Шпаргалка по "Концепции современного естествознания"

Укорененность в нынешней научной картине мира представления о всеобщем характере эволюции является ее главной отличительной чертой.

12.Самоорганизация  в живой и неживой природе.  Синергетика как наука о самоорганизации систем.

Появлении синергетики  в современном естествознании,инициировано подготовкой глобального эволюционного синтеза всех естественнонаучных дисциплин.Эту тенденцию сдерживала разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой природе.В классической науке (19века) господствовало убеждение,что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякою упорядоченности,стремление к исходному равновесию,что в энергетическом смысле и означало неупорядоченность,т.е. хаос.Такой взгляд сформировался под воздействием  - равновесной термодинамики.Эта наука занимается процессами взаимопревращения различных видов энергии.Ею установлено,что взаимные превращения тепла и работы неравнозначны.Работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами,а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно.Знаменитое второе начало термодинамики в формулировке немецкого физика Клаузиуса: теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему.

Закон сохранения и превращения  энергии (первое начало термодинамики) не запрещает такого перехода, лишь бы кол-во энергии сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности такого никогда не происходит. Для отражения этого процесса было введено новое понятие – энтропия (мера беспорядка системы). При самопроизвольных процессах в системах,имеющих постоянную энергию,энтропия всегда возрастает.Необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах приведет к превращению всех видов энергии в тепловую,которая рассеется,т.е. в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что будет означать полный хаос,или термодинамическое равновесие (максимальная энтропия).

Наблюдается явная нестыковка законов живой и неживой природы.Ведь предполагаемый дарвиновской теорией  процесс развития растительного  и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением,живая природа стремилась прочь от термодинамического равновесия. Это многократно возросло после замены модели стационарной Вселенной на модель развивающейся.

Для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать  наличие у материи не только разрушительной,но и созидательной тенденции.Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия,самоорганизовываться и самоусложняться.Возникла синергетика – теория самоорганизации. В настоящее время она развивается по нескольким направлениям: синергетика (Хакен),неравновесная термодинамика (Пригожин) и др.

Мировоззренческий сдвиг,произведенный  синергетикой:

-процессы разрушения и созидания,деградации  и эволюции во Вселенной равноправны;

-процессы созидания (нарастания  сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем,в которых они осуществляются.

Синергетика претендует на открытие универсального механизма самоорганизации как в живой,так и в неживой природе.

Самоорганизация – спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации.

Объектом синергетики могут  быть только те,которые удовлетворяют по меньшей мере двум условиям:

-они должны быть открытыми,т.е.  обмениваться веществом или энергией  с внешней средой;

-они должны быть существенно  неравновесными,т.е. находится в  состоянии,далеком от термодинамического равновесия.

Современная физика полагает,что для  вещественной Вселенной такой средой является вакуум.

Синергетика утверждает,что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и  упорядоченности.В цикле развития такой системы 2 фазы:

1)период плавного эволюционного  развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями,подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию.

2)выход из критического состояния  одномоментно,скачком и переход  в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Переход системы в  новое устойчивое состояние неоднозначен.

Формирование живого организма,динамика популяций,рыночная экономика,наконец,в которой хаотичные действия свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и сложных макроструктур – примеры самоорганизации систем различной природы.

13. Современные  научные представления о микромире, макромире и мегамире.

В современной науке в основе представлений о мире лежит системный  подход,согласно которому любой объект материального мира (атом,планета,организм или галактика) может быть рассмотрен как сложное образование,включающее составные части,организованные в целостность.Для обозначения целостности объектов в науке было выработано понятие системы.

Система – совокупность элементов  и связей между ними.

Элемент – компонент в рамках системы (минимальный,далее уже неделимый).Элемент  является таковым только по отношению к данной системе,в других же отношениях он сам может представлять сложную систему.

В науке выделяют три уровня строения материи:

Макромир – мир макрообъектов,размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах,сантиметрах и километрах,а время – в секундах,минутах,часах,годах.

Микромир – мир предельно малых,непосредственно не наблюдаемых микрообъектов,размерность которых исчисляется от 10 в –8 до 10 в –16 см,а время жизни – от бесконечности до 10 в –24 с.

Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей,расстояние в котором измеряется световыми годами,а время – миллионами и миллиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют  свои специфические закономерности,микро-,макро- и мегамиры тесно взаимосвязаны.

14. Двойственный мир классической  физики. Вещество и поле как  виды материи.

В истории изучения природы  можно выделить два этапа: 1. Донаучный (натурфилософский) – охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в 16-17 вв. Наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов. Наиболее значимым для развития естественных наук был античный атомизм – учение, согласно которому все тела состоят из атомов – мельчайших частиц в мире. Исходными началами выступали атомы и пустота. Сущность протекания природных процессов объяснялась на основе механического взаимодействия атомов, их притягивания и отталкивания. 2. Научный этап – начинается со становления классической механики. Г. Галилей (16 в.) обосновал гелеоцентрическую систему Н. Коперника, открыл закон инерции, разработал методологию нового способа описания природы – научно-теоретического. Его суть заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические хар-ки, которые и становились предметом исследования. Это позволяло строить теоретические модели и проверять их в условиях научного эксперимента.  И. Ньютон – разработал строгую научную теорию механики, описывающую движение небесных тел и земных объектов одними и теми же законами. В рамках механической картины мира, разработанной Ньютоном, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц – атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса. Пространство абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время не зависит ни от пространства, ни от материи. Итог – картина Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий. Но с помощью этой теории нельзя полностью объяснить оптические и электромагнитные явления. Гюйгенс первым сформулировал волновую теорию. в ней предполагалось наличие упругой среды, заполняющей всё пространство – светоносного эфира, колебания которого создают картину волны. После открытия явления дифракции (слабые участки освещенности в форме перемежающихся темных и светлых полосок на границах резких теней), которое нельзя объяснить на основе теории Ньютона,  Гюйгенс стал ревностным сторонником волновой теории света.  В 19 в. К.Юнг и О.Ж. Френель вновь выдвинули эту теорию. Юнг дал объяснение явлению интерференции (появление тёмных полосок при наложении света на свет). М. Фарадей и Дж. К. Максвелл своими работами в области электромагетизма окончательно разрушили представления ньютоновской физики как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира. Фарадей в 1845 г. пришёл  к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Максвелл в 1862 г. чисто математическим путём нашёл систему дифференциальных ур-ний, описывающих электромагнитное поле. Эта система даёт полное описание электромагнитных явлений и представляет собой такую же совершенную и логически стройную теорию, как и система Ньютоновской механики. Единая сущность света и электричества была экспериментально подтверждена Г. Герцем в 1888 г. После его эксперементов в физике окончательно утвердилось понятие поля как объективно существующей физической реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи. К концу 19 в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного в-ва и непрерывного поля. 1. Вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно. 2. Частицы в-ва обладают массой покоя, а поле – нет. 3. В-во мало проницаемо, а поле полностью проницаемо. 4. Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц в-ва меньше её на много порядков. 

15. Корпускулярно-волновой дуализм  в современной физике.

При переходе к исследованию микромира выяснилось, что физическая реальность едина. Исследуя микрочастицы, ученые увидели, что одни и те же объекты обнаруживают как волновые , так и корпускулярные св-ва. 1. М. Планк пришел к выводу, что процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена лишь в известных неделимых порциях – квантах. Сумма энергий квантов опрделяется через число колебаний соответствующего вида излучений и универсальную естественную константу h, введенную Планком 14.12. 1900 г. (E=hy, где hy – квант энергии. y – частота). Был заложен фундамент квантовой теории, положено начало атомной физике и новой эре естествознания. 2. Эйнштейн в 1905 г. распространил квантовую теорию с теплового излучения на излучение вообщею Фотонная теория эйнштейна утверждала, что свет – это постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление; и вместе с тем свет имеет прерываистую структуру. Свет рассматривается как поток световых квантов, или фотонов. Эта теория помогла понять явление фотоэлектрического эффекта (выбивание электронов из в-ва под воздействием электромагнитных волн). Квантовую теорию света экспериментально подтвердили Милликен и Комптон. В результате обнаружилось, что свет ведёт себя не только как волна, но и как поток корпускул.  3. В 1924 г. Луи де Бройл выдвинул идею о волновых св-вах материи (работа "Свет и материя"). Утверждал, что волновые св-ва присущи всем видам материи – электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Это помогло построить теорию, с помощью которой можно было охватить св-ва материи и света в их единстве. В 1926 г. Шредингер нашел математическое ур-е, определяющее поведение волн материи, Дирак обобщил его. Опытное подтверждение гипотеза Бройля получила в 1927 г., когда Дэвинсон и Джермер обнаружили дифракцию электронов. Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как волновых, так и корпускулярных св-в. Этот факт разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключённую в малом объеме или конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления. Квантовомеханическое описание мира основывается: 1. На соотношении неопределённостей, установленным Гейзенбергом. Суть этого соотношения в том, что никогда нельзя одновременно знать оба параметра – координату и скорость. Соотношение неопределённостей – это выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. 2. На принципе дополнительности Бора. "Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего". Противоречия корпускулярно-волновых св-в микрообъектов является результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов (в экспериментах). Чтобы получить общую картину микромира, корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплиментарными.

16. Элементарные  частицы как глубинный уровень  структурной организации материи.

В настоящее время открыто более 350 микрочастиц. Термин «элементарная  частица» первоначально означал  простейшие,далее ни на что не разложимые частицы,лежащие в основе любых материальных образований. Основные характеристики: масса, заряд, среднее время жизни, спин, квантовые числа. Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. -фотоны –не имеющие массы покоя; -лептоны – легкие частицы (электрон,нейтрино); -мезоны – средние частицы с массой в пределах от1 до1000 масс электрона; -барионы – тяжелые частицы,чья масса превышает 1000 масс электрона и в состав которых входят протоны,нейтроны,гипероны и многие резонансы. Электрический заряд может быть положительным,отрицательным или нулевым.Каждой частице,кроме фотона и двух мезонов,соответствуют античастицы с противоположным зарядом. По времени жизни делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные: фотон,две разновидности нейтрино,электрон и протон (играют важнейшую роль в структуре макротел).Все остальные частицы нестабильные,существуют около 10 в –10 – 10 в –24 с,после чего распадаются.Резонансы – элем.частицы со средним временем жизни 10 в –23 – 10в-22 с,распадаются до того ,как успеют покинуть атом или ядро. Спина, или собственного момента количества движения микрочастиц, и понятием квантовых чисел. –фермионы (кварки и лептоны),составляют вещество. -бозоны (кванты полей – фотоны,векторные бозоны,глюоны,гравитино и гравитоны),переносят взаимодействие. Считаются истинно элементарными,т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы считаются условно элементарными,т.е. составные частицы,образованные из кварков и квантов полей.

Различают 4 вида фундаментальных взаимодействий: 1)сильное –происходит на уровне атомных ядер,действует на расстоянии 10в-13см. 2)электромагнитное – слабее сильного, но дальнодействующее, носитель – фотон. 3)слабое – возможно между различными частицами и связано главным образом с распадом. 4)гравитационное – сила тяготения,расстояние бесконечно. Все 4 взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира.

17. Мегамир:  современные астрофизические концепции.  Современная модель эволюции  вселенной.

В классической науке существовала теория стационарного состояния Вселенной,вопрос  об ее эволюции не ставился.

Постулаты классической ньютоновской космологии: -вселенная всесуществующая.Космология познает мир таким,как он существует сам по себе. -пространство и время Вселенной абсолютны,не зависят от материальных объектов и процессов. -пространство и время бесконечны. -пространство и время однородны и изотропны. -Вселенная стационарна,не претерпевает эволюции.