- •Федеральное агентство по образованию
- •Е.А.Коломийцева концепции современного естествознания Краткий курс лекций
- •Содержание
- •Вступление
- •Лекция 1. Предмет и методы естествознания
- •1. Предмет естествознания. Естественнонаучная и гуманитарная культуры.
- •2. Наука и научный метод.
- •3. Исторические аспекты развития естествознания.
- •4. Основные разделы современного естествознания.
- •5. Структурные уровни организации материи.
- •Лекция 2. Практические методы физических исследований. Физические величины и измерения.
- •Измерения и измерительные приборы.
- •Для измерения времени также нужен эталон. В настоящее время считается, что 1 секунда – это время, за которое происходит 9192631830 периодов колебаний излучения, испускаемого изотопом цезия .
- •Физические размерности. Международная система си.
- •4. Погрешности измерений.
- •Перечислим основные факторы неточности эксперимента. Помимо грубых промахов самого экспериментатора, их можно разделить на две группы:
- •1) Систематические, которые определяются классом точности прибора (1/2 цены деления) и, возможно, какой-то постоянной ошибкой прибора;
- •Эксперимент.
- •Использование результатов эксперимента. Теория. Критерии научности и истинности теории.
- •Классическая механика и границы ее применимости. Материальная точка. Система отсчета.
- •Траектория, путь и перемещение. Радиус-вектор. Кинематические уравнения.
- •Средняя и мгновенная скорости. Ускорение.
- •Движение материальной точки по окружности. Угол поворота, угловая скорость и угловое ускорение.
- •Связь между линейными и угловыми кинематическими характеристиками движения.
- •Лекция 4. Силы в природе. Фундаментальные взаимодействия.
- •Понятие силы.
- •Динамика макромира. Законы классической механики.
- •Силы в природе.
- •Фундаментальные взаимодействия.
- •Лекция 5. Меры движения – импульс и энергия. Законы сохранения и симметрия пространства - времени.
- •Импульс.
- •Работа в механике. Консервативные и неконсервативные силы.
- •Виды энергии.
- •Момент импульса.
- •Законы сохранения и симметрия пространства-времени.
- •Концепции близкодействия и дальнодействия.
- •Лекция 7. Мегамир. Элементы частной теории относительности. Релятивистская концепция.
- •Движение с большими скоростями.
- •Постулаты Эйнштейна и принцип относительности Эйнштейна.
- •Преобразования Лоренца и следствия из них.
- •Правило сложения скоростей.
- •Масса. Взаимосвязь массы и энергии.
- •Представление об общей теории относительности.
- •Интервал и принцип причинности.
- •Лекция 8. Проблемы пространства и времени.
- •Что мы понимаем под пространством?
- •Основные свойства пространства.
- •Проблемы в представлениях о пространстве.
- •Способы измерения времени.
- •Основные свойства времени.
- •Проблемы в представлениях о времени.
- •Лекция 9. Волновые процессы.
- •Колебания.
- •Скорость и ускорение при колебаниях. Фазовое пространство.
- •Свободные гармонические затухающие колебания и вынужденные колебания.
- •Волновые процессы.
- •Свойства волн.
- •Электромагнитные волны в природе и технике.
- •Автоволны.
- •Лекция 10. Законы микромира. Корпускулярно-волновой дуализм материи. Принцип дополнительности и проблемы причинности.
- •Гипотеза квантов энергии м.Планка.
- •Гипотеза де Бройля. Волновые свойства частиц.
- •Динамика микрочастиц. Принцип неопределенностей Гейзенберга
- •- Принцип неопределенностей Гейзенберга.
- •Представление о квантовой механике.
- •Проблемы причинности.
- •Лекция 11. Элементарные частицы. Кварки.
- •Классификация элементарных частиц.
- •Взаимные превращения элементарных частиц.
- •Гипотеза кварков.
- •Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия.
- •Лекция 12. Радиоактивность
- •Радиоактивные распады.
- •Виды радиоактивных распадов.
- •Законы радиоактивных распадов.
- •Воздействие излучения на человека.
- •Дозиметрия.
- •Лекция 13. Динамические и статистические закономерности.
- •Термодинамический и статистический методы изучения многочастичных систем.
- •Термодинамическое равновесие и квазистатические процессы.
- •Понятие температуры.
- •Теплота, внутренняя энергия и работа.
- •Лекция 14. Энергия в термодинамических процессах.
- •Первое начало термодинамики как закон сохранения энергии.
- •Тепловые машины. Цикл Карно.
- •Деградация энергии. Тепловое загрязнение окружающей среды.
- •Традиционные и нетрадиционные источники энергии.
- •Лекция 15. Порядок и беспорядок в природе. Фазовые переходы. Энтропия. Второе начало термодинамики и «стрела времени».
- •Энтропия.
- •Статистическое толкование энтропии.
- •Второе начало термодинамики.
- •Энтропия и информация.
- •Фазовые переходы. Нарушения симметрии при фазовых переходах и параметр порядка.
- •Лекция 16. Синергетика. Соотношение порядка и хаоса в открытых неравновесных системах.
- •Открытые неравновесные системы.
- •Функция диссипации. Диссипативные структуры.
- •Сценарий образования упорядоченных структур.
- •Примеры самоорганизации в неживой природе: Возникновение структуры как фазовый переход.
- •Бифуркации. Вероятностный характер эволюции системы. Динамический хаос.
- •Аттракторы. Фракталы.
- •Лекция 17. Происхождение и эволюция Вселенной.
- •Строение Вселенной.
- •Гипотезы о возникновении Вселенной.
- •«Инфляционная модель».
- •Физический вакуум.
- •Виды галактик. Млечный Путь.
- •Звезды и их эволюция. Главная последовательность.
- •Черные дыры.
- •Солнце и Солнечная система.
- •Лекция 18. Планета Земля.
- •Формирование и строение Земли.
- •Строение Земли.
- •История геологического развития Земли.
- •Литосфера и ее экологические функции.
- •Магнитосфера.
- •Гидросфера.
- •Атмосфера.
- •Географическая оболочка Земли.
- •Климат.
- •Географическая широта местности
- •10. Глобальные изменения климата.
- •Лекция 19. Элементы химии.
- •Химические элементы. Периодическая система элементов д.И.Менделеева.
- •Понятие вещества. Агрегатные состояния вещества. Виды химических связей.
- •Реакционная способность веществ. Виды химических реакций.
- •Тепловой эффект химических реакций и энтропия.
- •Химическое равновесие. Катализ и его виды.
- •Лекция 20. Вода и гипотезы о происхождении жизни на Земле. Самоорганизация в живой природе.
- •Особенности биологического уровня организации материи.
- •Вода как колыбель жизни.
- •Исторический обзор основных концепций возникновения жизни на Земле.
- •Самоорганизация в живой природе.
- •Лекция 21. Биосфера и проблемы экологии. Понятие о ноосфере.
- •Уровни организации живой материи.
- •Биосфера.
- •Биоценоз. Биогеоценоз.
- •Проблемы взаимодействия человека и природы.
- •Возможные сценарии развития биосферы.
- •Учение в.И.Вернадского о ноосфере.
- •Лекция 22. Молекулярные основы жизни. Днк и информация.
- •Молекулярные механизмы жизни.
- •Элементарные представления о строении клетки и ее жизнедеятельности.
- •Днк и информация.
- •Мутации как ошибки при репликации днк.
- •Проблемы биологической этики.
- •Поведенческая информация. Информация и жизнь.
- •Лекция 23. Феномен человека.
- •Антропология.
- •Человек как высшая ступень эволюции. Основные этапы антропогенеза.
- •Концепция географически детерминированного этногенеза л.Н.Гумилева..
- •Космические и биологические циклы. Русский космизм (идеи а.Л.Чижевского, к.Э.Циолковского).
- •Антропный принцип.
- •Человек: индивидуум, личность, индивидуальность.
- •Самоорганизация в социально-экономических системах.
- •Лекция 24. Теория эволюции в биологии. Принципы универсального эволюционизма. Путь к единой культуре.
- •Додарвиновский эволюционизм. Идеи Ламарка и Кювье.
- •Классическая теория эволюции ч.Дарвина.
- •Современная теория эволюции.
- •Квантовый характер видообразования.
- •Принцип универсального эволюционизма.
- •Вопросы для подготовки к экзамену
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Рекомендуемая литература
Проблемы в представлениях о пространстве.
3.1 Фракталы. В 1919 г. математик Ф.Хаусдорф определил пространство дробной размерности. Позже такие пространства стали называть фракталами. Сначала это были чисто математические построения. Но впоследствии оказалось, что фрактальная геометрия позволяет описывать множество классов сложных физических, химических, биологических явлений. Бенуа Мандельброт писал: «Почему геометрию часто называют холодной и сухой? Одна из причин заключается в ее неспособности описать форму облака, горы, дерева или берега моря… Природа демонстрирует нам не просто высокую степень, а совсем другой уровень сложности. Число различных масштабов длин в структурах всегда бесконечно.»
Фрактальные объекты обладают структурами бесконечного количества масштабов. Границы областей во фрактальной геометрии выглядят изломанными, наподобие морского берега, и отличаются самоподобием: одна и та же форма встречается в различных местах и имеет разные размеры. Чем более мелкий масштаб будет выбран для измерения такой границы, тем длиннее она окажется, в пределе стремясь к бесконечности.
3.2. Неевклидовы геометрии. Геометрия Евклида базируется на 5 постулатах – утверждениях, принимаемых без доказательства и формулирующих основные понятия и свойства пространства.
Пятый постулат Евклида гласит: «Если две прямые пересечены третьей, то они пересекаются в той полуплоскости относительно секущей, где сумма односторонних внутренних углов меньше двух прямых.» Это утверждение выглядит похоже на теорему, и многие ученые пытались его доказать. Великому русскому математику Н.Н.Лобачевскому впервые пришло в голову отказаться от пятого постулата, и в результате им была разработана новая, неевклидова геометрия, в которой сумма углов треугольника меньше 180о (треугольник на вогнутой поверхности). Впоследствии Риман получил другую геометрию, в которой сумма углов треугольника больше 180о (треугольник на выпуклой поверхности, например на сфере). Оказалось, что именно Риманова геометрия описывает пространство вблизи больших масс, искривленное вследствие тяготения. Мегамир подчиняется Римановой геометрии.
3.3. Идеи В.И.Вернадского. Академик В.И.Вернадский указывал, что реальность гораздо сложнее тех моделей, которые наука использует для ее описания. Он считал, что опираться в представлениях о пространстве только на Риманову геометрию столь же неправильно, как ранее - только на Евклидову: «В научно изучаемых явлениях в разных случаях и в разных проявлениях космоса могут одновременно сказываться разные геометрии. …История науки доказывает, что геометрия и ее законы в своих основах выявлены эмпирическим путем, как и все другие научные обобщения свойств материи и энергии. Исходя из этого, можно допустить, что реальность геометрически неоднородна и что в разных явлениях могут проявляться разные геометрии.»
Вернадский особо интересовался взаимодействием живого и косного (не имеющего отношения к жизни) вещества. К проблеме пространства он подходил именно с этих позиций. По его мнению, оказывается удобно для постановки естественнонаучной работы принять как рабочую гипотезу, что пространство внутри живого вещества – иное, чем внутри косных тел биосферы.
Для пространства, занятого живым веществом биосферы, характерны:
полярные векторы, т.е. отсутствие центра симметрии и сложных симметрий;
резкая химическая нетождественность правых и левых явлений и соединений (атомных структур – молекул и кристаллов);
отсутствие в живых организмах плоских поверхностей и прямых линий;
это пространство конечное, замкнутое, обособленное, резко отличающееся от окружающего.
Существование правизны и левизны и их физико-химическое неравенство указывают на другую, чем Евклидова, геометрию.
Геометрия, отвечающая требуемым условиям, не разработана. По мнению математика академика Н.Н.Лузина это может быть одна из геометрий типа Римановых. Возможно, плодотворным окажется подход к этим проблемам с позиций фрактальной геометрии.
Что мы понимаем под временем?
Время – феномен удивительный. Сущность его нам непонятна, но ориентироваться в нем мы умеем потому, что оно поддается измерению. Еще в начале У века н.э. блаженный Августин писал: «Если меня никто об этом не спрашивает, я знаю, что такое время. Если бы я захотел объяснить спрашивающему, нет, не знаю…»
В 1 половине ХХ в. время впервые стало объектом исследования. Прежде оно всегда находилось за рамками научного рассмотрения. В.И.Вернадский видел в этом факте отличительную характеристику науки ХХ в. в целом. Стало ясно, что время – это чрезвычайно сложное проявление реальности, и содержание этого понятия чрезвычайно различно.
Пространство для нас неотделимо от времени. Это представление не является следствием теоретических положений Эйнштейна и получено независимо от них и много раньше. Но если примитивное представление о пространстве есть и у животных, то понятие времени должно было сформироваться лишь у человека, когда он обособился от мира животных. Действительно, категория времени требует наличия памяти («это было вчера»), способности программировать будущее («это будет завтра»), наличие хотя бы элементарной логики (понимание причинно-следственной связи между событиями).
Особо отметим последнее: время тесно связано с возможностью устанавливать причинно-следственную связь между явлениями, т.е. последовательность событий. Одно из определений времени так и звучит: время – это последовательность явлений, или порядок смены явлений.