка 100 км.

Нижняя граница литосферы нечеткая и определяется резким уменьшением вязкости пород, изменением скорости распростране­ния сейсмических волн и увеличением электропроводности пород.

Актуальность изучения литосферы обусловлена тем, что она является источником всех минеральных ресурсов, одним из основных объектов антропогенной деятельности. В верхней части континентальной земной коры развит почвенный слой, значение которого для человека трудно переоценить. Почва – органоминеральный продукт, созданный в результате многолетней деятельности живых организмов и воздействия абиотических факторов: воды, воздуха, солнечного тепла, света. Она является одним из важнейших природных ресурсов. В зависимости от климатических и геолого-географических условий почвы имеют толщину от 15–25 см до 2–3 м.

Почва возникла вместе с живым веществом и развивалась под влиянием деятельности растений, животных и микроорганизмов, пока не стала очень ценным для человека плодородным субстратом. Основная масса организмов и микроорганизмов литосферы сосредоточена в почве на глубине не более нескольких метров.

Современные почвы являются трехфазной системой (твердые частицы, вода и газы, растворенные в воде), состоящей из смеси минеральных частиц (продукты разрушения горных пород) и органических веществ (продукты жизнедеятельности микроорганизмов и грибов). Почвы играют огромную роль в кругообороте воды, углекислого газа и других веществ.

С разными породами земной коры, как и с ее тектоническими структурами, связаны разные полезные ископаемые: горючие, металлические, строительные и т.д.

4.3.2. Экологический функции литосферы

Обычно выделяют четыре экологические функции литосферы: ресурсную, геодинамическую, геофизическую и геохимическую.

Ресурсная функция литосферы определяется ролью содержащихся в ней ресурсов, а также факторами пространственного характера, значимыми для жизни биоты и человека. Общеизвестно, что литосфера содержит различные материальные ресурсы, большинство из которых активно используются человеком. Именно в этой связи наблюдается значительная ресурсная напряженность, которая не только не убывает, но и год от года нарастает.

Человечество стоит перед необходимостью системного гeopecypcного концептуального мышления. Весьма актуальные призывы и практические акции к ресурсосбережению необходимы, но недостаточны. Человечество пока намного более успешно разрушает, чем восстанавливает литосферу. С большим трудом осознается, что объектом охраны является такой грандиозный объект, как литосфера.

Геодинамическая функция литосферы связана с масштабными природными и антропогенными процессами, влияющими на жизнь биоты и человека. Речь идет об аномалиях и напряженных состояниях горных массивов, участках повышенной трещиноватости и проницаемости, регионах, опасных в сейсмическом отношении или охваченных деятельностью вулканов.

Геохимическая функция литосферы касается в основном тех геохимических неоднородностей, которые представляют опасность для биоты, в том числе для человека. Речь идет, прежде всего, о химическом загрязнении, привнесении в литосферу различных токсикантов (тяжелых металлов, пестицидов, пластмасс). Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными свойствами.

Геофизическая функция литосферы реализуется посредством физиче­ских факторов, радиации, шумовых и тепловых эффектов. На поверхности Земли постоянно наблюдается естественный радиационный фон, который с медицинской точки зрения, как правило, не является вредным. Однако есть такие регионы, например, в Индии и Бразилии, где радиационный фон превышает предельно допустимый в 100 и даже 1000 раз.

4.3.3. Литосфера как абиотическая среда

В литосфере происходит множество процессов (сдвиги, сели, обвалы, эрозии и др.), имеющих целый ряд неблагоприятных экологических последствий в определенных регионах планеты, а иногда приводящих к глобальным экологическим катастрофам, цунами, землятрясениям и т.д. Перечислим некоторые из них.

Выветривание . Разрушение и преобразование горных пород в результате выветривания происходит под воздействием различных природных факторов – климата, рельефа, водной среды и веществ атмосферы. В зависимости от сочетания можно выделить различные виды выветривания, в частности физическое, химическое и биохимическое.

Причинами физического выветривания являются перепады суточных температур, рост кристаллов солей, расклинивающее влияние замерзающей воды в трещинах и порах и корневой системы деревьев

Химическое выветривание происходит при совместном воздействии температуры и агрессивной водной среды, содержащей в растворенном состоянии различные химические соединения.

Биохимическое выветривание осуществляется в результате воздействия органических кислот, выделяемых организмами, и преобразования их отмерших остатков.

Стадийность парообразовательных процессов – окисление, гидратация, растворение и гидролиз – приводит к формированию определенной зональности профилей выветривания. Коры выветривания играют важную экологическую роль. С ними связаны месторождения алюминия, никеля, кобальта, меди, железа и различные геохимические аномалии.

Оползни и сели . Под воздействием гравитации происходит перемещение обломков горных пород по поверхности Земли. Скорость и перемещения зависит от размеров обломков и уклона склона. Часто гравитационные процессы называют склоновыми. Возникшие в результате склоновых процессов отложения называются коллювием.

Гравитационные процессы разделяются на провальные, обвальные и медленные. В результате водно-гравитационных процессов возникают оползни и сели. Гравитационные процессы на конитинентальных склонах приводят к возникновению огромных по размерам подводных оползней.

Геологическая деятельность ветра . Часто геологическую деятельность ветра называют эоловой (по имени древнегреческого бога ветров – Эола). Геологическая деятельность ветра слагается из дефляции, переноса рыхлого материала и аккумуляции. Особенно ярко эоловая деятельность проявляется в пустынных областях и оголенных, лишенных растительного покрова, широких и плоских речных долинах и на побережьях крупных озер, морей и океанов. Ветер не только разрушает, переносит и отлагает тонкий песчаный материал, но и создает эоловый песчаный рельеф – барханы, продольные гряды, дюны и эоловую рябь. С деятельностью ветра связано образовани лёсса. В основном эоловая деятельность наносит ущерб хозяйственной деятельности человека.

Поверхностные водостоки . Деятельность поверхностных вод начинается с эрозии, плоскостного смыва, накопления делювия, формирования оврагов и временных горных потоков, в устье которых формируются конусы выноса, сложенные пролювиальным и делювиальным материалом. Реки производят большую эрозионную, переносную и аккумулятивную работу и в этом смысле играют важнейшую экологическую роль. В речных долинах имеются поймы и надпойменные террасы. Последние могут быть эрозионными и аккумулятивными. В устьевых частях рек в зависимости от ряда причин формируются дельты или эстуарии.

Подземные воды . Подземные воды по своему происхождению подразделяются на следующие типы: инфильтрационные, конденсационные, седиментогенные, магматогенные, или ювенильные, иметаморфогенные. Выделяются почвенные воды и верховодка; в зоне полного насыщения распространены грунтовые воды, межпластовые ненапорные воды и межпластовые напорные, или артезианские, воды. Перемещение подземных вод зависит от водопроницаемости пород, их трещиноватости. С подземными водами связаны карстовые процессы, выражающиеся в создании поверхностного и подземного рельефа, а также своеобразных аккумулятивных отложений и форм. К числу поверхностных форм карстового рельефа относятся карры, поноры, карстовые воронки, котловины, полья, а к подземному — пещеры и каналы (шахты). В пещерах формируются сталактиты и сталагмиты.

Озера, водохранилища и болота . Озера и болота располагаются в понижениях рельефа и заполняются проточной или застойной водой. Озерные котловины создаются различными эндогенными и экзо­генными геологическими процессами. В то время как в озерах экзо­генные процессы складываются из абразионной транспортирующей и аккумулятивной деятельности, в болотах протекают только аккумулятивные процессы. В озерах и болотах формируются в основном тонкие обломочные и органогенные осадки. Среди болот различают озерные, лесные, луговые, верховые, низинные и приморские. Созданные человеком водохранилища по характеру геологических процессов относятся к озерам.

Многолетнемерзлые породы и грунты . Многолетнемерзлые породы и грунты занимают около 60% территории России, но также широко распространены в Канаде и на Аляске. Мощность криолитозоны достигает 900 м. Имеются районы, где глубина многолетнего промерзания составляет 1500 м. В криолитозоне большое значение имеют различные типы льдов: погребенный, повторно-жильный, миграционный. Среди подземных вод в криолитозоне выделяют надмерзлотные межмерзлотные, внутримерзлотные и подмерзлотные.

Мерзлотно-геологические процессы и возникающие в результате их деятельности формы рельефа весьма различны. На склонах происходят процессы, которые приводят к возникновению солифлюкционных террас. Из-за деградации криолитозоны появляется термокарст.

Материковые и горные ледники . Площадь современных материков покровных (Гренландия и Антарктида) и горных ледников превышает 160 млн. км² . Предгорные ледники представляют собой слившиеся горные ледники, выходящие в предгорья. Движение ледников связано с пластичным или высокопластичным течением льда. При движении ледников происходит перенос обломочного материала и его аккумуляция.

К ледниковым отложениям относятся морены, среди которых различают донные, абляционные, конечные; к водно-ледниковым – озы, комы и камовые террасы. В приледниковых областях выделяют зандры, лимногляциальные (озерно-ледниковые) отложения и лёссы.

Осадки морей и океанов . В морях и океанах накапливаются различные типы осадков, среди которых выделяют терригенные (обломочные) хемогенные, органогенные и вулканогенные. Распространение генетических типов осадков зависит от климатической, вертикальной и циркумконтинентальной зональностей. За счет процессов диагенеза осадки с течением времени преобразуются в горные породы.

Извержения вулканов . Магматические горные породы возникают из алюмосиликатного расплава – магмы. Разнообразие магматических пород определяется дифференциацией магмы и ее взаимодействием с вмещающими образованиями. Флюидное давление играет большую роль в кристаллизации магмы. Типы вулканических построек и разнообразие извержений зависят от состава магмы, формы подводящего канала и концентрации летучих веществ. Распространение вулканов связано с активными границами литосферных плит.

Контрольные вопросы

1. Какова история образования оболочек Земли?

2. Каков главный метод изучения внутреннего строения Земли?

3. Перечислите основные геосферы.

4. Что такое граница Мохоровичича?

5. Назовите основные фазы образования Земли.

6. Что такое суперконтиненты Пангея I и II?

7. В какие периоды возникла атмосфера Земли?

8. Каковы основные экологические функции литосферы?

9. Какими факторами определяется энергетическая динамика Земли?

10. В чем суть концепции литосферных плит?

5. БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

5.1. Особенности биологического уровня организации материи

Биология (от греч. «биос» – жизнь, «логос» – учение) – наука о живой природе.

Биология изучает живые организмы – вирусы, бактерии, грибы, животных и растения. В настоящее время на Земле описано около 3 млн. ви­дов живых организмов (более 100 тыс. видов грибов, около 500 тыс. видов растений и более 2 млн. видов животных). Однако реальное число видов на Земле в несколько раз больше. Современный видовой состав – это лишь около 5% от видового разнообразия жизни за период ее суще­ствования на Земле.

По изучаемым объектам биологию подразделяют на самостоятельные науки – микробиологию, ботанику, зоологию , включающие частные дисциплины: систематику (изучает разнообразие и родство разных групп живых организмов), морфологию (исследует внешнее строение органов и их видоизменения), анатомию (изучает внутренне строение), физиологию (изучает процессы, протекающие в живых организмах).

По уровню изучения живой материи различают: молекулярную биологию , учение о клетке – цитологию (от греч. «цитос» – клетка), учение о тканях – гистологию (от греч. «гистос» – ткань), науку об органах – анатомию , биологию организмов, популяций, видов и т.д.

Единые закономерности, характерные для всего живого и раскрывающие сущность жизни, ее формы и развитие, составляет предмет общей биологии . Универсальные свойства живого – наследственность и изменчивость изучает генетика . Взаимоотношени­я живых организмов между собой и со средой их обитания изучает экология (от греч. «ойкос» – дом, жилище, местообитание).

Разнообразие используемых методов и подходов химии, физики и математики для исследования живой природы позволяет выделить биохимию, молекулярную биологию, биофизику, генную инженерию (создание организмов с новыми комбинациями наследственных признаков и свойств) и др.

Мир живых существ, включая человека, представлен биологическими системами различной структурной организации и разного уровня соподчинения. Все живые организмы (кроме вирусов) состоят из клеток. Клетки одноклеточных организмов представляют собой целостные, способные выполнять все необходимые для обеспечения жизнедеятельности функции. Клетки многоклеточных организмов специализированы, т.е. могут осуществлять лишь какую-либо одну функцию и не способны само­стоятельно существовать вне организма, взаимосвязь многих клеток приводит к созданию нового ка­чества, не равнозначного простой их сумме. Элементы организма – клетки, ткани и органы – в сумме еще не представляют собой це­лостный организм. Лишь соединение их в исторически сложившийся в процессе эволюции порядок и их взаимодействие образуют целостный организм, способный существовать в окружающей среде в динамическом равновесии с ней.

Происхождение жизни на Земле. Основные теории возник­новения жизни. Креационизм, самопроизвольное зарождение жизни, стационарного состояния, панспермии. Теория биохи­мической эволюции. Теория коацерватов А.И. Опарина: орга­нические вещества могли синтезироваться из более простых со­единений под действием интенсивной солнечной радиации. Ре­шающую роль в превращении неживого в живое сыграли белки. Опыты Стенли Миллера. Природа первых организмов – гетеротрофы. Симбиогенез как возможный путь формирования клет­ки эукариот.

Цитология – наука о клетке. Клетка – система мембран. Впервые название клетка применил Роберт Гук. Одноклеточные организмы открыл Антон Левенгук. Т. Шванн сформулировал клеточную теорию. Карл Бэр открыл яйцеклетку млекопитаю­щих.

Современная клеточная теория:

Клетка – основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого .

Клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по своему строению, химическому со­ставу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену ве­ществ.

Размножение клеток происходит путем их деления и каж­дая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки.

В сложных многоклеточных организмах клетки специали­зированы по выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно связаны между собой и подчинены нервным и гуморальным системам регуляции.

Прокариоты и эукариоты. Особая - неклеточная форма жизни – вирусы.

Оболочка клетки. Многослойная мембрана, состоящая из белков и липидов. Функции: барьер, транспорт – обмен веществ, механическое соединение за счет выростов и каналов. Диффу­зия, осмос, фильтрация, избирательная проницаемость, фагоци­тоз, пиноцитоз. Органоиды – органы клетки и выполняемые ими основные функции.

Химический состав клетки: липиды, углеводы, белки.

Состав и функции белков. Полимеры состоят из многих мономеров – аминокислот. У всех аминокислот есть одинаковая часть, состоящая из аминогруппы и карбоксильной группы другая часть аминокислот разная – называется радикалом. Структура белка: первичная, вторичная, третичная, четвертич­ная.

Нуклеиновые кислоты. ДНК, РНК – полимеры, состоят из нуклеотидов . Состав: азотистое основание, углевод и фосфор­ная кислота. Аденин, гуанин, цитозин, тимин. Удвоение моле­кулы ДНК происходит по принципу комплиментарности.

Обмен веществ. 1) Обеспечение клетки строительным материалом – пластический обмен. 2) Обеспечение клетки энергией – энергетический обмен. Постоянный обмен веществ и энергии. Открытая система

Энергетический обмен (в частности, получение клеткой энергии) происходит за счет расщепления аденозинтрифосфорной кислоты до аденозиндифосфорной кислоты. АТФ по струк­туре относится к нуклеотидам. В ней содержатся остатки азоти­стого основания (аденина), углевода (рибозы) и три остатка фосфорной кислоты. Под действием определенных ферментов она подвергается гидролизу, т.е. присоединяет молекулу воды и расщепляется. Восстановление запаса АТФ идет в две стадии: гликолиз – бескислородное расщепление и дыхание – кислород­ное расщепление. Участвуют многочисленные ферменты. Ос­новное условие нормального течения кислородного процесса – целостность митохондриальных мембран.

Автотрофы и гетеротрофы . Фотосинтез – синтез органиче­ских соединений, идущий за счет энергии солнечного излучения. Световая фаза и темновая фаза. Хемосинтез присутствует у азотфиксирующих и нитрифицирующих бактерий. Окисление аммиака в азотную кислоту. Окисление азотистой кислоты в азотную.

Код ДНК. Отрезок молекулы ДНК , содержащий информацию о первичной структуре одного определенного белка, называется геном. В молекуле ДНК содержится несколько сотен генов. На молекулах ДНК записана и хранится информация о первичной структуре всех белков данной клетки. Транскрипция. Размножение и индивидуальное развитие организмов. Одно из свойств живого – дискретность, то есть на любом уровне организации живая материя представлена элементарными структурными единицами. Для клетки – это органоид и его целостность обуславливается постоянным воспроизведением ноорганоидов вместо износившихся. Каждый организм состоит из клеток. Развитие и существование организма обеспечивается размножением клеток.

Животный мир и мир растений состоят из отдельных единиц – видов . Каждая особь данного вида смертна и существова­ние видов поддерживается размножением организмов. Таким образом, дискретность жизни предполагает ее воспроизводство, т о есть процесс размножения.

Две основные формы размножения – половое и бесполое , половое – смена поколений и развитие организмов при образовании специализированных половых клеток. При бесполом размножении новая особь появляется из неспециализированных теток тела - соматических, неполовых.

При бесполом размножении процесс деления клеток называется митозом. Генотип идентичен материнскому.

Половое размножение дает генетическое преимущество по сравнению с бесполым. Происходят комбинации генов, при­надлежащих обоим родителям. Поскольку рекомбинация генов происходит в каждом поколении, то это дает значительно более богатый материал для эволюции, чем мутационный процесс.

Основное направление эволюции полового размножения – сингамия, т.е. оплодотворение, при котором обязательно слия­ние двух половых клеток, происходящих от разных особей. Та­кой тип полового размножения наилучшим образом обеспечи­вает генетическое разнообразие потомства.

Гаметогенез – развитие половых клеток. В них содержится гаплоидный набор хромосом – в два раза меньше, чем в сомати­ческих клетках. Процесс образования половых клеток – мейоз. Биологическая роль мейоза заключается в поддержании посто­янства хромосомного набора, свойственного данному виду ор­ганизмов. Функции сперматозоида – внесение генетической информа­ции в яйцеклетку и активация ее развития. В яйцеклетке же за­ложены все основные факторы, позволяющие организму разви­ваться. У некоторых животных яйцеклетка может развиваться без оплодотворения – партеногенез. При партеногенезе образуются особи только одного пола – мужского или женского.

Индивидуальное развитие (онтогенез ) – процесс реализа­ции генетической информации, полученной от родителей. Эм­бриональный и постэмбриональный периоды.

Начальные стадии эмбрионального развития.

1) Дробле­ние – многоклеточный зародыш – бластула. Клетки имеют дип­лоидный набор хромосом, одинаковы по строению, т.е. клетки бластулы не дифференцированы.

2) Гаструляция – образуются первые эмбриональные ткани. Происходит дифференциация клеток. Возникают два зародышевых листка – наружный экто­дерма и внутренний – энтодерма. Затем формируется новый за­родышевый листок – мезодерма. Клетки каждого листка отли­чаются особенностями строения. Зародышевые листки занима­ют определенное положение в зародыше и дают начало соот­ветствующим органам.

3) Первичный органогенез – образование комплекса осевых органов зародыша – нервной трубки, хорды, кишечной трубки.

Из одних и тех же зародышевых листков у разных видов образуются одни и те же ткани и органы. Это говорит о гомологичности зародышевых листков, что, в свою очередь, является одним из доказательств единства животного мир.

Постэмбриональный период развития начинается в момент рождения или выхода организма из яйцевых оболочек. Разви­тие может быть прямым или сопровождаться метаморфозом. При прямом развитии из яйцевых оболочек или из тела матери выходит организм небольших размеров, но в нем заложены все основные органы, свойственные взрослому животному (беспозвоночные с неполным превращением, пресмыкающиеся, птицы, млекопитающие). В период постэмбрионального развития происходит значительный рост организма и половое созре­вание.

При развитии с метаморфозом из яйца выходит личинка, подчас не имеющая сходства со взрослым организмом, со спе­циальными личиночными органами, которые отсутствуют во взрослом состоянии. Личинка растет и развивается. Личиноч­ные органы заменяются на органы взрослого организма. Мета­морфоз связан с переменой образа жизни или среды обитания. Значение заключается в том, что личинки могут самостоятельно питаться и растут, накапливая клеточный материал для форми­рования органов, свойственных взрослым животным. Смена жизненных фаз позволяет виду разнообразнее использовать экологические ниши, имеющиеся в биоценозе, а также несет расселительную функцию.

Закон зародышевого сходства Карла Бэра. Появление в эмбриональном периоде развития современных животных при­знаков, свойственных далеким предкам, отражает эволюцион­ные преобразования в строении органов.

Биогенетический закон Мюллера и Геккеля . Онтогенез ка­ ждой особи есть краткое и быстрое повторение филогенеза ви­да, к которому эта особь относится.

А.Н.Северцов установил, что в индивидуальном развитии проявляются признаки не взрослых предков, а их зародышей. Таким образом, основу филогенеза составляют изменения, про­ исходящие в онтогенезе отдельных особей.

Генетика изучает два фундаментальных свойства живых организмов – наследственность и изменчивость . Наследствен­ность – это свойство родителей передавать свои признаки и осо­бенности развития следующему поколению. Обеспечение пре­емственности свойств – лишь одна из сторон наследственности; вторая сторона – обеспечение точной передачи специфического для каждого организма типа развития, становления в ходе он­тогенеза определенных признаков и свойств, определенного ти­па обмена веществ. Клетки, через которые осуществляется пре­емственность поколений, – половые при половом размножении и соматические при бесполом – несут в себе только зачатки возможности развития признаков и свойств. Эти зачатки по­лучили название генов. Ген – это участок молекулы ДНК (или участок хромосомы), определяющий возможность развития отдельного элементарного признака. При наличии в орга­низме (генотипе) какого-либо гена признак, обусловленный этим геном, может и не проявиться. Возможность развития признаков в значительной степени зависит от условий внеш­ней среды. У всех организмов данного вида каждый ген рас­полагается в одном и том же месте (или локусе) строго опре­деленной хромосомы. Гаплоидный и диплоидный набор хро­мосом. Аллельные гены и множественный аллелизм. Генотип и фенотип.

Законы Менделя . Гибридное потомство. Явление преобла­дания у гибрида признака одного из родителей Мендель назвал доминированием. Признак – доминантный. Подавляемый – ре­цессивный. Гомозиготный и гетерозиготный организмы. Не­полное доминирование. Явление расщепления.

Гипотеза чистоты гамет. Анализирующее скрещивание. Сцепленное наследование генов - явление совместного наследо­вания генов, локализованных в одной хромосоме, а локализа­ция генов в одной хромосоме – сцеплением генов.

Генетика определения пола. Хромосомы, одинаковые у обоих полов, называются аутосомами. Половые хромосомы те, по которым мужской и женский полы отличаются друг от друга. Гомогаметный XX. Гетерогаметный ХУ. Наследование, сцепленное с полом.

Методы генетических исследований: гибридологический метод (метод скрещивания); цитогенетический метод; генеало­гический метод; близнецовый метод.

Закономерности изменчивости. Изменчивость – процесс, отражающий взаимосвязь организма с внешней средой (генотипическая и модификационная). Наследственные измене­ ния – мутации. Изменения, вызванные факторами внешней сре­ды, не являются наследственными. Степень варьирования при­знака называется нормой реакции. Гомологические ряды Вави­лова.

Развитие биологии в додарвиновский период. Истоки эволюционного учения - воззрения натурфилосо­фов Древней Греции.

Основные знания об окружающем нас мире получены в пе­риод начиная с эпохи Возрождения до настоящего времени. Эпоха Возрождения – представление об абсолютной неизменяе­мости природы. Вершиной искусственной систематики явилась система К. Линнея в середине XVIII века. Ученый-метафизик XVIII в. Ж. Кювье – виды животных созданы Творцом и оста­ются неизменными.

Первая теория эволюционного развития органического мира создана в конце XVIII – начале XIX веков Ж.-Б. Ламарком. Эволюционное учение Ламарка строится на признании из­менчивости организмов вследствие влияния внешней среды и наследования приобретенных признаков.

К. Рулье (русский ученый) – середина XIX века – считал, что по общему закону природы все организмы образуются пу­тем медленных и постоянных изменений. Крупнейший русский эмбриолог YIX века К. Бэр обосновал закон зародышевого сходства. Во второй четверти XIX века М. Шлейден и Т. Шванн соз­дали клеточную теорию – научное обоснование единства жи­вотного мира.

Основные идеи эволюционного учения Дарвина:

Учение о естественном отборе. Каждый вид организмов стремится к безграничному размножению, но огромная часть организмов гибнет, не оставив потомства. Причины гибели - конкуренция с представителями своего же вида за корм, напа­дение врагов, действие неблагоприятных абиотических факторов. Следует второй вывод: в природе происходит непрерывная борьба за существование. Дарвин выделил 3 формы борьбы за существование: а) внутривидовую; б) межвидовую; в) борьбу с неживой природой - неблагоприятными условиями. В природе происходят процессы избирательного уничтожения одних особей и преимущественного размножения других, это явление Ч. Дарвин назвал естественным отбором или выживанием наи­ более приспособленных.

При изменении условий внешней среды меняется направ­ление давления отбора и полезными для выживания оказыва­ются какие-то иные признаки по сравнению с существующими. Движущей силой изменения видов, т.е. эволюции, является есте­ственный отбор. Материалом для отбора служит наследствен­ ная изменчивость .

В основе эволюционной теории Ч. Дарвина лежит пред­ ставление о виде . Видом называется совокупность особей, сход­ных по строению, имеющих общее происхождение, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство

Одна из важнейших характеристик вида – его репродуктив­ная изоляция. Реально вид существует в виде популяций. Попул яция является элементарной единицей эволюции.

Учение о микроэволюции составляет ядро современного дарвинизма.. Микроэволюция – процесс, идущий на уровне популяций. Образование нового вида – это итог микроэволюции.

В микроэволюционном процессе выделяются элементар­ные единицы, явления и процессы. Элементарная эволюционная единица – популяция , элементарный эволюционный материал – наследственная изменчивость, элементарные факторы эволюции: а) мутационный процесс; б) популяционные волны (волны сизни); в) изоляция; г) естественный отбор.

Мутационный процесс ведет к изменению частот отдельных аллелей (генов) в популяции и является поставщиком нового материала в популяцию. Поддерживая высокую степень генетического разнообразия популяций, он создает основу для действия естественного отбора. Многие мутации оказываются федными. Обезвреживание мутаций происходит в результате толового процесса. Безграничная изменчивость была бы вредна, но выработаны механизмы, не только увеличивающие изменчивость, но и понижающие ее.

Популяционные волны или колебание численности популяций. Действие волн жизни предполагает неизбирательное случайное уничтожение особей, благодаря чему редкий перед началом волны аллель может сделаться обычным и быть под­хвачен естественным отбором. Влияние популяционных волн может быть особенно заметно в популяциях малой величины. Волны жизни – поставщики эволюционного материала.

Изоляция. Изоляция – возникновение любых барьеров, ограничивающих панмиксию. Изоляция закрепляет и усили­вает начальные стадии генетической дифференцировки, без этого закрепления невозможно формообразование (видо­образование). Важная характеристика – длительность изоля­ции. В природе существуют: пространственная и биологиче­ская изоляции (биотопическая, этологическая, морфофизиологическая).

Естественный отбор – это единственный направленный эволюционный фактор, движущая сила эволюции. Предпосыл­ки естественного отбора: гетерогенность особей, прогрессия размножения и давление жизни. Во всех случаях избыточная численность и экологическая предпосылка естественного отбо­ра – борьба за существование. Объект отбора – особи или груп­пы особей. В пределах популяции отбираются, то есть преиму­щественно оставляют потомство особи, обладающие какими-либо преимуществами перед другими, т.е. в процессе естествен­ного отбора важно дифференциальное размножение особей. С позиций генетики под естественным отбором нужно пони­ мать избирательное воспроизведение разных генотипов. Глав­ ное значение в эволюции имеет не само выживание особей, а их вклад в генофонд популяции.

Существует важное ограничение сферы действия отбора. Он не может изменить организацию вида без пользы для этого вида. Однако отбор часто ведет к созданию признаков и свойств, невыгодных для отдельной особи и полезных для попу­ляции в целом (жало пчелы). Естественный отбор доказан экс­периментально.

Основные формы естественного отбора в популяциях.

1. Стабилизирующий отбор . Это форма естественного отбора, направленного на поддержание в популяциях среднего, ранее сложившегося, значения, признака. Действует до тех пор, пока условия жизни существенно не меняются.

2. Движущий отбор . Движущей (или направленной) фор­мой отбора принято называть отбор, способствующий сдвигу среднего значения признака или свойства. Такой отбор способ­ствует закреплению новой нормы взамен старой, пришедшей в соответствие с изменяющимися условиями.

3. Дизруптивный отбор . Дизруптивный отбор направлен против особей со средним и промежуточным характером при­знаков и ведет к установлению полиморфизма в пределах попу­ляций. Популяция как бы разрывается по данному признаку на несколько групп.

Другие, более частные формы отбора: половой, индивидуальный, групповой.

Результат действия естественного отбора – возникновение адаптации или приспособлений, например, таких как покрови­тельственная окраска, мимикрия, предостерегающая окраска, различные средства защиты у растений и животных.

Целесообразность живой природы – результат исторического развития видов в определенных условиях. Поэтому она всегда относительна и имеет временный характер. Ни один из приспособительных признаков не обеспечивает абсолютной безопасности. Любые приспособления целесообразны только в обычной для вида обстановке. При изменении условий среды они оказываются бесполезными или даже вредными (резцы грызунов).

Преадаптации. В некоторых случаях у животных оказыва­ются развитыми те органы или структуры, которые могут оказаться полезными для освоения новой среды обитания. Такие явления носят названия предадаптаций.

Видообразование – источник возникновения многообразия в живой природе. Видообразование – это разделение прежде единого вида на два или несколько. Основные пути и способы видообразования – аллопатрическое (географическое) и симпатрическое.

Макроэволюция. Под ней понимается эволюция организ­мов выше видового уровня. Гранью между микро- и макроэво­люцией является этап формирования видов, видообразование. После образования вида единство и непрерывность эволюцион­ного процесса не нарушается. На фоне непрерывно текущего микроэволюционного процесса при видообразовании происхо­дят макроэволюционные значимые события. Одним из таких наиболее общих макроэволюционных событий может рассмат­риваться возникновение сложной системы форм родственных организмов, полностью биологически изолированных и обра­зующих иерархическую систему таксонов:

вид - род – семейство - отряд - класс и т.д.

Макроэволюционные процессы. Филогенез – или эволюция крупных систематических групп (выше видового).

Первичные формы филогенеза:

1. Филетическая эволюция – процесс изменения исходного вида. В процессе филетической эволюции получается филетическое древо. В отличие от микро­
эволюционного процесса филетическая эволюция необратима.
2. Дивергенция. Это другая первичная форма эволюции таксона (вида). В результате изменения направления отбора в разных условия происходит дивергенция (расхождение) ветвей древа жизни от единого ствола предков. Процессы дивергенции в макроэволюции необратимы.

Более частные макроэволюционные процессы – конверген ция и параллелизм. Конвергенция или возникновение различ­ных признаков в систематически далеких, неродственных груп­пах (крыло бабочки и летучей мыши). Параллелизм - формиро­вание сходного фенотипического облика у первоначально ра­зошедшихся (дивергировавших), но родственных групп.

Направления эволюции . Арогенез – переход эволюциони­рующей группы в новую адаптивную зону (крыло птицы, кистеперость рыб и т.д.). Аллогенез (идеоадаптации) - эволюция группы внутри одной адаптивной зоны.

Правила эволюции: необратимости эволюции - организм не может вернуться к прежнему состоянию; правило прогресси­рующей специализации – эволюционирующая группа идет по пути все более глубокой специализации; правило происхождения от неспециализированных предков – новые крупные группы берут начало от сравнительно неспециализированных предков; правило адаптивной радиации - эволюция любой группы со­провождается разделением ее на ряд филогенетических стволов, которые расходятся в разных адаптивных направлениях от не­кого исходного среднего состояния.

Современные проблемы эволюционного учения . Ней­тральная эволюция или постепенная эволюции за счет накопле­ния молекулярных изменений (мутаций), дрейфа генов и других процессов.

Монофилия и полифилия различных таксономических групп. Сетчатая эволюция - происхождение таксонов гибридогенным путем и один из возможных механизмов полифилитического происхождения некоторых групп. Гипотеза симбиогенеза и полифилитическое происхождение типов и царств природы.

Проблемы эволюции экосистем . Устойчивость экосистем и преобладание в ненарушенных экосистемах стабилизирующего отбора. Сильная взаимосвязь видов в экосистемах порождает их одновременную или сопряженную эволюцию (коэволюцию) при глобальных изменениях на Земле.

5.1.1. Уровни организации живой материи

Уровень организации живой материи – это функциональное место биологической структуры определенной степени сложности в общей иерар­хии живого. Выделяют следующие уровни организации живой материи:

1. Молекулярный (молекулярно-генетический). На этом уровне живая материя организуется в сложные высокомолекулярные органические соединения, такие, как белки, нуклеиновые кис­лоты и др.

2. Субклеточный (надмолекулярный). На этом уровне живая материя организуется в органоиды: хромосомы, клеточную мембрану, эндоплазматическую сеть, митохондрии, комплекс Гольджи, лизосомы, рибосомы и другие субклеточные струк­туры.

3. Клеточный . На этом уровне живая материя представлена клетками. Клетка является элементарной структурной и функциональной единицей живого.

4. Органно-тканевой . На этом уровне живая материя организуется в ткани и органы. Ткань – совокупность клеток, сходных по строению и функциям, а также связанных с ними межклеточных веществ. Орган – часть многоклеточного организ­ма, выполняющая определенную функцию или функции.

5. Организменный (онтогенетический). На этом уровне живая материя представлена организмами. Организм (особь, индивид) – неделимая единица жизни, ее реальный носитель, характеризующийся всеми ее признаками.

6. Популяционно-видовой . На этом уровне живая материя организуется в популяции. Популяция – совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему, которая длительно существует в определенной части ареала относительно обособленно от других совокупностей того же вида. Вид – совокупность особей (популяций особей), способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимающих в природе определенную область (ареал).

7. Биоценотический . На этом уровне живая материя образует биоценозы. Биоценоз – совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.

8. Биогеоценотический . На этом уровне живая материя формирует биогеоценозы. Биогеоценоз – совокупность биоценоза и абиотических факторов среды обитания (климат, почва).

9. Биосферный . На этом уровне живая материя формирует биосферу. Биосфера – оболочка Земли, преобразованная деятельностью живых организмов.

Предсказать свойства каждого следующего уровня на основе свойств предыдущих уровней невозможно так же, как нельзя предсказать свойства воды, исходя из свойств кислорода и водорода. Такое явление носит название эмерджментность, то есть наличие у системы особых, качественно новых свойств, не присущих сумме свойств ее отдельных элементов. С другой стороны, знание особенностей отдельных составляющих системы значительно облегчает ее изучение.

5.1.2. Свойства живых систем

М. В. Волькенштейном предложено следующее определение жизни: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».

Однако до сих пор общепризнанного определения понятия «жизнь» не существует. Но можно выделить признаки (свойства) живой материи , отличающие ее от неживой.

1. Определенный химический состав . Живые организмы состоят из тех же химических элементов, что и объекты неживой природы, однако соотношение этих элементов различно. Макроэлементами живых существ являются углерод С, кислород О, азот N и водород Н (в сумме около 98% состава живых организмов), а также кальций Са, калий К, магний Мg, фосфор Р, сера S, натрий Nа, хлор Сl, железо Fе (в сумме около 1–2%). Химические элементы, которые входят в состав живых организмов и при этом выполняют биологические функции, называются биогенными. Даже те из них, которые содержатся в клетках в ничтожно малых количествах (марганец Mn, кобальт Со, цинк Zn, медь Сu, бор В, иод I, фтор F и др.; их суммарное содержание в живом веществе составляет порядка 0,1 %), ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни. Химические элементы входят в состав клеток в виде ионов и молекул неорганических и органических веществ. Важнейшие неорганические вещества в клетке – вода (75–85 % от сырой массы живых организмов) и минеральные соли (1–1,5 %), важнейшие органические вещества – углеводы (0,2–2,0 %), липиды (1–5 %), белки (10–15 %) и нуклеиновые кислоты (1–2 %).

2. Клеточное строение. Все живые организмы, кроме вирусов, имеют клеточное строение.

3. Обмен веществ (метаболизм) и энергозависимость . Живые организмы являются открытыми системами, они зависят от поступ­ления в них из внешней среды веществ и энергии. Живые существа способны использовать два вида энергии – световую и химическую , и поэтому признаку делятся на две группы: фототрофы (организмы, использующие для биосинтеза световую энергию – расте­ния, цианобактерии) и хемотрофы (организмы, использующие для биосинтеза энергию химических реакций окисления неорганических соединений – нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии и др.). В зависимости от источников углерода живые организмы делят на: автотрофы (организмы, способные создавать органические вещества из неорганических – растения, цианобактерии), гетеротрофы (организмы, использующие в качестве источника углерода органические соединения – животные, грибы и большинство бактерий) и миксотрофы (организмы, которые могут, как синтезировать органические вещества из неорганических, так и питаться готовыми органическими соединениями (насекомоядные растения, представители отдела эвгленовых водорослей и др.).

Пищевые вещества, попавшие в организм, вовлекаются в процессы метаболизма – обмена веществ. Выделяют две составные части метаболизма – катаболизм и анаболизм.

Катаболизм (энергетический обмен, диссимиляция) – совокупность реакций, приводящих к образованию простых веществ из более сложных (гидролиз полимеров до мономеров и расщепление последних до низкомолекулярных соединений углекислого газа, воды, аммиака и др. веществ). Катаболические реакции идут обычно с высвобождением энергии. Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме высокоэнергетических соединений, как правило, в форме – аденозинтрифосфата (АТФ) . Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования , т.е. присоединения неорганического фосфата к АДФ. Катаболизм делится на несколько этапов:

1) подготовительный этап (расщепление сложных углеводов до простых – глюкозы, жиров до жирных кислот и глицерина, белков до аминокислот);

2) бескислородный этап дыхания – гликолиз , в результате глюкоза расщепляется до ПВК (пировиноградной кислоты); в итоге образуется 2АТФ (из 1 моль глюкозы). У анаэробов или у аэробов при его недостатке кислорода протекает брожение.

3) кислородный этап – дыхание – полное окисление ПВК осуществляется в митохондриях эукариот в присутствии кислорода и включает две стадии: цепь последовательных реакций – цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот) и цикл переноса электронов ; в итоге образуется 36АТФ (из 1 моль глюкозы).

Анаболизм (пластический обмен, ассимиляция) – понятие, противоположное катаболизму: совокупность реакций синте­за сложных веществ из более простых (образование углеводов из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза, реакции матричного синтеза). Для протекания анаболических реакций требуются затраты энергии. Наиболее важным метаболическим процессом пластического обмена является фотосинтез (фотоавтотрофия) – синтез органических со­единений из неорганических за счет энергии света.

Процессы пластического и энергетического обмена неразрывно связаны между собой. Все синтетические (анаболические) процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления (катаболизма) протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции.

4. Саморегуляция (гомеостаз). Живые организмы обладают способностью поддерживать гомеостаз – постоянство своего химического состава и интенсивность обменных процессов.

5. Раздражимость. Живые организмы проявляют раздражимость, то есть способность отвечать на определенные внешние воздействия специфическими реакциями. Реакция многоклеточных животных на раздражение осуществлявляется с участием нервной системы – рефлекс. Реакция на раздражение у простейших животных называется – таксис , выражающийся в изменении характера и направления движения. По отношению к раздражителю выделяют фототаксис – движение под воздействием источника света, хемотаксис – перемещение организма в зависимости от концентрации химических веществ и др. Выделяют положительный или отрицательный таксис в зависимости от того, действует раздражитель на организм позитивно или негативно. Реакция на раздражение у растений – тропиз , выражающийся в определенный характер роста. Так, гелиотропизм (от греч. «Гелиос» – Солнце) означает рост наземных частей растений (стебля, листьев) по направлению к Солнцу, а геотропизм (от греч. «Гея» – Земля) – рост подземных частей (корней) по направлению к центру Земли.

6. Наследственность. Живые организмы способны переда­вать неизменными признаки и свойства из поколения в поколение с помощью носителей информации – молекул ДНК и РНК.

7. Изменчивость. Живые организмы способны приобретать новые признаки и свойства. Изменчивость создает разнообразный исходный материал для естественного отбора, т.е. отбора наиболее приспособленных особей к конкретным условиям существования в природных условиях, что в свою очередь приводит к появлению новых форм жизни, новых видов организмов.

8. Самовоспроизведение (размножение). Живые организмы способны размножаться – воспроизводить себе подоб­ных. Благодаря размножению осуществляются смена и преемственность поколений. Принято различать два основных типа размножения:

- Бесполое размножение (участвует одна особь) наиболее широко распространено среди прокариот, грибов и растений, но встречаются и у различных видов животных. Основные формы бесполого размножения: деление, спорообразование, почкование, фрагментация, вегетативное размножение и клонирование (клон – генетическая копия одной особи).

- Половое размножение (обычно осуществляется двумя особями) характерно для подавляющего большинства живых организмов и имеет огромное биол. значение. Вся совокупность явлений, связанных с половым размножением, складывается из 4 основных процессов: образование половых клеток – гамет (гаметогенез); оплодотворение (сингамия – слияние гамет и их ядер) и образование зиготы; эмбиогенез (дробление зиготы и формирование зародыша); дальнейший рост и развитие организма в послезародышевый (постэмбриональный) период. Биологическое значение полового размножения заключается не только в самовоспроизведении особей, но и в обеспечении биологического разнообразия видов, их адаптивных возможностей и эволюционных перспектив. Это позволяет считать половое размножение биологически, более прогрессивным, чем бесполое. Половое размножение осуществляется с помощью специализированных половых клеток – гамет, имеющих вдвое меньшим числом хромосом, чем соматические клетки. Женские гаметы называют яйцеклетками, мужские – сперматозоидами. Для некоторых групп организмов характерны так называемые нерегулярные типы полового размножения: партеногенез (развитие зародыша из неоплодотворенной яйцеклетки – пчелы, муравьи, термиты, тля, дафнии), апомиксис (развитие зародыша из клеток зародышевого мешка или неоплодотворенной яйцеклетки у цветковых растений) и др.

9. Индивидуальное развитие (онтогенез). Каждой особи свойственен онтогенез – индивидуальное развитие организма от зарождения до конца жизни (смерти или нового деления). Развитие сопровождается ростом.

10. Эволюционное развитие (филогенез). Живой материи в целом свойственен филогенез – историческое развитие жизни на Земле с момента ее появления до настоящего времени.

11. Адаптации. Живые организмы способны адаптироваться, то есть приспосабливаться к условиям окружающей среды.

12. Ритмичность. Живые организмы проявляют ритмичность жизнедеятельности (суточную, сезонную и др.).

13. Целостность и дискретность. С одной стороны, вся живая материя целостна, определенным образом организована и подчиняется общим законам; с другой стороны, любая биологическая система состоит из обособленных, хотя и взаимосвязанных элементов. Любой организм или иная биологическая система (вид, биоценоз и др.) состоит из отдельных изолированных, т.е. обособленных или отграниченных в пространстве, но, тем не менее, тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство.

14. Иерархичность. Начиная от биополимеров (белков и нук­леиновых кислот) и заканчивая биосферой в целом, все живое находится в определенной соподчиненности. Функциони­рование биологических систем на менее сложном уровне делает возможным существование более сложного уровня.