- •Содержание
- •Предисловие
- •Тема 1 Что такое наука и естествознание?
- •Характерные черты науки
- •Отличие науки от других отраслей культуры
- •Наука и религия
- •Наука и философия
- •Становление науки
- •Что такое естествознание?
- •Эволюция и место науки в системе культуры
- •Естественнонаучная и гуманитарная культура
- •Противоречия современной науки
- •Значение науки в эпоху нтр
- •Тема 2 Структура естественнонаучного познания
- •Уровни естественнонаучного познания
- •Соотношение эмпирического и теоретического уровней исследования
- •Тема 3 Методы и динамика естественнонаучного познания
- •Методы научного познания
- •Применение математических методов в естествознании
- •Внутренняя логика и динамика развития естествознания
- •Естественнонаучная картина мира
- •Тема 4 Расширяющаяся Вселенная
- •Происхождение Вселенной
- •Модель расширяющейся Вселенной
- •Эволюция и строение галактик
- •Астрономия и космонавтика
- •Тема 5 Строение и эволюция звезд и планет
- •Строение и эволюция звезд
- •Солнечная система и ее происхождение
- •Строение и эволюция Земли
- •Тема 6 Релятивистская физика: теория относительности
- •Физика и редукционизм
- •Физика и наглядность
- •Теория относительности
- •Тема 7 Вероятностный подход: квантовая механика
- •Квантовая механика
- •Вглубь материи
- •Физические взаимодействия
- •Тема 8 Науки о сложных системах: кибернетика
- •Понятие сложной системы
- •Понятие обратной связи
- •Понятие целесообразности
- •Кибернетика
- •Эвм и персональные компьютеры
- •Модели мира
- •Тема 9 Науки о сложных системах: синергетика
- •Сложные системы в химии
- •Неравновесные системы
- •Эволюция и ее особенности
- •От термодинамики закрытых систем к синергетике
- •Гипотеза рождения материи
- •Тема 10 Происхождение и эволюция жизни
- •Отличие живого от неживого
- •Концепции возникновения жизни
- •Вещественная основа жизни
- •Земля в период возникновения жизни
- •Начало жизни на Земле
- •Эволюция форм жизни.
- •Тема 11 Генетика и самовоспроизводство жизни
- •Значение клетки
- •Воспроизводство жизни
- •Генетика.
- •Тема 12 Экология и учение о биосфере
- •Отличия растений от животных
- •Учение Вернадского о биосфере
- •Эмпирические обобщения Вернадского
- •Экология
- •Закономерности развития экосистем
- •Синтетическая теория эволюции
- •Концепция коэволюции
- •Тема 13 Происхождение и эволюция человека
- •Человек как предмет естественнонаучного познания
- •Проблема появления человека на Земле
- •Сходства и отличия человека от животных
- •Антропология
- •Эволюция культуры
- •Тема 14 Поведение и высшая нервная деятельность
- •Раздражимость и нервная система
- •Типы поведения
- •Рефлексы и бихевиоризм.
- •Тема 15 Этология и социобиология
- •Инстинкт и научение
- •Формы сообществ
- •Поведение и гены
- •Тема 16 Вклад естествознания в изучение человека
- •Вклад социобиологии в изучение человека
- •Этология и человек
- •Этнология
- •Социальная экология
- •Ноосфера
- •Тема 17 Мозг, сознание, бессознательное
- •Изучение мозга человека
- •Психоанализ Фрейда
- •Аналитическая психология Юнга
- •Сознание и бессознательное
- •Парапсихология
- •Особенности психологии мужчин и женщин
- •Тема 18 Расширяющееся сознание и углубляющаяся нравственность
- •Классическая и холотропная модели сознания
- •Естественнонаучное обоснование нравственности
- •Тема 19. Современная естественнонаучная картина мира и будущее науки
- •Общие закономерности современного естествознания
- •Современная естественнонаучная картина мира
- •Трудности и парадоксы в развитии науки
- •Наука как эволюционный процесс
- •Приложения
- •Высказывания выдающихся ученых
- •Вопросы к семинарам
- •Темы для докладов на семинарах и контрольных работ
- •Вопросы к зачету и экзамену
- •Список литературы по всему курсу
- •Словарь терминов
- •Персоналии
- •Тема 1 наука и ее роль в жизни общества проблема определения науки
- •Соотношение науки, философии и религии
- •Структура науки и ее функции
- •Критерии научности знания
- •3. Наука и философия.
- •4. Наука и религия.
- •Тема 2 научная теория. Структура и основания теории
- •Теория как форма научного знания. Теория и научные программы
- •Структура научной теории
- •Гносеологические предпосылки науки
- •Классификация научных теорий
- •Научные понятия и способ их образования
- •Введение и исключение научных абстракций
- •Тема 3 методы научного познания. Развитие научного знания
- •Методы научного познания
- •Законы науки
- •Развитие научного знания
- •Специфика научных революций
- •Тема 4 возникновение науки. Появление первых научных программ проблема начала науки
- •Научные знания на древнем востоке
- •Начало науки. Античная наука
- •Первые научные программы античности
- •Тема 5 формирование основ естествознания в эпоху средневековья и возрождения
- •Основные черты средневекового мировоззрения
- •Наука и научное познание в средние века
- •Революция в мировоззрении в эпоху возрождения
- •Тема 6 научная революция XVI-xvh вв. И становление классической науки
- •Галилей и его роль в возникновении современной науки
- •Основные аспекты научной революции
- •Исаак ньютон и завершение научной революции
- •Тема 7 специфика и природа современной науки
- •Особенности классической науки
- •Наука XIX века
- •Новейшая революция в науке
- •Основные черты современной науки
- •Кризис современной науки. Постнеклассическая наука
- •Тема 8 физическая картина мира
- •Механическая картина мира
- •Электромагнитная картина мира
- •Становление современной физической картины мира
- •Тема 9 структурные уровни организации материи структурность и системность материи
- •Поле и вещество
- •Классификация элементарных частиц
- •Тема 10 физическое взаимодействие проблемы учения о взаимодействии и движении
- •Общая характеристика физических взаимодействий
- •Гравитационное взаимодействие
- •Электромагнитное взаимодействие
- •Слабое взаимодействие
- •Сильное взаимодействие
- •Теории большого объединения и суперобъединения
- •Тема 11 концепции пространства и времени в современном естествознании
- •Развитие представлений о пространстве и времени
- •Теория относительности
- •Единство и многообразие свойств пространства и времени
- •Тема 12 детерминизм и причинность в современной физике. Динамические и статистические законы
- •Динамические законы и теории и механический, детерминизм
- •Статистические законы и теории и вероятностный детерминизм
- •Соотношение динамических и статистических законов
- •Тема 13 принципы современной физики
- •Принцип симметрии и законы сохранения
- •Принцип соответствия
- •Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей
- •Принцип суперпозиции
- •Основы термодинамики
- •Тема 14 космологические модели вселенной что такое космология?
- •Начало научной космологии
- •Космологические парадоксы
- •Неевклидовы геометрии
- •Модель расширяющейся вселенной
- •Некоторые трудности гипотезы расширяющейся вселенной
- •Тема 15 эволюция вселенной рождение вселенной
- •Ранний этап эволюции вселенной
- •Структурная самоорганизация вселенной
- •Образование солнечной системы
- •Тема 16 проблемы самоорганизации материи формирование идеи самоорганизации
- •Понятие самоорганизации
- •Основы синергетики
- •Неравновесная термодинамика и. Пригожина
- •Тема 17 становление и развитие химической картины мира возникновение химии
- •Алхимия
- •Арабская алхимия
- •Западноевропейская алхимия
- •Период зарождения научной химии
- •Теория флогистона
- •Закон сохранения массы лавуазье
- •Открытие основных законов химии
- •Химия как наука
- •Тема 18 современные концепции химии структура химии
- •Взаимосвязь химии с физикой
- •Проблема химического элемента
- •Концепции структуры химических соединений
- •Учение о химических процессах
- •Эволюционная химия
- •Взаимосвязь химии с биологией
- •Тема 19 происхождение и сущность жизни история проблемы
- •Концепция происхождения жизни а.И. Опарина
- •Современные концепции происхождения и сущности жизни
- •Сущность и определение жизни
- •Появление жизни на земле
- •Формирование биосферы земли
- •Тема 20 эволюция органического мира
- •Становление идеи развития в биологии
- •Концепция развития ж.-б.Ламарка
- •Теория катастроф ж. Кювье
- •Эволюционная теория ч.Дарвина
- •Антидарвинизм конца XIX-начала XX века
- •Тема 21 современные теории эволюции
- •Основы генетики
- •Синтетическая теория эволюции (стэ)
- •Тема 22 человек как предмет естествознания
- •Происхождение человека
- •Сущность человека
- •Телесность и здоровье человека
- •Тема 23 человек, биосфера и космос
- •Человек и космос
- •Космизация современной науки и философии
- •Антропный принцип
- •Тема 24 на пути к ноосфере
- •Современные концепции экологии
- •Концепция ноосферы и устойчивого развития
- •Введение
- •Раздел I естествознание в системе науки и культуры
- •Глава 1
- •Наука как форма знания и как социальный институт
- •1. Наука как высшая форма знания
- •2. Объективная истина — вечный идеал науки
- •3. Эмпирический и теоретический уровни научного познания
- •4. Наука как социальный институт
- •Глава 2 формы и методы научного познания
- •1. Формы научного знания
- •2. Методы научного познания
- •Глава 3 происхождение науки
- •1. Возникновение науки как отрицание, преодоление мифологии
- •2. Зарождение эмпирического научного знания
- •3. Античная философия как первая форма собственно теоретической науки
- •Глава 4 развитие естествознания от античности до начала XX в. Революции в науке
- •1. Античный и средневековый периоды развития естествознания
- •2. Становление естествознания в современном его понимании. Революция в механике
- •3. Развитие естествознания в XVIII—XIX вв. Процесс теоретизации наук о природе
- •4. Укрепление взаимосвязи науки и техники, науки и материального производства
- •Глава 5 естествознание и научная картина мира
- •1. Понятие научной картины мира
- •2. Историческая смена физических картин мира
- •3. Современная научная картина мира
- •Глава 6 общая панорама современного естествознания
- •1. Естествознание в аспекте научно-технической революции
- •2. Соотношение дифференциации и интеграции научного знания
- •3. Проблема классификации наук
- •Глава 7 естествознание в системе материальной и духовной культуры человечества
- •1. Общее понятие культуры
- •2. Наука — ведущая форма культуры XX века
- •3. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
- •4. Субъективно-ценностные аспекты научного познания. Социальная ответственность ученых
- •Глава 8 современная наука и мистицизм
- •1. Общее понятие мистики
- •2. Социально-мировоззренческие истоки и аспекты мистицизма
- •3. Гносеологические, познавательные корни мистики. Современная научная картина мира и мистическое миропонимание
- •Раздел II современное естествознание о микро-, макро- и мегамирах
- •Глава 9
- •Научное познание мира «вглубь» и «вширь». Специальная и общая теории относительности
- •1. Научное познание мира «вглубь» и «вширь»
- •2. Специальная и общая теории относительности: физическое содержание и мировоззренческое значение
- •3. Развитие принципа относительности при переходе от механики Галилея—Ньютона к релятивистской картине мира
- •Глава 10 квантовая физика: становление, эволюция, принципы
- •1. Формирование квантовой физики. Специфика ее законов и принципов
- •2. Об особом смысле понятий «элементарность», «простое—сложное», «деление», «состоит из»
- •3. Многообразие и единство элементарных частиц. Проблема их классификации
- •Глава 11 от микро- к макромиру. От физики и химии к геологии и биологии
- •1. Мир атомов, молекул и химизма
- •2. От физики и химии к геологии и биологии
- •Глава 12 мегамир в его многообразии и единстве
- •1. Мегамир, его состав и строение
- •2. Эволюция Метагалактики, галактик и отдельных звезд
- •Глава 13 проблема «начала» и «конца» вселенной
- •1. Принцип несотворимости и неучтожимости материи
- •2. Проблема «тепловой смерти» Вселенной
- •3. Возможна ли единая физическая теория мира в целом?
- •Глава 14 влияние космоса на земные процессы. Человек во вселенной
- •1. Земля как элемент Солнечной системы
- •2. Космизм как особая форма мировоззрения
- •3. Солнечная активность и исторические события
- •Глава 15
- •2. Синергетика как общая наука о самоорганизации систем
- •Раздел III современное естествознание о живой природе
- •Глава 16 проблема сущности жизни
- •1. Жизнь как особая материальная система, особая форма движения материи
- •2. Клетка — структурная и функциональная единица живого
- •Глава 17 проблема происхождения жизни на земле
- •1. Основные подходы к проблеме происхождения жизни
- •2. Гипотеза а.И. Опарина о коацерватной стадии в процессе возникновения жизни
- •3. Этапы химической и предбиологической эволюции на пути к жизни
- •4. Новая гипотеза об особой роли малых молекул в первичном зарождении белково-нуклеиновых систем
- •Глава 18 эволюция жизни и ее отражение в учениях ж.Б. Ламарка и ч. Дарвина
- •1. Исторические этапы развития жизни
- •2. Ламаркистская эволюционная гипотеза
- •3. Сущность дарвиновской эволюционной теории
- •Глава 19 проблема прогресса в живой природе
- •1. Общее понятие прогресса и его проявление в живой природе
- •2. Четыре толкования прогресса в живой природе
- •3. Развитие дарвинистской концепции биологического прогресса
- •4. Общие черты, присущие прогрессивному развитию на главной магистрали
- •Глава 20 генетика и эволюционное учение
- •1. Генетика как наука, ее основные понятия
- •2. Движение генетики от антидарвинизма к союзу с дарвинизмом. Роль генетики популяций
- •3. Генетическая (генная) и клеточная инженерия
- •Глава 21 экология как наука. Структура и эволюция биосферы в целом
- •1. Дарвинизм и экология
- •2. Структура биосферы и закономерности эволюционного процесса
- •3. Современная синтетическая теория эволюции
- •Раздел IV современная наука о природных началах бытия человека
- •Глава 22
- •Естественное происхождение человека. Ступени антропосоциогенеза
- •1. Место человека в научной классификации живых существ. Отличительные признаки человека
- •2. Отряд приматов и человек как его высший представитель
- •3. Этапы становления и эволюции человека
- •4. Роль естественного отбора и социальных факторов в эволюции человека как комплексном процессе антропосоциогенеза
- •Глава 23 современная наука о сущности и истоках человеческого сознания
- •1. Обострение проблемы сознания в современной науке и философии
- •2. Отражение и информация в неживой и живой природе. Понятие психики
- •3. От психики животных к сознанию и речи человека
- •Глава 24 структура субъективного мира человека, его психической и мыслительной деятельности
- •1. Эмоции, чувства и интеллект
- •2. Сознание и самосознание
- •3. Сознательное и бессознательное
- •Глава 25 мозг и сознание, телесное и психическое
- •1. Неразрывность мозга (органа мышления) и сознания (функции мозга)
- •2. Асимметрия мозга и психические особенности правшей и левшей
- •3. Психическое управление телесными, соматическими процессами
- •4. Смерть мозга и морально-этические и правовые проблемы
- •Глава 26 генетика человека. Биологическое и социальное в человеке
- •1. Генетика человека
- •2. Сотношение биологического и социального в человеке
- •Глава 27 проблема здоровья, здорового образа жизни людей в ряду глобальных проблем современности
- •1. Здоровье
- •2. Здоровый образ жизни
- •3. Демографические и другие глобальные проблемы современности
- •Заключение
Классификация элементарных частиц
Исходя из значения спина, все элементарные частицы можно разделить на две группы. Частицы с полуцелым спином называются фермионами (в честь известного физика Ферми). Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона -частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния (то есть вся совокупность характеризующих частицу параметров) не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Частицы с целочисленным спином называются бозонами (в честь другого крупного физика - Бозе). На них запрет Паули не распространяется, и они могут находиться вместе в любом количестве.
Такое разделение частиц на две группы имеет далеко идущие последствия. Так, поля фермионов всегда остаются квантованными, и в классическом пределе они переходят в частицы. Например, мы знаем, что электрон, являющийся фермионом (его спин = 1/2), в классическом пределе выступает как истинная частица, хотя и обладает волновыми свойствами. То же относится к протону, нейтрону и всем другим частицам-фермионам. Поля же бозонов в пределе переходят в классические поля. Так, один из представителей бозонных частиц - фотон (его спин = 1) - в пределе становится классическим электромагнитным полем (свет, радиоволны). Существование фермионов и бозонов создает важнейшую предпосылку для проявлений привычного нашего макромира, состоящего из атомного вещества (фермионы) и излучений (бозоны).
Зная, что все элементарные частицы являются либо бозонами, либо фермионами, можно попытаться ответить на вопрос об элементарных «кирпичиках» материи, давно волновавший человечество. Сегодня в микромире выделяют четыре уровня вещества: молекулярный, атомный, нуклонный (уровень атомного ядра и составляющих его частиц) и кварковый. Но уже обсуждается возможный облик пятого (суперструнного) уровня. Каждый вновь открываемый уровень качественно отличается от ранее известных, его характеризуют иные свойства и иные законы поведения соответствующих частиц. Поиск самых простых частиц вещества привел исследователей к пониманию того, что абсолютной элементарности не существует, что частица любого уровня сложна в своей сущности и в своих проявлениях, она неотделима от других физических реальностей, в числе которых особая роль принадлежит фону - физическому вакууму. Условно же принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура, а их размеры недоступны измерению (они меньше, чем 10-15см).
Известны три класса таких частиц: лептоны, кварки и бозоны. Лептоны и кварки относятся к фермионам.
Класс лептонов состоит из шести частиц и шести античастиц (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино). Лептоны играют важную роль в структуре мира. Особенно велико значение электрона и нейтрино. Но лептоны не участвуют в образовании ядерных частиц - нуклонов, и в процессах, называемых сильным взаимодействием.
Класс кварков, как и класс лептонов, содержит шесть частиц и столько же античастиц. Физики назвали каждый тип кварков ароматом. Этот термин, ассоциирующийся с обонянием, на самом деле обозначает квантовое число, приписываемое частицам данного типа. Ароматы обозначаются первыми буквами английских слов, принятых в качестве их названия: up, down, strange, charmed, beauty, truth. Кварки - электрически заряженные частицы. Но их заряды имеют дробные значения по отношению к заряду электрона, условно принимаемого за 1, и равны '/з или 2/з с плюсом или минусом. Экспериментальные поиски дробного заряда оказались безуспешными, хотя точность измерений была доведена до исключительно высоких значений. Очевидно, существование в природе дробного электрического заряда возможно при условии, что такие заряды вместе со своими частицами-носителями образуют связанные объединения, в которых суммарный электрический заряд равен либо 0, либо ± 1.
Также не удалось обнаружить ни один кварк в свободном состоянии, хотя эксперименты на ускорителях дают убедительные косвенные доказательства их реального существования в связанном состоянии. Кварки и антикварки группируются либо по две, либо по три частицы, образуя составные частицы, названные адронами. Кварки существуют только в таких составных частицах, вне их в современных условиях они существовать не могут, и это - принципиальное свойство вещества на данном микроуровне.
Составленные из-кварков адроны подразделяются на три группы. Первая - барионы - образуется комбинациями трех кварков. Эта группа включает протон и нейтрон - фундаментальную основу атомных ядер. Вторую группу образуют частицы, получаемые путем сочетания кварка и антикварка. Они называются мезонами. Еще одна группа содержит частицы, образуемые сочетаниями трех антикварков. В нее попадают антипротон и антинейтрон, то есть то, что составляет основу антивещества. Вышеперечисленные частицы-адроны составляют лишь небольшую часть всех образующихся из кварков частиц. Большую часть их составляют так называемые резонансы - неустойчивые короткоживущие частицы, быстро распадающиеся на стабильные частицы.
В описанной стройной схеме обнаруживается принципиальный дефект. Кварки, будучи фермионами, должны подчиняться запрету Паули и не могут соединяться вместе, если их состояния одинаковы. А в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказываются вместе. Например, протон образуется комбинацией кварков, записываемой так: uud, нейтрон - udd. Казалось бы, нарушается запрет Паули. Для устранения этого противоречия ввели предположение, что кварки одного аромата не идентичны, что они различаются характером взаимодействия друг с другом и поэтому для их описания ввели еще одно квантовое число. С присущим физикам своеобразным чувством юмора его назвали «цветом». Как «аромат» не имеет отношения к запаху, так и «цвет» не имеет ничего общего с общепринятым смыслом этого слова. Введение нового квантового числа оказалось удачным, недавние эксперименты на ускорителях подтвердили, что разделение кварков одного аромата на три цвета - красный, зеленый, синий - отражает действительность.
При объединении кварков и антикварков в адроны должны выполняться два условия: суммарный электрический заряд кварков в адроне должен быть целочисленным; кварки, соединяющиеся в адрон, должны полностью компенсировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку бесцветности. Это связано с тем, что только кварки проявляют способность к сильному взаимодействию, связанному с цветовыми силами. Адроны таких способностей не имеют в силу своей бесцветности (конфаймент).
Таковы основы современных представлений о строении материи на микроуровне.
План семинарского занятия (2 часа)
1. Структурность и системность как атрибуты материи.
2. Поле и вещество.
3. Классификация элементарных частиц.
Темы докладов и рефератов
1. История открытия основных элементарных частиц.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ахиезер А.И., Рекало М.П. Современная физическая картина мира. М., 1980.
2. Вайнберг С. Открытие субатомных частиц. М., 1986.
3. Готт B.C., Сидоров В.Г. Философия и прогресс физики. М., 1986.
4. Денис П. Суперсила. М„ 1989.
5. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. М., 1995.
6. Философские проблемы естествознания. М., 1985
7. Чолпан П.Ф. Курс физики: Методологические и философские вопросы. Киев, 1990.