- •Министерство образования российской федерации
- •Оглавление
- •Предисловие
- •Введение
- •Методические рекомендации
- •Глава 1. Структура естествознания
- •1.1. Предмет естествознания
- •1.1.1. Анализ понятия «природа»
- •1.1.2. Естествознание донаучное, преднаучное и научное
- •1.1.3. Неисчерпаемость предмета естествознания
- •1.1.4. Специфика донаучного и преднаучного естествознания
- •1.1.5. Специфика научного естествознания
- •1.2. Генезис научного естествознания
- •1.2.1. Перспективы античной преднауки
- •1.2.2. Замещение реальных объектов идеальными
- •1.2.3. Операции преобразования и моделирование изменений
- •1.3. Структура естественнонаучного познания
- •1.3.1. Принципы научного познания
- •1.3.2. Общие методы познания
- •1.3.3. Основные формы естествознания6
- •1.3.4. Непостижимая эффективность математики8
- •Глава 2. Этапы развития естествознания
- •2.1. Ступени развития знания
- •2.1.1. «Естественная магия»
- •2.1.2. Магия и религия
- •2.1.3. Религия и естествознание
- •2.1.4. Специфика восточной преднауки
- •2.1.5. Письменность
- •2.2. Естественнонаучные аспекты античной натурфилософии
- •2.2.1. Евклидова геометрия - первая стандартная научная теория
- •2.2.2. Древнегреческий атомизм
- •2.2.3. Механика Архимеда16
- •2.2.4. Становление астрономии
- •2.3. Значение арабской системы знаний в истории естествознания21
- •2.3.1. Физические достижения арабского средневековья22
- •2.3.2. Астрономия арабо-мусульманского средневековья
- •2.4. Научные революции
- •2.4.1. Первая научная революция (xviIвек). Г. Галилей
- •2.4.2. Вторая научная революция (кон. XviiIв.- нач.XiXвека). И. Ньютон
- •2.4.3. Третья научная революция (кон. XiXв.- сер.XXвека)
- •2.4.4. Четвёртая научная революция (кон. XXвека)
- •2.5. Организация современного естествознания
- •2.5.1. Иерархия естественнонаучных законов
- •2.5.2. Этические принципы науки27
- •2.5.3. Роль междисциплинарных исследований в естествознании
- •Глава 3. Фундаментальные Концепции естествознания
- •3.1. Термодинамика
- •3.1.1. Роль тепловых явлений в природе
- •3.1.2. Вещественная теория теплоты.
- •3.1.3. Корпускулярная теория теплоты
- •3.1.4. Законы термодинамики
- •3.2. Молекулярно-кинетическая теория (статистическая механика)
- •3.2.1. Основные положения молекулярно-кинетических представлений
- •3.2.2. Дискретность вещества
- •Химия. Периодическая таблица химических элементов д. И. Менделеева32
- •3.2.4. Закон сохранения энергии
- •3.3. Электромагнитная теория
- •3.3.1. История открытия электричества
- •3.3.2. М. Фарадей: исследования электромагнетизма
- •Заряд и поле. Закон сохранения электрического заряда
- •Проводники, полупроводники и диэлектрики. Электрический ток
- •Электромагнитное взаимодействие. Электромагнитная теория поля
- •3.4. Квантовая теория
- •3.4.1. Хронология становления квантовой теории
- •3.4.2. Гипотеза м. Планка. Кванты
- •3.4.3. Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света
- •3.4.4. Квантовая теория атома н. Бора
- •3.4.5. Вероятностный характер процессов в микромире
- •3.4.6. Гипотеза Луи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма
- •3.4.7. Принцип неопределённости в. Гейзенберга
- •3.4.8. Волновая механика и уравнение э. Шредингера
- •3.4.9. Принцип дополнительности н. Бора
- •3.5. Симметрия
- •3.5.1. Симметрия и законы сохранения
- •3.5.2. Принципы, организующие сходство
- •3.5.3. Роль симметрии в организации мира
- •Глава 4. Концепции движения, пространства и времени
- •4.1. Генезис представлений о пространстве и времени
- •4.1.1.Биологические предпосылки времени и виды пространства.
- •4.1.2. Пространство и время мифа и натурфилософии
- •4.1.3. Теоцентрическая модель пространства и времени
- •4.2. Классические концепции пространства и времени
- •4.2.1. Проблема континуальности и дискретности пространства и времени
- •4.2.2. Классические интерпретации пространства и времени
- •4.2.3. Проблемы реального пространства
- •4.3. Предпосылки неклассических интерпретаций пространства и времени
- •4.3.1. Принцип относительности и инерциальные системы (г. Галилей)
- •Эфир как абсолютная система отсчёта. Опыт Майкельсона - Морли
- •4.3.3. Принцип относительности и электродинамика Максвелла
- •4.4. Специальная теория относительности (сто)
- •4.4.1. А. Эйнштейн. Единство пространства и времени. Связь массы и энергии38
- •4.4.3. Пространство и время в инерциальных системах
- •4.4.4. Неоднозначность геометрии физического пространства. Неевклидовы геометрии
- •4.5. Общая теория относительности (ото)
- •4.5.1. Инерция и гравитация
- •4.5.2. Теория гравитации
- •4.5.3. Гравитационные массы и искривление пространства - времени
- •Глава 5. Хаос. Самоорганизация. Сложность
- •5.1. Хаос и порядок
- •5.1.1. Энтропия41
- •5.1.2. Принципы системности и целостности
- •5.1.3. Нелинейные системы. Рождение порядка
- •5.2. Самоорганизация
- •5.2.1. Синергетика
- •5.2.2 Механизм самоорганизации
- •5.2.3. Самоорганизация в диссипативных структурах
- •5.3. Необходимость и случайность
- •5.3.1. Проявление необходимости и случайности
- •5.3.2. Необходимость хаоса
- •5.3.3. Смысл информации
- •5.4. Сложность44
- •5.4.1. Понимание сложности. Неравновесное состояние систем
- •5.4.2. Сложное поведение и фазовое пространство45
- •5.4.3. Сложность поведения живых и социальных систем
- •5.4.4. Сложность адаптивных стратегий в живом мире
- •5.5. Управление
- •5.5.1. Кибернетика и теория управления
- •5.5.2. Информационная структура управления
- •5.5.3. Эффект обратной связи
- •Глава 6. Жизнь
- •6.1. Проблема возникновения жизни
- •6.1.1. Специфика жизни как особого уровня организации материи
- •6.1.2. Гипотеза творения (креационизм)
- •6.1.3. Гипотеза спонтанного зарождения жизни
- •6.1.4. Гипотеза стационарного состояния
- •6.1.5. Гипотеза панспермии
- •6.1.6. Теория биохимической эволюции
- •6.2. Структура живого вещества
- •6.2.1. Признаки живого вещества
- •6.2.2. Виды регуляции организма
- •6.2.3. Постоянство внутренней среды (гомеостаз)
- •6.3. Теории эволюции
- •6.3.1. Зарождение эволюционного учения (ж. Ламарк, ж. Кювье, ч. Лайель)
- •6.3.2. Эволюционная теория естественного отбора (ч. Дарвин, а. Уоллес)52
- •6.3.3. Номогенез как альтернатива дарвинизму и как его дополнение
- •6.3.4. Вид и видообразование
- •6.3.5. Проблемы видообразования
- •6.4. Теория наследственности
- •6.4.1. Закон доминирования г. Менделя
- •6.4.2. Хромосомная теория наследственности
- •6.4.3. Структура гена. Расшифровка генетического кода
- •6.4.4. Днк, её роль в реализации наследственной информации
- •6.4.5. Клеточная теория (т. Шван, м Шлейден)
- •1.4.6. Биогенетический закон
- •6.5. Философское и естественнонаучное постижение смерти
- •6.5.1. Биологический и социальный смысл смерти
- •6.5.2. Что такое бессмертие?
- •6.5.3. Социальные следствия развития генной инженерии
- •6.5.4. Социальные и этические проблемы клонирования
- •Глава 7. Биосфера
- •7.1. Генезис биосферы
- •7.1.1. Геологические условия возникновения биосферы
- •7.1.2. Эволюция биосферы. Живое вещество
- •7.1.3. Роль абиотических и биотических круговоротов
- •Климатические первичные периодические
- •7.2. Биогеохимические процессы в биосфере
- •7.2.1. Состав вещества биосферы
- •7.2.2. Особенности основных биосферных циклов
- •Биосферный цикл углерода
- •Биосферный цикл азота
- •Биосферный цикл фосфора
- •7.2.3. Биохимические функции живого вещества
- •7.2.4. Биогенная миграция атомов и биогеохимические принципы
- •7.3. Экологическая структура биосферы
- •Биосфера - многокомпонентная иерархическая система
- •Прокариоты и эукариоты. Бактерии. Вирусы и сине-зелёные водоросли
- •7.3.3. Растения. Грибы. Животные
- •7.4. Глобальное биологическое разнообразие и подходы к его изучению
- •7.4.1. Современные представления о видовом разнообразии биосферы74
- •7.4.2. Современные подходы к исследованию биоразнообразия75
- •Популяционный подход
- •Экосистемный подход
- •7.5. Ноосферогенез
- •7.5.1. В. И. Вернадский о переходе биосферы в ноосферу
- •7.5.2. Естественноисторические аспекты трансформации биосферы в ноосферу
- •7.5.3. Антропоцентризм и биосферное мышление
- •Глава 8. Человек
- •8.1. Человек как вид
- •8.1.1. Человек: особый вид животных
- •8.1.2. Культурный и биологический аспекты эволюции человека
- •8.1.3. Нарушение основного биологического закона
- •8.2. Сознание и поведение
- •8.2.1. Функции головного мозга. Успехи нейрофизиологии
- •8.2.2. Поведение
- •8.2.3. Бихевиоризм
- •8.2.4. Гештальтпсихология
- •8.2.5. Этология и социобиология
- •8.3. Современное мировоззрение и планетарные проблемы
- •8.3.1. Проблема формирования современного мировоззрения
- •8.3.2. Глобальные последствия развития цивилизации
- •8.3.3. Деятельность «Римского клуба» и института л. Брауна «Worldwatch»
- •8.3.4. Новые ценности85
- •8.4. Концепция устойчивого развития
- •8.4.1. Экологическая и экономическая компоненты деятельности
- •8.4.2. Общие положения концепции устойчивого развития
- •8.4.3. Условия устойчивого развития и ключевые понятия концепции
- •8.5. Искусственный интеллект (ии)
- •8.5.1. Основные направления развития ии
- •8.5.2. Знания и их представление
- •8.5.3. Проблема понимания естественного языка
- •Глава 9. Иерархия мироздания
- •9.1. Макромир
- •9.1.1. Основные этапы развития представлений о Вселенной
- •9.1.2. Релятивистская космология (а. Эйнштейн, а. А. Фридман)
- •9.1.3. Концепция расширяющейся Вселенной
- •9.1.4. Концепция «Большого Взрыва»
- •9.1.5. Антропный принцип90
- •9.2. Мезомир
- •9.2.1. Эволюция планеты Земля
- •9.2.2. Экологическая структура мезомира
- •9.2.3. Информационные свойства мезомира
- •9.3. Микромир
- •9.3.1. Учение об элементарных частицах
- •9.3.2. Элементарная структура вещества. Атом
- •9.3.3. Устойчивость и неустойчивость частиц. Термоядерные процессы. Ядро атома
- •9.3.4. Фундаментальные взаимодействия и законы природы92
- •9.3.5. Фундамент материи: физический вакуум и его состояния93
- •9.4. Виртуальные реальности
- •9.4.1.Значение термина «виртуальная реальность»
- •9.4.2. Компьютерная виртуальная реальность
- •9.4.3. Способы существования виртуальной реальности
- •9.4.4. О философии виртуальной реальности и киберпространства
- •9.5. Поиск внеземных цивилизаций
- •9.5.1. О возможности существования жизни и разума во Вселенной
- •9.5.2. О возможности информационного контакта с внеземными цивилизациями
- •9.5.3. О возможных формах технологической активности разума во Вселенной
- •Летопись естественнонаучных открытий Период становления физики как науки
- •Первый этап развития естествознания (кон. XviIв. – 60 годыXiXв.)
- •Второй этап развития естествознания (60-е годы XIX в. - 1894 г.)
- •Период современной физики
- •Важнейшие открытия в биологии и медицине в хх веке
- •Хронология клонирования
- •Летопись открытий в химии
- •Зарождение научной химии
- •Утверждение в химии атомно-молекулярного учения
- •Великие открытия в химии в хх веке
- •Астрономия в хх веке
- •Литература по главам Глава 1. Структура естествознания
- •Глава 2. Этапы развития естествознания
- •Глава 3. Фундаментальные концепции естествознания
- •Глава 4. Концепции движения, пространства и времени
- •Глава 5. Хаос. Самоорганизация. Сложность
- •Глава 6. Жизнь
- •Глава 7. Биосфера
- •Глава 8. Человек
- •Глава 9. Иерархия мироздания
- •Литература дополнительная
- •Словарь терминов
- •Примечания
- •137 138
3.4.5. Вероятностный характер процессов в микромире
Понятие вероятности играло важную роль в первых физических трактовках волновой механики. Чувствовалось, что возникла общая теория, в которой все законы новой механики имеют вероятностный характер. К этой теории, внешне очень новой и отвергающей многие классические идеи, постепенно приковывалось внимание всех физиков. Можно сказать, что сегодня ее приняли все, даже те, кто поверил в нее временно, и не оставляют надежды в один прекрасный день возвратиться к классическим представлениям.
Начнем с внешне почти банальной идеи о том, что для точного знания какой-либо физической величины нужно ее измерить. А для ее измерения всегда нужен некий прибор, который как-то воздействует на эту величину, в результате чего она становится известной с такой-то степенью точности. В классической физике a priori (до опыта) предполагалось, что, приняв соответствующие меры предосторожности, всегда можно так провести эти измерения, чтобы существенно не нарушить состояния, которое было до измерения. При этих условиях процесс измерения лишь устанавливает существование некоторого состояния, не внося ничего нового. В макроскопических масштабах этот постулат, неявно допускаемый классической физикой, правилен. В этой области способный экспериментатор всегда может количественно исследовать явление, не внося значительных искажений. Это следует из того, что возмущения, которые возникают в процессе измерения, можно всегда сделать пренебрежимо малыми по сравнению с измеряемыми величинами. Напротив, когда мы имеем дело с микроскопическими величинами, из существования кванта действия* следует, что возмущения, возникающие в процессе измерения, бесконечно уменьшать нельзя. Поэтому каждое измерение существенно искажает исследуемое явление.
Достаточно заметить, что ниоткуда не следует, что операция измерения является простым и хорошим способом получения сведений о существовавшем до этого измерения состоянии. Вполне возможно, что операция измерения сама участвует в создании нового состояния, извлекая из существовавшего до этого состояния одну из содержащихся в нем возможностей.
Вероятностный характер процессов в микромире во многом определяется феноменом корпускулярно-волнового дуализма. Классическая физика знакомит с двумя видами движения - корпускулярным и волновым. Для первого характерны локализация объекта в пространстве и существование определенной траектории его движения. Для второго, напротив, характерна делокализация в пространстве; с волновым движением не сопоставляется локализованный объект - это есть движение некоей среды. На уровне макроявлений корпускулярное и волновое движение четко разграничены: движение брошенного камня и движение волны, набегающей на прибрежный песок, отличаются друг от друга.
Эти привычные представления не могут быть перенесены в квантовую механику. На уровне микроявлений указанное выше четкое разграничение между двумя видами движения в существенной мере стирается - движение микрообъекта характеризуется одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами. Если схематически рассматривать классические корпускулы и классические волны как два предельных случая описания движения материи, то микрообъекты должны занять в этой схеме место где-то посередине. Они не являются ни «чистыми» (в классическом понимании) корпускулами, ни «чистыми» волнами - они являются чем-то качественно иным. Можно сказать, что микрообъект в какой-то мере похож на корпускулу, в какой-то мере - на волну, причем эта мера зависит, в частности, от условий, в которых рассматривается микрообъект. Если в классической физике корпускула и волна - две взаимоисключающие друг друга противоположности (либо частица, либо волна), то теперь, на уровне микроявлений, эти противоположности объединяются в рамках единого микрообъекта. Это обстоятельство и принято называть корпускулярно-волновым дуализмом («дуализм» означает двойственность).
Микрообъект не является классической корпускулой, но к понятию микрообъекта приводит процесс «раздробления» окружающих нас тел на все более и более мелкие «частички». Поэтому вполне естественно, что микрообъекты ассоциируются, прежде всего, с корпускулами. Этому способствует и тот факт, что большинству микрообъектов характерна определенная масса покоя и определенные заряды. Бессмысленно говорить, например, о половине электрона, обладающей половинной массой и половинным электрическим зарядом целого электрона. В самих терминах «микрочастица», «элементарная частица» отражено представление о микрообъекте как о некоей частице (корпускуле).
Однако микрообъект весьма существенно отличается от классической корпускулы. Прежде всего, он не имеет траектории, являющейся неизменным атрибутом классической корпускулы. Использование при рассмотрении микрообъекта таких корпускулярных характеристик, как координата, импульс, момент, энергия, ограничивается рамками соотношений неопределенностей. Взаимопревращения микрообъектов, самопроизвольные распады, наличие специфического неуничтожаемого собственного момента (спина), способность проходить сквозь потенциальные барьеры - все это свидетельствует о том, что микрообъекты совершенно не похожи на классические корпускулы.
Корпускулярным представлениям противостоят волновые представления. Неудивительно поэтому, что разительное отличие микрообъектов от классических корпускул объясняют наличием у них волновых свойств, тем более что именно с волновыми свойствами микрообъектов связаны соотношения неопределенностей и все, вытекающие отсюда следствия. Весьма показательно в этом отношении следующее замечание де Бройля: «В оптике в течение столетия пренебрегали корпускулярным подходом в пользу подхода волнового. Не делалась ли в теории материи обратная ошибка? Не думали ли мы слишком много о картине «частиц» и не пренебрегали ли чрезмерно картиной волн?». Вопрос, поднятый де Бройлем, совершенно уместен. Однако следует опасаться чрезмерного увеличения волнового аспекта при рассмотрении микрообъектов. Необходимо помнить, что, если, с одной стороны, микрообъект не является классической корпускулой, то точно так же, с другой стороны, он не является и классической волной.
Если микрообъект не является ни корпускулой, ни волной, то, может быть, он представляет собой некий симбиоз корпускулы и волны? Предпринимались различные попытки модельно изобразить такой симбиоз и тем самым наглядно смоделировать корпускулярно-волновой дуализм. Одна из таких попыток связана с представлением микрообъекта как волнового образования, ограниченного в пространстве и во времени. Это может быть волновой пакет. Это может быть и просто «обрывок» волны, называемый обычно «волновым цугом». Другая попытка связана с использованием модели волны-пилота, согласно которой микрообъект есть некое «соединение» корпускулярной «сердцевины» с некоторой волной, управляющей движением «сердцевины».
Какова же окончательная трактовка корпускулярно-волнового дуализма? В настоящее время корпускулярно-волновой дуализм понимают, как потенциальную способность микрообъекта проявлять различные свои свойства в зависимости от тех или иных внешних условий, в частности, условий наблюдения. Как писал Фок, «у атомных объектов в одних условиях выступают на передний план волновые свойства, а в других - корпускулярные; возможны и такие условия, когда и те, и другие свойства выступают одновременно. Можно показать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как частица, либо как волна, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна-частица. Всякое иное, более буквальное понимание этого дуализма в виде какой-либо модели неправильно».
Приведем простейший пример. Пусть пучок электронов проходит сквозь экран со щелями и затем попадает на экран-детектор. При прохождении через щели электроны реализуют свои волновые свойства, что обуславливает характерное для интерференции* распределение электронов за щелями. При попадании же на экран-детектор электроны реализуют свои корпускулярные свойства - каждый из них регистрируется в некоторой точке экрана. Можно сказать, что электрон проходит сквозь щель как волна, а регистрируется на экране как частица.
В связи с этим говорят при одних обстоятельствах, что «микрообъект есть волна», а при других - «микрообъект есть частица». Такая трактовка корпускулярно-волнового дуализма неправильна. Независимо ни от каких обстоятельств микрообъект не является ни волной, ни частицей, ни даже симбиозом волны и частицы. Это есть некий весьма специфический объект, способный в зависимости от обстоятельств проявлять в той или иной мере корпускулярные и волновые свойства. Понимание корпускулярно-волнового дуализма как потенциальной способности микрообъекта проявлять в различных внешних условиях различные свойства есть единственно правильное понимание. Отсюда, в частности, следует вывод: наглядная модель микрообъекта принципиально невозможна.