- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О НАУКЕ И ЕЁ МЕТОДОЛОГИИ
- •1.1. Наука как рациональная сфера человеческой деятельности
- •1.2. Классификация наук
- •1.3. Естествознание. Методы естественнонаучного познания мира
- •1.4. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
- •Литература к главе 1
- •2.1. Современные представления об иерархических уровнях организации материи. Микро-, макро- и мегамиры
- •2.2. Этапы развития атомистической концепции
- •2.3. Фундаментальные взаимодействия в природе
- •Литература к главе 2
- •КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ
- •3.1. Основные этапы развития представлений о пространстве и времени.
- •3.2. Основы классической механики и их связь со свойствами пространства и времени
- •3.3. Пространство и время в специальной и общей теории относительности
- •Литература к главе 3
- •СИММЕТРИЯ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ
- •4.2. Закон сохранения импульса
- •4.3. Закон сохранения энергии
- •4.3.1. Работа и кинетическая энергия
- •4.3.2. Потенциальная энергия
- •4.3.3. Полная механическая энергия
- •Литература к главе 4
- •5.1. Уравнение состояния. Нулевое начало термодинамики
- •5.2. Первое начало термодинамики
- •5.3. Второе начало термодинамики. Энтропия и её статистический смысл
- •Макросостояние
- •5.4. Третье начало термодинамики
- •5.5. Гипотеза «тепловой смерти» Вселенной
- •5.6. Термодинамика открытых систем
- •Литература к главе 5
- •КОНЦЕПЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА
- •6.2. Электрический ток. Закон Ома
- •6.3. Магнитное поле движущихся зарядов
- •6.4. Электромагнитная теория Максвелла
- •6.5. Электромагнитные волны
- •6.6. Волновая оптика
- •6.7. Интерференция света
- •6.8. Дифракция света
- •Литература к главе 6
- •КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИИ
- •7.1. Корпускулярно-волновой дуализм света и микрочастиц
- •7.2. Принцип неопределённости Гейзенберга и принцип дополнительности Бора
- •7.3. Вероятностно-статистический характер поведения микрочастиц
- •7.4. Релятивистская квантовая физика. Физический вакуум
- •7.5. Атомы, молекулы и вещество с точки зрения квантовой теории
- •7.6. Типы химических связей
- •Литература к главе 7
- •АСТРОНОМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
- •8.1. Общие представления о Вселенной и её происхождении
- •8.1.1. Модели нестационарной Вселенной
- •8.1.2. Модель горячей Вселенной
- •8.1.3. Модель раздувающейся Вселенной
- •8.2. Звёзды и галактики
- •8.3. Солнечная система. Происхождение и строение Земли
- •Литература к главе 8
- •БИОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
- •9.1. Гипотезы происхождения жизни
- •9.2. Основные принципы эволюции жизни
- •9.3. Появление человека на Земле и его эволюция
- •9.4. Биологическая клетка как элементарная единица живого
- •9.4.1. Строение клетки
- •9.4.2. Жизненный цикл клетки
- •9.4.4. Использование генетической информации в процессах жизнедеятельности. Синтез белка
- •9.5. Виды живых систем. Свойства жизни
- •9.6. Основные уровни организации живого
- •Клеточный уровень.
- •Онтогенетический уровень.
- •Популяционно-видовой уровень.
- •Биогеоценотический уровень.
- •Литература к главе 9
- •КОНЦЕПЦИИ БИОСФЕРЫ И НООСФЕРЫ ЗЕМЛИ
- •10.1. Современные представления о биосфере Земли
- •10.2. Учение Вернадского о ноосфере
- •10.3. Общие представления о пневмасфере
- •10.4. Космические и биологические циклы
- •Литература к главе 10
- •КОНЦЕПЦИЯ САМООРГАНИЗАЦИИ
- •1.1. Самоорганизующиеся системы и их свойства
- •11.3. Самоорганизация в химических реакциях
- •11.4. Самоорганизация в живой природе и в человеческом обществе
- •Литература к главе 11
- •КОНЦЕПЦИЯ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ
- •12.1. Принципы устойчивого развития
- •12.2. Основные черты планетарного мышления
- •12.3. Универсальный эволюционизм
- •12.4. Путь к единой культуре
- •Литература к главе 12
- •СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ
- •Абиотические факторы
- •Автотрофы
- •Адаптация
- •Аденин
- •Адроны
- •Аминокислоты
- •Аннигиляция
- •Античастицы
- •Антропоцентризм
- •Бактерии
- •Бактериофаг
- •Барионы
- •Белок
- •Биогеоценоз
- •Биосфера
- •Биосфероцентризм
- •Биоценоз
- •Бифуркация
- •Близкодействие
- •Вакуум физический
- •Вероятность
- •Вещество
- •Взаимодействие
- •Взрыв
- •Виртуальные частицы
- •Вирусы
- •Витализм
- •Внутренняя энергия
- •Галактика
- •Генетика
- •Генетический код
- •Геном
- •Генотип
- •Генофонд
- •Гетеротрофы
- •Гипотеза
- •Глюоны
- •Гравитационный коллапс
- •Гуанин
- •Дальнодействие
- •Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)
- •Диалектика
- •Динамическая система
- •Диссипативная структура
- •Диссипация
- •Доминанта
- •Душа
- •Естественный отбор
- •Живое вещество
- •Закон
- •Знание
- •Идеализация
- •Иерархия
- •Инвариантность
- •Интерпретация
- •Интуиция
- •Иррационализм
- •Истина
- •Информация
- •Катастрофа
- •Квазар
- •Квант
- •Кварки
- •Кибернетика
- •Клетка
- •Кодон
- •Конфайнмент
- •Концепция
- •Коэволюция
- •Ламаркизм
- •Лептоны
- •Лизосомы
- •Липиды
- •Литосфера
- •Личность
- •Мезоны
- •Менталитет
- •Метод
- •Методология
- •Микробы
- •Митоз
- •Мутация
- •Наследственность
- •Наука
- •Негэнтропия
- •Нейтрино
- •Нейтрон
- •Нейтронная звезда
- •Ноосфера
- •Нуклеиновые кислоты
- •Нуклеотид
- •Нуклоны
- •Онтогенез
- •Органеллы
- •Открытые системы
- •Парадигма
- •Параллакс
- •Парсек
- •Пневмасфера
- •Популяция
- •Прокариоты
- •Пульсары
- •Разум
- •Рационализм
- •Редупликация (репликация)
- •Реликтовое излучение
- •Рибонуклеиновая кислота (РНК)
- •Рибосомы
- •Самоорганизация
- •Симбиоз
- •Синергетика
- •Социум
- •Техносфера
- •Тимин
- •Универсум
- •Устойчивое развитие
- •Устойчивость биосферы
- •Фауна
- •Фенотип
- •Ферменты
- •Флора
- •Флуктуация
- •Фотон
- •Хроматин
- •Хромосомы
- •Центромера
- •Цивилизация
- •Цитозин
- •Чёрная дыра
- •Эволюционизм
- •Эволюция
- •Экологическая система
- •Экология
- •Элементарные частицы
- •Энтропия
- •Эукариоты
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
3. Концепции современного естествознания: Под ред. проф. С.И. Самыгина – Ростов н/Д: Просвещение, 2001. – 576 с.
4. Мотылева Л.С., Скоробогатов В.А., Судариков В.М. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ Под ред. проф. В.А. Скоробогатова. – СПб.:
Союз, 2000. – 320 с.
5. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. – М.: Гардарики, 2002. –
476с.
6.Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц: Учебное пособие – М.: Просвещение, 1984. – 384 с.
Г Л А В А 3
КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ
Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках. Физические, химические, биологические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с измерением длин и длительностей, т. е. пространственно-временных
характеристик объектов. Поэтому расширение и углубление знаний о мире связано с соответствующими учениями о пространстве и времени. Сделаем краткий экскурс в историю вопроса.
3.1. Основные этапы развития представлений о пространстве и времени.
В доньютоновский период развитие представлений о пространстве и времени носило преимущественно стихийный и противоречивый характер. Выдающийся английский учёный И.Ньютон (1643–1727) создал физическую картину мира, которая на протяжении двух с половиной столетий господствовала в науке (ньютоновская теория пространства и времени). Основные положения теории пространства и времени изложены Ньютоном в работе «Математические начала натуральной философии» («Начала»). По Ньютону пространство и время абсолютны. Абсолютное пространство существует независимо от времени и независимо от наполняющей его материи. Ньютон писал: «Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему остаётся всегда одинаковым и неподвижным». В пространстве нет ни выделенных точек, ни выделенных направлений, т. е. оно однородно и изотропно.
Ньютон дал следующее определение времени: «Абсолютное, истинное математическое время, само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чемулибо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью». Абсолютное время – идеальная мера длительности всех механических процессов. Как мы не наблюдаем истинно равномерного движения из-за трения
или других причин, так и измерить время можно только приближаясь к истинному, математическому, входящему в уравнения. Абсолютное время однородно, это означает симметрию относительно сдвигов, и в частности, что точка отсчёта начала времени не имеет значения. Длительность процессов от этого не меняется.
Положение материальной точки в пространстве определяется заданием трёх координат, например, широты, долготы и высоты. Это означает, что пространство трёхмерно. Древнегреческий учёный Евклид (ок. 330–275 до н. э.) в работе «Начала» построил геометрию трёхмерного пространства, известную в научном мире как евклидова геометрия. Древнегреческий учёный К.Птолемей (ок. 90 – ок. 160) в своём главном труде «Альмагест» уделил особое внимание трёхмерности пространства, утверждая, что в природе не может быть более трёх пространственных измерений. Для определения положения тел в пространстве французский учёный Р.Декарт (1596–1650) ввёл прямоугольную систему координат («декартовы координаты») – x, y, z.
Вопрос о том, почему мы способны воспринимать только пространство трёх измерений, интересовал многих учёных. Австрийский физик П.Эренфест (1880–1933) в 1917 году исследовал этот вопрос специально и показал, что «закон обратных квадратов», по которому действуют друг на друга точечные гравитационные массы и электрические заряды, обусловлен трёхмерностью пространства. В пространстве п измерений точечные частицы взаимодействовали бы по закону обратной степени (п – 1). Поэтому для п = 3 справедлив закон обратных квадратов. Он показал, что при п = 4, что соответствует закону
обратных кубов, планеты двигались бы по спиралям и быстро бы упали на Солнце. В атомах при числе измерений, большем трёх, также не существовало бы устойчивых орбит, т. е. не было бы химических процессов и жизни. На связь трёхмерности пространства с законом тяготения указывал ещё и И.Кант (1724–1804).
Принятие абсолютного времени и постулирование абсолютной и универсальной одновременности во всей Вселенной явилось основой для теории дальнодействия – мгновенной передачи действия от одного тела к другому на расстояние через пустое пространство без помощи материи. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое с бесконечной скоростью, мгновенно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные расстояния. Эти мгновенные, вневременные взаимодействия объектов и послужили обоснованием абсолютности пространства, существующего независимо от времени.
Ньютоновская теория дальнодействия и его схема мира господствовала до начала ХХ века. Впервые её ограниченность обнаружили английские физики М.Фарадей (1791–1867) и Дж.Максвелл ещё в XIX веке, показав неприменимость её к электромагнитным явлениям. Ими было установлено, что распространение взаимодействия происходит не мгновенно, а с конечной скоростью. Как отмечал А.Эйнштейн (1879–1955), с развитием электродинамики и оптики становилось всё очевиднее, что «недостаточно одной классической механики для полного описания явлений природы». Из электромагнитной теории Максвелла вытекал вывод о конечной скорости распространения электромагнитных взаимодействий и
существования электромагнитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматриваться как проявление единого электромагнитного поля. Таким образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов сохранения и принципа близкодействия благодаря введению понятия электромагнитного поля.
Итак, в физике XIX века появляется новое понятие – «поле», что, по словам Эйнштейна, явилось «самым важным достижением со времени Ньютона». Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень существенно для описания физических свойств пространства и времени. Структура электромагнитного поля описывается с помощью четырёх уравнений Максвелла, устанавливающих связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля с распределением в пространстве зарядов и токов (подробно об этом сказано в разделе данного пособия, посвящённом электромагнитной теории Максвелла).
В 1905 году Эйнштейн в работе «К электродинамике движущихся тел» изложил основы теории, впоследствии получившей название специальной теории относительности, в которой показано, что пространство и время взаимозависимы. В 1907 году немецкий математик Г.Минковский (1864–1909) высказал предположение о тесной связи трёх пространственных и одной временной координат. По его мнению, все события во Вселенной происходят в четырёхмерном пространственно-временном континууме. Он писал: «Отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в фикции, и лишь некоторый вид соединения обоих должен ещё сохранить самостоятельность». Итак, пространство и время тесным