учебник Кирчанов

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

В.С. Кирчанов, А.И. Цаплин

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Под общей редакцией доктора технических наук, профессора А.И. Цаплина

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия для студентов

очного и заочного отделений всех специальностей

Издательство Пермского государственного технического университета

2008

ВВЕДЕНИЕ

Предметом дисциплины «Концепции современного естествознания» (КСЕ) являются наиболее общие фундаментальные представления о мире. Эти представления сформировались внутри отдельных направлений естествознания

ввиде концепций. Следующий уровень абстракции состоит

вкритическом анализе этих концепций с целью получения объективной картины мира. Затем возникает проблема определения истинности этой естественно-научной картины мира и сравнения её с художественной картиной мира, полученной в рамках искусства как другого способа познания мира с целью получить более полную картину действительности. Таким образом, удается преодолеть некую односторонность научного подхода и лучше понять специфику научной формы познания. Актуальность курса КСЕ обеспечивается рассмотрением главным образом современного естествознания. История естествознания, философия

иметодология естествознания составляют предмет других дисциплин.

КСЕ продолжает оставаться универсальной дисциплиной естественно-научного цикла в Государственных образовательных стандартах (ГОС) третьего поколения. Она предназначена для естественно-научного образования студентов гуманитарных, общественных, экономических специальностей

иможет быть полезна студентам технических и других специальностей. По сравнению со стандартами второго поколения

всовременных появилось понятие компетенции, т.е. реальные способности применения освоенных знаний в практических ситуациях, особенно новых и нестандартных. Главным

вобучении становится обеспечение развития личности специалиста или руководителя, обретение им ярко выраженной

5

способности к лидерству, коммуникабельности, работе в команде, способности к освоению новых знаний, саморазвитию. Винформационнуюэпохутакойтипличностистановитсявостребованным в новой «экономике знаний», в которой корпорации превращаются в интеллектуальные предприятия, а знания становятся интеллектуальным капиталом, приносящим прибыль. В этом случае образованный человек, обладающий знаниями в области гуманитарной культуры, естественно-на- учной культуры и бизнес-культуры, становится ключевой фигурой, обеспечивающей успех. Таким образом, модифицированная дисциплина КСЕ является необходимым и обязательным компонентом при подготовке лидеров и активных участников бизнеса. С другой стороны, некоторые разделы КСЕ могут служить основой для понимания эволюции поведения государств как сложных самоорганизованных живых систем и глобальных центров капитала и информации.

Проблема преподавания КСЕ состоит в том, что профессиональная, личностная и идейная позиция авторов значительно влияет на отбор материала, уровень и стиль изложения. Количество учебников и учебных пособий превышает сотню, однако вэтомрядуотсутствуютиздания, содержащиехотябыминимум учебного и методического материала, необходимого студенту для самостоятельного изучения предмета и оценки уровня усвоения полученных знаний.

Цель настоящего пособия состоит в том, чтобы снабдить студентов различных специальностей технического университета всех форм обучения основными материалами для самостоятельного изучения данного курса и сэкономить при этом их время. Этим обусловлен небольшой объем пособия, однако предполагается, что оно будет обязательно прочитано полностью. Авторы придерживались двухуровневой схемы изложения материала: концептуальной и фактической, полагая, что студент в состоянии запомнить и осмыслить не-

6

сколько ключевых утверждений, понятий, формул и чисел. Авторы по возможности следовали системному подходу, стремясь к тому, чтобы у студента сформировалось современное представление о целостной неживой и живой природе и о своем собственном временном и пространственном месте в этом мире.

Приизложенииматериалазаосновупринималасьобщепринятая точка зрения, в соответствии с которой экспериментальные факты отделялись от гипотез и сообщалась лишь достоверная информация. Наиболее надежными считаются энциклопедии, справочники и словари, учебники и другие известные источники, поэтому они цитировались без ссылок. «В этой книге нет ничего, что не было ранее сказано другими». Авторы разделяют мнение о том, что дисциплина КСЕ принадлежит к есте- ственно-научному циклу, и считают, что проникновение физики в различные разделы естествознания и открытие физических основ наблюдаемых явлений в геополитике, экономике, общественных и гуманитарных науках благотворно влияет на развитие этих наук и естествознания в целом.

В учебном пособии в разделе 1 приведены основные термины, краткий очерк по истории естествознания и краткая характеристика системы естественных наук. В разделе 2 рассмотрены панорама физической науки и основные концепции химии. В разделе 3 прослежены образование и последующая эволюция Вселенной, Галактики, различных звезд, Солнечной системы, планеты Земля и её геосферных оболочек. В разделе 4 рассматриваются основные концепции биологии, структура биосферы, человечество и человек как часть биосферы. В разделе 5 дается характеристика эволюции ноосферы и техносферы, приведена общая классификация технологий, рассмотрены элементы самоорганизации в сложных системах, кратко характеризуются основные элементы естественной и гуманитарной культур, принцип

7

1. ПРИРОДА И ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

1.1. Введение в естествознание

Введение. Материя и ее виды – вещество, поле и вакуум. Структурные уровни организации материи. Микро-, макро-

имегамиры. Движение материи. Пространство ивремя. Определения понятий «концепция» и «естествознание».

Согласно философии материализма в мире нет ничего, кроме движущейся материи. С точки зрения науки материя состоит из вещества, поля и вакуума. Возможны другие формы материи.

Вакуум – это не абсолютная пустота, а основное состояние материи. Физический вакуум – основное состояние квантовых полей, обладающее минимальной энергией, в котором отсутствуют реальные частицы. В этом состоянии вакуум представляется в виде своеобразной среды, в которой флуктуируют (появляются и исчезают) виртуальные частицы различных полей. Вакуум реально проявляет себя, например, в экспериментальных фактах: сдвиге Лэмба и эффекте Казимира.

Лэмбовский сдвиг уровней – экспериментально обнаруженное смещение уровней энергии связанных состояний электрона во внешнем магнитном поле. Физической причиной сдвига уровней являются квантовые флуктуации вакуума (случай-

ные отклонения от средних значений) электромагнитного поля

иэлектронно-позитронного поля, которые меняют потенциальную энергию взаимодействия электрона с ядром. Квантовые флуктуации вакуума случайно толкают электрон. «Дрожание» электрона приводит к сдвигу атомного уровня вверх примерно на 1000 МГц, что выражается в увеличении частоты переходов между уровнями.

9

Эффект Казимира – возникновение вакуумной энергии нулевых колебаний электромагнитного поля при квантовании электромагнитного поля между двумя бесконечными параллельными проводящими пластинами в вакууме. Конечная часть вакуумной энергии нулевых колебаний обратно пропорциональна расстоянию между двумя проводящими пластинами в третьей степени. Это теоретическое значение совпадает с результатами экспериментальных измерений силы притяжения двух проводящих пластин в вакууме. Это значит, что нулевые колебания экспериментально наблюдаются. Нулевые колебания – флуктуации квантового поля в основном (вакуумном) состоянии, которые возникают изза квантового соотношения неопределенности и не имеют классического аналога.

Для «квантов вакуума» в настоящее время существуют только оценки их протяженности и длительности. Частицы вещества и кванты четырех полей могут быть получены путем возбуждения вакуума. При соответствующей энергии возбуждения из вакуума можно получить новую Вселенную.

Взаимодействие – воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения. Взаимодействие характеризуется силой или потенциальной энергией. Согласно представлению о дальнодействии передача воздействия происходит мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. После установления факта конечности скорости передачи взаимодействия, равной скорости света в вакууме, появилась концепция близкодействия. Согласно этой точке зрения передача воздействия осуществляется через промежуточный «агент» − поле. Частица создает поле. Это поле действует на другую частицу.

10