Тема 2. Физическое моделирование и описание природных явлений и фундаментальных взаимодействий.

1. Особенности физического описания реальности.

2. Физическая Вселенная: современная космология.

1 Вопрос. Особенности физического описания реальности.

Познавая окружающий мир, человек создает в своем сознании его определенную модель — картину мира. На каждом этапе своего развития человечество по-разному представляет себе мир, в котором оно живет. Поэтому в истории человечества существовали различные картины мира: мифологическая, религиозная, научная и др. Кроме того, как уже было отмечено, каждая отдельная наука также может формировать собственную картину мира (физическую, химическую, биологическую и др.).

Поэтому, начиная разговор о наиболее важных и значимых научных концепциях в современном естествознании, мы начнем его с физики и картины мира, созданной этой наукой.

Физика — это наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности природы, свойства и строение материи и законы ее движения. В любом явлении физика ищет то, что объединяет его со всеми другими явлениями природы. Поэтому понятия и законы физики фундаментальны, т.е. являются основополагающими для всего естествознания.

Понятие “физическая картина мира “ употребляется в естествознании давно, но лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только как итог развития физического знания, но и как особый самостоятельный вид знания — самое общее теоретическое знание в физике, система понятий, принципов и гипотез, служащих исходной основой для построения теорий. Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой стороны, вводит в физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы, которых до этого не было и которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания. Иными словами, физическая картина мира рассматривается как физическая модель природы, включающая в себя фундаментальные физические и философские идеи, физические теории, наиболее общие понятия, принципы и методы познания, соответствующие определенному историческому этапу развития физики.

Развитие самой физики непосредственно связано с физической картиной мира, поскольку представляет собой процесс становления и смены различных ее типов.

Весь окружающий нас мир представляет собой движущуюся материю в её бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми её свойствами, связями и отношениями. Рассмотрим подробнее, что же такое материя, а так же ее структурные уровни.

Что такое материя? История возникновения взгляда на материю.

Материя – это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. Материя включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые в принципе могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдения и эксперимента.

Согласно современной естественно-научной картине мира все природные объекты также представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Исходя из системного подхода к природе вся материя делится на два больших класса материальных систем — неживую и живую природу. В системе неживой природы структурными элементами являются: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, метагалактики и Вселенная в целом. Соответственно в живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка, одноклеточные и многоклеточные организмы, органы и ткани, популяции, биоценозы, живое вещество планеты.

В то же время как неживая, так и живая материя включают в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Структура — это совокупность связей между элементами системы. Поэтому любая система состоит не только из подсистем и элементов, но и из разнообразных связей между ними. Внутри этих уровней главными являются горизонтальные (координационные) связи, а между уровнями — вертикальные (субординационные). Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселенной, в которой основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с человеком. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни — от бесконечности до 10-24 с.

Макромир — мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир — это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро - и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

На микроскопическом уровне физика сегодня занимается изучением процессов, разыгрывающихся на длинах порядка 10 в минус восемнадцатой степени см., за время - порядка 10 в минус двадцать второй степени с. В мегамире ученые с помощью приборов фиксируют объекты, удаленные от нас на расстоянии около 9-12 млрд. световых лет.

Микромир

Приставка «микро» означает отношение к очень малым размерам. Таким образом, можно сказать, что микромир – это что-то небольшое. В философии в качестве микромира изучается человек, а в физике, концепции современного естествознания в качестве микромира изучаются молекулы.

По мере возрастания размеров микромир имеет следующую структуру: вакуум, элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, клетки

Вакуум.

По представлениям современной науки, вакуум — это отнюдь не пустота или "отсутствие всякого присутствия". Вакуум представляет собой физический объект, в котором непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц (материализованные порции энергии). Вакуум является динамической системой, обладающей какой-то энергией, которая все время перераспределяется между виртуальными (воображаемыми) частицами.

Элементарные частицы.

По современным представлениям, все элементарные частицы являются наименьшими "кирпичиками", из которых создан окружающий мир. Однако это не означает, что их свойства просты. Для описания поведения элементарных частиц используют наиболее сложные физические теории, представляющие синтез теории относительности и квантовой теории.

Все известные элементарные частицы подразделяются на две группы: адроны и лептоны. Предполагается, что адроны имеют составное строение: состоят из истинно элементарных частиц-кварков. И причем допускается существование шести типов кварков.

Стабильными, т. е. живущими в свободном состоянии неограниченно долго, частицами являются протон, электрон, фотон .Время жизни протона составляет 1031 лет. Самыми короткоживущими образованиями являются резонансы — их время жизни порядка 10-23 с. В самой природе короткоживущие элементарные образования могут играть роль при самых экстремальных условиях существования вещества и поля, например: в "начальных" стадиях эволюции Вселенной, при образовании таких астрофизических объектов, как "черные дыры", в формировании сердцевины нейтронных звезд.

Ядра.

Атомные ядра — это связанные системы протонов и нейтронов. Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных протонов и нейтронов, составляющих ядро.

Ядро как квантовая система может находиться в различных дискретных возбужденных состояниях. В основном состояния ядра могут быть стабильными (устойчивыми) и нестабильными (радиоактивными).

Атомы.

Они состоят из плотного ядра и электронных орбит. Ядра имеют положительный электрический заряд .В целом атом электронейтрален. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов.

Молекулы.

Не всякие атомы способны соединяться друг с другом. Связь возможна в том случае, если совместная орбита целиком заполнена электронами. Такое образование называют молекулой. Молекула есть наименьшая структурная единица сложного химического соединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет миллионы. Качественно молекула — это определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного химического взаимодействия объединены в частицы. Поскольку электроны в молекулах обобществлены, атомы теряют свою индивидуальность. При затрате определенной энергии устойчивая молекула может быть разложена на атомы.

Клетка.

За 3 млрд лет существования на нашей планете живое вещество развилось в несколько миллионов видов, но все они — от бактерий до высших животных — состоят из клеток. Клетка — это организованная часть живой материи: она усваивает пищу, способна существовать и расти, может разделиться на две, каждая из которых содержит генетический материал, идентичный исходной клетке. Клетки служат элементарными структурами на онтогенетическом уровне организации жизни. Клетка состоит из ядра и цитоплазмы .От окружающей среды клетка отделена плазматической мембраной, которая регулирует обмен между внутренней и внешней средой и служит границей клетки. В каждой клетке содержится генетический материал в форме ДНК, регулирующей жизнедеятельность и самовоспроизведение. Размеры клеток измеряются в микрометрах (мкм) — миллионных долях метра и нанометрах (нм) — миллиардных долях. Клетки отличаются своими размерами, формой. В клетках имеются органеллы, выполняющие свой набор функций.

Макромир

Макромир — это мир, в котором мы живем. Это мир окружающих нас предметов. Он включает в себя все от микроорганизмов до складок земной коры.

Естественно, есть объекты, которые по своим размерам гораздо больше объектов микромира. Эти объекты и составляют макромир. Макромир «населяют» только те объекты, которые по своим размерам соизмеримы с размерами человека. К объектам макромира можно отнести и самого человека. И, что естественно, человек является самой главной составляющей макромира.

Макромир имеет следующую структуру: вещество, индивид, вид, популяция, сообщество, биосфера.

Макротела (вещество).

При определенных условиях однотипные атомы и молекулы могут собираться в огромные совокупности — макроскопические тела (вещество). Вещество — вид материи; то, из чего состоит весь окружающий мир. Вещества состоят из мельчайших частиц — атомов, молекул, ионов, элементарных частиц, имеющих массу и находящихся в постоянном движении и взаимодействии. Существует огромное множество веществ, различных по составу и свойствам. Каждый день ученые-химики осуществляют синтез новых соединений, и к настоящему времени зарегистрировано более 10 млн различных веществ, среди которых большую долю составляют вещества, полученные искусственно. Вещества делятся на простые, сложные, чистые, неорганические и органические. Свойства веществ можно объяснить и предсказать на основе их состава и строения.

Вещество простое состоит из частиц (атомов или молекул), образованных атомами одного химического элемента. Например, H2 (кислород), H3 (озон), S (сера), Ne (неон) — простые вещества.

Вещество сложное состоит из частиц, образованных атомами различных химических элементов. Например, H2S04 (серная кислота); FeS (сульфид железа); СН4 (метан) — сложные вещества.

Вещество чистое — вещество, состоящее из одинаковых частиц (молекул, атомов, ионов), обладающее определенными специфическими свойствами. Для очистки веществ от примесей используют различные методы: перекристаллизацию, дистилляцию, фильтрование.

?

Вещества неорганические —

это химические соединения, образуемые всеми химическими элементами (кроме соединений углерода, относящихся к органическим веществам).

Основу живых веществ составляют только шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%. Остальные 12 элементов являются физиологически важными компонентами биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, алюминий, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, весовая доля которых составляет 1,6%.

Вещества органические —

это соединения углерода с некоторыми другими элементами: водородом, кислородом, азотом, серой. Из соединений углерода к органическим не относятся оксиды углерода, угольная кислота и ее соли, являющиеся неорганическими соединениями.. Органические вещества обладают рядом свойств, отличающих их от неорганических веществ: они неустойчивы к действию высоких температур; реакции с их участием протекают медленно и требуют особых условий. К органическим соединениям относятся нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, липиды, гормоны, витамины и многие другие вещества, играющие основную роль в построении и жизнедеятельности растительных и животных организмов. Пища, топливо, многие лекарства, одежда — все это состоит из органических веществ. В настоящее время известно более 10 млн органических соединений, имеющих природное происхождение, а кроме того, буквально ежедневно в мире производится искусственный синтез органических веществ, для многих из которых пока не найдена область практического применения.

Индивид.

Жизнь всегда представлена в виде дискретных индивидуумов. Это в равной мере присуще микроорганизмам, растениям, грибам и животным, хотя в указанных царствах индивиды имеют различное морфологическое содержание. Так, одноклеточные состоят из ядра, цитоплазмы, множества органелл и мембран, макромолекул и т. д. Сложность индивидуума у многоклеточных во много раз выше, поскольку он образован из миллионов и миллиардов клеток. Но одноклеточная и многоклеточная особи обладают системной организацией и регуляцией и выступают как единое целое. Индивид (индивидуум, особь) — элементарная неделимая единица жизни на Земле. Разделить индивид на части без потери "индивидуальности" невозможно. Конечно, в ряде случаев вопрос об определении границ индивида, особи не столь прост и самоочевиден. С эволюционной точки зрения индивидуумом следует считать все морфофизиологические единицы, происходящие от одной зиготы, гаметы, споры, почки и индивидуально подлежащие действию элементарных факторов. На онтогенетическом уровне единицей жизни служит индивид с момента ее возникновения до смерти. Через оценку индивидуума в процессе естественного отбора происходит проверка жизнеспособности данного генотипа. Индивиды в природе не абсолютно изолированы друг от друга, а объединены более высоким рангом биологической организации на популяционно-видовом уровне.

Вид

Вид — это группа скрещивающихся между собой организмов, которые не могут скрещиваться с представителями других таких групп. На Земле существует 500 тыс. видов растений и 1,5 млн видов животных, в том числе позвоночных — 70 тыс., птиц — 16 тыс., млекопитающих — 12 540 видов.

Сущность биологической концепции вида заключается в признании того, что виды реальны, состоят из популяций, а все особи вида имеют общую генетическую программу, которая возникла в ходе предшествующей эволюции. Виды определяются не столько различиями, сколько обособленностью. Из биологической концепции вида вытекают критерии, позволяющие отличать один вид от другого: 1. Морфологический критерий вида есть характеристика особенностей строения, совокупность его признаков. 2. Генетический критерий утверждает, что каждый вид имеет свойственный ему набор хромосом, характеризующийся определенным числом хромосом, их структурой и дифференциальной окраской. 3. Эколого-географический критерий вида включает как ареал обитания, так и непосредственную среду обитания вида — его экологическую нишу. 4. К важнейшей характеристике вида, размножающегося половым путем, относится репродуктивная изоляция. Он является результатом эволюции всей генетической системы данного вида и охраняет его от проникновения генетической информации извне. Итак, каждый критерий в отдельности недостаточен для определения вида, только в совокупности они позволяют точно выяснить видовую принадлежность живого организма. Наиболее существенной характеристикой вида является то, что он представляет собой генетически единую систему.

Таким образом, вид — совокупность географически и экологически близких популяций, способных в природных условиях скрещиваться между собой, имеющих единый генетический фонд, обладающих общими морфофизиологическими признаками, биологически изолированных от популяций других видов.