- •Смоленский институт бизнеса и предпринимательства
- •Тема 1.3. Физика как целое
- •Тема 2.4. Основные концепции и перспективы биологии
- •... Различие между гуманитарными и естественными науками, столь резкое в средние века, ныне не принципиально, а, скоре, стадиально
- •Этапы развития естественно-научного мышления. История естествознания
- •Развитие физико-химической биологии
- •Панорама современного естествознания и его незавершенность.
- •Литература
- •Раздел 1. Физика глазами гуманитария: образы физики Пространство, время и материя в контексте культуры
- •Литература
- •Тема 1.1. Физика необходимого Мир дискретных объектов - физика частиц
- •Состояние физической системы и его изменение со временем
- •Импульс, энергия и момент системы как меры движения
- •Мир непрерывных объектов - физика полей (континуум)
- •Сплошная среда и упругие волны
- •Взаимодействие: концепции близкодействия и дальнодействия
- •Электромагнитное поле и электромагнитные волны
- •Интерференция, дифракция и поляризация света
- •Литература
- •Тема 1.2. Физика возможного Мир микрообъектов - квантовая физика
- •Атомы, молекулы, кристаллы
- •Периодический закон Менделеева
- •Квантовые переходы и излучение
- •Атомы и молекулы
- •Мир реальных макрообъектов - статистическая физика
- •Тепловое равновесие и флуктуации. Неравновесные состояния и релаксация
- •Тепловая физика: от Карно к Гиббсу
- •Энергия, температура, энтропия
- •Ближний и дальний порядки в природе
- •Микропорядок и макропорядок. Ближний и дальний порядок
- •Фазовые переходы и симметрия
- •Необратимость - неустранимое свойство реальности. Стрела времени
- •Литература
- •Тема 1.3. Физика как целое Иерархия структур природы
- •Микромир
- •Физический вакуум как реальность
- •Макромир
- •Мегамир Звезды. Галактики. Вселенная
- •Вариационные принципы
- •Принцип дополнительности
- •Принципы симметрии и законы сохранения
- •Литература
- •Тема 1.4. От физики существующего к физике возникающего Современная физическая картина мира
- •Креативная роль физического вакуума
- •Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария и антропный принцип
- •Происхождение галактик и Солнечной системы
- •Земля: происхождение и динамика геосфер
- •Роль живых организмов в эволюции Земли
- •Литература
- •Раздел 2. Жизнь От атомов к протожизни. Неорганические и органические соединения и их многообразие
- •Кислоты, основания, соли
- •Химия жизни
- •Особенности биологической формы организации материи. Молекулы живых систем
- •Матричный синтез. Информационные макромолекулы
- •Тема 2.1. Живые системы
- •Принципы взаимодействия организма и среды обитания
- •Принципы воспроизводства и развития живых систем
- •Клеточное строение организмов. Принципы структурной организации и регуляции метаболизма
- •Жизненный цикл клетки
- •Единство и многообразие клеточных типов
- •Дифференциация и интеграция функций в организме
- •Размножение и развитие организмов
- •Смерть и ее биологический смысл
- •Многообразие биологических видов — основа организации и устойчивости биосферы
- •Принципы систематики и таксономии
- •Планы строения и принципы функционирования представителей основных таксонов
- •Эволюционное и индивидуальное развитие. Онтогенез и филогенез
- •Генетика и эволюция
- •Литература
- •Тема 2.2. Человек: организм и личность
- •Положение человека в царстве животных
- •Отличительные особенности человека
- •Мозг и высшая нервная деятельность
- •Природа агрессии
- •Природа наслаждений
- •Биосоциальные основы поведения
- •Половое поведение человека
- •Происхождение человека
- •Этапы антропогенеза
- •Биологические предпосылки и факторы антропогенеза
- •Проблемы цефализации
- •Биосоциальная природа человека
- •Экология и здоровье. Биополитика
- •Литература
- •Тема 2.3. Биосфера и цивилизация
- •Круговороты вещества и энергии
- •Биосфера
- •Эволюция биосферы
- •Ресурсы биосферы
- •Пределы устойчивости биосферы
- •Биопродуктивность биосферы
- •Ресурсы биосферы и демографические проблемы
- •Антропогенные воздействия на биосферу
- •Экологический кризис и пути его преодоления
- •Принципы рационального природопользования
- •Охрана природы
- •Экология человека
- •Социальная экология
- •Антропоцентризм, биоцентризм и решение социальных проблем
- •Пути развития экономики, не разрушающей природу
- •Экологическое право
- •Что мы можем сделать для сохранения жизни на Земле
- •Человек, биосфера и космические циклы
- •Литература
- •Тема 2.4. Основные концепции и перспективы биологии
- •Тема 3.2. Принципы синергетики, эволюционная триада и системный подход
- •О направлении самопроизвольных процессов
- •Критерий устойчивости систем, далеких от равновесия
- •Порядок и энтропия
- •Механизмы эволюции
- •Литература
- •Тема 3.3. Качественные методы в эволюционных задачах Начала нелинейного мышления. Пространства состояний системы и динамическая модель
- •Диссипативные системы вдали от равновесия
- •Литература
- •Тема 3.4. Динамический хаос - фундаментальное свойство реальности
- •Литература
- •Тема 3.5. Самоорганизация в живой и неживой природе
- •Информационные аспекты синергетики
- •Литература
- •Заключение
- •Литература
Физический вакуум как реальность
Физика микромира описывается квантовой механикой и теорией относительности, и эти две теории не допускают существования пустоты. Если откачивать воздух из замкнутого сосуда, то в принципе можно удалить все вещество, но при этом все-таки не получится классической пустоты.
Что же останется в “пустом” сосуде? В вакууме имеются квантовые флуктуации полей и виртуально рождаются частицы.
Вакуум - это состояние с наименьшей энергией при отсутствии вещества. Но отсутствие вещества еще не означает отсутствия частиц. Как известно, число частиц не сохраняется в реакциях. Сохраняются энергия, электрический, барионный и лептонный заряды, но число частиц может меняться.
Если приложить достаточно энергии, из вакуума можно рождать частицы. Дело в том, что энергия может переходить в поле, а поле - в частицы.
Ну а если не прикладывать энергии и рассматривать свойства чистого вакуума? Казалось бы, эти свойства никак не связаны со свойствами частиц, рождающихся из вакуума в присутствии источников энергии. Так было бы в классической механике, но в квантовой механике это не так. Известное соотношение неопределенностей приводит к тому, что на короткое время любая система может перейти в состояние, отличающее на дельта E по энергии.
Такие переходы называются виртуальными. Так как по теории относительности энергия может переходить в массу, то виртуальные переходы соответствуют рождению частиц на короткое время. Например для протона это время равно около с.
В атомной физике эффекты, вызываемые виртуальными частицами, довольно незначительны. Однако чем более мелкие частицы рассматриваются, тем большую роль играет окружающий их вакуум со своими виртуальными частицами. Например, в ядерном веществе протоны имеют меньшую массу, чем в вакууме, где к этой массе добавляется масса “налипших” виртуальных пи-мезонов.
На уровне кварков свойства вакуума уже играют решающую роль. Невозможность существования свободных кварков, по всей вероятности, связана именно с колоссальными изменениями, которые одиночный кварк вызывает в вакууме.
На свехмалых расстояниях свойства вакуума еще более загадочны. Неожиданно возникает связь квантовых эффектов с гравитационными. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. Но пока еще невозможно представить себе какие бы то ни было эксперименты при очень больших энергиях и в столь малых масштабах пространства.
Макромир
При определенных условиях однотипные атомы или молекулы могут собираться в огромные совокупности - макроскопические тела (вещество). Простое вещество является атомарным, сложное - молекулярным.
При достаточно низких температурах все тела являются кристаллическими. В кристаллах взаимное расположение атомов является правильным. Для них характерно равновесное положение в узлах кристаллической решетки. Их движение сводится к колебаниям вблизи этих узлов.
Геометрия кристаллического состояния отличается необычайным разнообразием, но число типов решеток ограничено. Свойства веществ определяются не только характером атомов, но и их взаимным расположением (графит и алмаз). Тела могут сильно различаться в отношении механических, тепловых, электрических, магнитных и оптических свойств.
Подавляющее большинство твердых тел имеет кристаллическое строение. Даже глина состоит из маленьких кристалликов. Свойства твердого тела зависят от строения кристаллического зерна, размера кристалликов, их взаимного расположения и силы, сцепляющей их в единое тело.
Общий порядок в расположении кристаллических зерен называется текстурой. Наличие текстуры очень сильно влияет на механические свойства изделия.
Аморфные твердые тела противопоставляются кристаллам и по некоторым свойствам они скорее должны быть причислены к жидкостям, нежели к твердым телам. Аморфное тело типа стекла содержит признаки как твердого, так и жидкого тела: расположение атомов обладает лишь ближним порядком, но атом в своем движении остается в неизменном окружении - соседи не обмениваются местами.
К аморфным телам относится большое число органических веществ, например, пластмассы, органические стекла.
“Жидкие кристаллы” или жидкое твердое тело - к этому обширному классу веществ относятся многие органические и биоорганические вещества. Такое состояние наблюдается в определенном интервале температур. Если нагреть жидкий кристалл, он превратится в обычную жидкость, если охладить - станет кристаллом.
Эти вещества сочетают в себе свойства жидкости и кристалла. Обнаружены два типа жидких кристаллов: в первом расположение молекул обладает ближним порядком, однако все молекулы располагаются параллельно друг другу; во втором - молекулы располагаются слоями.
Мыло, растворенное в воде, образует жидкие кристаллы, с чем связаны его моющие свойства. Мыльный раствор состоит из большого числа двойных слоев молекул.
При повышении температуры происходит фазовый переход кристалл-жидкость (плавление). Каждое вещество имеет свою строго определенную температуру плавления.
В жидком состоянии атомы уже не являются строго локализованными. Тепловое движение в жидкостях носит довольно сложный характер.
Молекулы жидкости совершают в основном колебательные движения, положения равновесия не строго фиксированы, но молекула остается в окружении все тех же соседей. Легкость, с которой молекула может менять своих соседей, связана с вязкостью.
При переходе жидкости в пар (испарение) при атмосферном давлении вещество практически полностью теряет свою индивидуальность. Это связано с малой плотностью газообразного вещества. В разреженных газах по существу отсутствует взаимное влияние атомов, а значит, не проявляется их индивидуальная атомная структура. Газы всех веществ (при нормальных условиях) с хорошей точностью подчиняются одинаковым закономерностям.
Дальнейшее повышение температуры ведет к ионизации атомов, т.е. распаду их на ионы и свободные электроны. Такое состояние вещества называют плазменным.
Поскольку ионы и электроны в отличие от атомов несут не скомпенсированные электрические заряды, их взаимное влияние становится существенным. Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, что сближает ее с конденсированным состоянием, т.е. с твердыми телами и жидкостями.
Макротела астрономического масштаба - планеты. Масса Земли приблизительно г, радиус - 6400 км, средняя плотность 5,5 г/см3. В недрах планет вещество находится под высоким давлением. При сжатии вещества проявляется тенденция “сглаживания” его свойств. Наружные электронные оболочки атомов, ответственные за “индивидуальность”, при давлениях атм перестают существовать, ибо входящие в их состав электроны отрываются от атомов и становятся коллективными.
Земля - планета жидкая. Это утверждение звучит парадоксально, поскольку течения вещества Земли почти незаметны для нас. Они, однако, существуют, их скорость составляет несколько см в год. В результате за 0,5 млрд. лет земная поверхность меняется очень существенно.
По настоящему твердой является только тонкая (20-40 км) оболочка -кора Земли. Вещество на глубинах от 40 до 400 км способно течь под влиянием высоких температур и давлений.
Мантией называют весь слой глубиной от 40 до 2920 км, где температура недр повышается примерно до 4,5 тыс. градусов. Ниже мантии вещество находится в расплавленном состоянии. Это жидкое ядро Земли радиусом 3450 км. Наконец, в самом центре Земли есть еще внутреннее твердое ядро радиусом 1250 км, состоящее из вещества с плотностью около 13 г/см3.
Кора Земли, называемая литосферой, состоит из отдельных плит, медленно перемещающихся друг относительно друга. Новая земная кора образуется в районах срединно-океанических хребтов, а старая кора, покрытая трехкилометровым слоем осадков, исчезает, ныряя под континенты.
Взаимные перемещения плит, рождение и разрушение твердой коры Земли сопровождаются землетрясениями. Когда погружающаяся литосферная плита попадает в зону высоких температур, происходят химические реакции, преобразующие ее осадочный слой. При этом образуются газы и водяные пары, которые вулканами извергаются в атмосферу, и возможно, что органическое вещество осадков частично переходит в нефть.
Именно вулканическая деятельность привела к появлению первичной атмосферы Земли, а вода, образовавшаяся при дифференциации вещества мантии, составила Мировой океан.