Контрольная работа: Концепция современного естествознания
В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц, которая обладает следующими свойствами :
Фотон является электрически нейтральной частицей, т.е. его заряд равен нулю (q = 0).
Во всех системах отсчета скорость фотона равна скорости света в вакууме (м = с).
Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения, квантом которого он является (Е = hv).
Импульс фотона равен отношению его энергии к скорости и обратно пропорционален длине волны
Рассмотрение электромагнитного поля даже в рамках классической теории позволяет приписать ему "традиционные" для частиц характеристики: энергию и импульс. Квантованный характер обмена энергией между веществом и полем и открытые законы фотоэффекта делали весьма соблазнительной идею рассмотрения поля как совокупности частиц фотонов, рождающихся и гибнущих при излучении и поглощении света соответственно. Поскольку скорость распространения электромагнитного поля в вакууме совпадает с предельным значением с, фотон является ультрарелятивистской частицей с равной нулю массой покоя: в противном случае импульс фотона был бы бесконечно большим, и процедура загорания на пляже не доставляла бы нам ни малейшего удовольствия:
Наличие импульса у фотона позволило изящно и количественно правильно описать явление светового давления как простое следствие закона сохранения импульса при поглощении света веществом.
Концепция фотонов привела к большим трудностям при интерпретации экспериментов по интерференции и дифракции, доказывающих волновую природу света.
В 1900 г. Планк выдвинул гипотезу о квантованности излучаемой энергии. Порция излучаемой энергии равна
? = h·?, где h - постоянная Планка, ?? - частота электромагнитного излучения.
Идея квантования является одной из величайших физических идей. Оказалось, что многие величины считавшиеся непрерывными, имеют дискретный ряд значений. На базе этой идеи возникла квантовая механика, описывающая законы поведения микрочастиц.
Гипотеза Планка получила дальнейшее развитие в работах Эйнштейна. Электромагнитная волна не только излучается, но и поглощается и распространяется в виде потока квантов. Итак, электромагнитное излучение (в том числе и свет) представляет собой поток фотонов.
Фотон - мельчайшая частица электромагнитного излучения, имеющая энергию в один квант.
Световые частицы (фотоны) одновременно обладают и волновыми и корпускулярными свойствами. Фотоны, как любые частицы, имеют массу. Из закона взаимосвязи массы и энергии следует, что энергию фотона можно выразить как ??m·c2. Из формул 1 и 2 получим, что масса фотона равна m = h·??c2.
Масса определяемая соотношением 3, является массой движущегося фотона. Фотон не имеет массы покоя (m0 = 0), так как он не может существовать в состоянии покоя. Все фотоны движутся со скоростью с = 3·108 м/с. Очевидно импульс фотона P = m·c, откуда следует, что P = h·??c = h/?.
Наличие импульса у фотона экспериментально подтверждается открытием давления света. В таблице приведены волновые и корпускулярные характеристики фотона, и их взаимосвязь.
Величины, описывающие волновые свойства Величины, описывающие квантовые свойства Формулы, объединяющие два класса величин
Частота - ? Масса фотона - m m = h·??c2
Период - T Скорость фотона - c
Длина волны - ? Импульс фотона - p = m·c p = h·??c =h/?
V = ?·? Энергия E = m·c2 E = h·?
Популяция - структурная единица вида. Популяция - совокупность особей одного вида, занимающих определенный ареал, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, генетическую основу и в той или иной степени изолированных от других популяций данного вида.
Важный признак вида - расселение его группами, популяциями в пределах ареала. Популяция - совокупность свободно скрещивающихся особей вида, которые длительное время существуют относительно обособленно от других популяций на определенной части ареала.
Факторы, способствующие объединению особей в популяции, - свободное скрещивание (взаимоотношения полов), выращивание потомства (генетические связи), совместная защита от врагов, типы взаимоотношений организмов разных видов: хищник-жертва, хозяин-паразит, симбиоз, конкуренция .
Популяция - структурная единица вида, характеризуется определенной численностью особей, ее изменениями, общностью занимаемой территории, определенным соотношением возрастного и полового состава. Изменение численности популяций в определенных пределах, сокращение ее ниже допустимого предела - причина возможной гибели популяции.
Изменение численности популяций по сезонам и годам (массовое размножение в отдельные годы насекомых, грызунов). Устойчивость численности популяций, особи которых имеют большую продолжительность жизни и низкую плодовитость.
Причины колебания численности популяций: изменение количества пищи, погодных условий, экстремальные условия (наводнения, пожары и пр.). Резкое изменение численности под влиянием случайных факторов, превышение смертности над рождаемостью - возможные причины гибели популяции.
Саморегуляция численности популяции. Вслед за возрастанием численности одних видов появляются факторы, вызывающие ее ограничение. Так, возрастание численности растительноядных животных сопровождается увеличением численности хищников, паразитов. Вследствие этого происходит снижение численности растительноядных животных, а затем и численности хищников. Таков механизм саморегуляции численности всех популяций, сохранения ее на определенном уровне.
Разные популяции одного вида могут отличаться по частоте генов. Важнейшим свойством генов является сочетание их высокой устойчивости в ряду поколений со способностью к наследуемым изменениям (мутациям), служащим основой изменчивости организмов, дающей материал для естественного отбора. Так же число генов, зависит от особенностей окружающей среду, где обитает популяция, поэтому в разных условиях окружающей среды число генов может меняться.
Деление клеток - основа роста и размножения организмов, передачи наследственной информации от материнского организма (клетки) к дочернему, что обеспечивает их сходство. Деление клеток образовательной ткани - причина роста корня и побега верхушками.
Ядро и расположенные в них хромосомы с генами - носители наследственной информации о признаках клетки и организма. Число, форма и размеры хромосом, набор хромосом - генетический критерий вида. Роль деления клетки в обеспечении постоянства числа, формы и размера хромосом. Наличие в клетках тела диплоидного (46 у человека), а в половых - гаплоидного (23) набора хромосом. Состав хромосомы - комплекс одной молекулы ДНЯ с белками.3. Жизненный цикл клетки: интерфаза (период подготовки клетки к делению) и митоз (деление).
1) Интерфаза - хромосомы деспирализованы (раскручены). В интерфазе происходит синтез белков, липидов, углеводов, АТФ, самоудвоение молекул ДНК и образование в каждой хромосоме двух хроматид;
2) фазы митоза (профаза, метафаза, анафаза, телофаза) - ряд последовательных изменений в клетке: а) спирализация хромосом, растворение ядерной оболочки и ядрышка; б) формирование веретена деления, расположение хромосом в центре клетки, присоединение к ним нитей веретена деления; в) расхождение хроматид к противоположным полюсам клетки (они становятся хромосомами); г) формирование клеточной перегородки, деление цитоплазмы и ее органоидов, образование ядерной оболочки, появление двух клеток из одной с одинаковым набором хромосом (по 46 в материнской и дочерних клетках человека).
Репликация ДНК происходит следующим образом. Двойная спираль раскручивается по разрывающимся водородным связям. Определенные ферменты строят новые цепи, связывая между собой нуклеотиды, комплиментарные нуклеотидам каждой из двух исходных цепей спирали ДНК .
Значение митоза - образование из материнской двух дочерних клеток с таким же набором хромосом, равномерное распределение между дочерними клетками генетической информации.
Современный уровень знаний в области биохимии позволяет не только понять и проследить тонкие процессы происходящие на генном уровне, но и использовать их в своих целях. Разрабатываются методы генной инженерии, позволяющие внедрить в клетку желаемую генетическую информацию. Появилась возможность изучать распределение нуклеотидов в определенном гене или получать нужный белок. Для этого создается рекомбинатная ДНК, которая возникает, когда ДНК одного организма внедряется в клетку другого. Так, в 80-е годы были разработаны интерфероны - белки, способные подавлять размножение вирусов.
Около 50 лет назад в результате развития термодинамики возникла новая дисциплина - синергетика. Являясь наукой о самоорганизации самых различных систем - физических, химических, биологических и социальных - синергетика показывает возможность хотя бы частичного снятия междисциплинных барьеров не только внутри естественно научной отросли знания, но так же и между естественно научной и гуманитарной культурами. Слово "синергетика" и означает "совместное действие", подчеркивая согласованность функционирования частей, отражающихся в поведении системы как целого. То есть предлагаются базовые модели, новые понятия и методы, которые могут быть применены в данной ситуации, которые могут стать основой построения новой нелинейной познавательной парадигмы, а могут остаться находками в различных дисциплинах.
Дерзкая мысль о поиске аналогий и общих закономерностей преобразования структур в столь разнообразных по форме и различных по своей природе системах показалось весьма привлекательной профессору Хакену. Он назвал общие черты изучаемых синергетикой систем. Такие системы:
· состоят из одинаковых или различных систем, взаимодействующих друг с другом;
· нелинейные;
· открытые и далеки от теплового равновесия;
· подвержены внутренним и внешним колебаниям;
· способны эволюционируя, утрачивать устойчивость и становиться нестабильными.
Любое синергетической исследование начинается с описания состояния системы, - иными словами ее параметров или переменных состояний. Их полный набор определяет состояние системы.
Говоря о состоянии системы, нельзя не упомянуть о случайных событиях. Они подразделяются на два типа: события остающиеся случайными при любом уровне знаний (например, невозможно предсказать, в какой момент времени произойдет распад радиоактивного атома) и события случайность которых связана с полнотой знаний, т.е. с уровнем описания (таковы флуктуации плотности в жидкостях, газах, твердых телах или флуктуации электрического тока в металлах и полупроводниках)
Случайность в обыденном смысле есть проявление хаоса. Это нечто непредвиденное, беспричинное, бессмысленное. В современной науке случайное превратилось в отвечающую всем научным стандартам, строго и полно определенную форму порядка. Создать работающие модели многих явлений удалось только после кардинального изменения подхода к случайному.
Путь развития сложной системы всегда неединственный. Можно вмешаться в нужный момент в ход событий и изменить его. Таким образом, будущее также, оказывается, имеет неединственный вариант. В данном случае ответ синергетики состоит в том, что во множестве случаев происходит самоорганизация, связанная с выделением так называемых параметров порядка.
Синергетика занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких, как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны, механические элементы, фотоны, органы, животные и даже люди. При выборе математического аппарата необходимо иметь в виду, что он должен быть применим к проблемам, с которыми сталкиваются физик, химик, биолог, электротехник и инженер механик. Не менее безотказно он должен действовать и в области экономики, экологии и социологии. Во всех этих случаях нам придется рассматривать системы, состоящие из очень большого числа подсистем, относительно которых мы можем не располагать всей полной информацией. Для описания таких систем не редко используют подходы, основанные на термодинамики и теории информации.
Во всех системах, представляющих интерес для синергетики, решающую роль играет динамика. Как и какие макроскопические состояния образуются, определяются скоростью роста (или распада) коллективных "мод". Можно сказать, что в определенном смысле мы приходим к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распознается не только на органический, но и на неорганический мир: возникновение макроскопических структур обусловленных рождением коллективных мод под воздействием флуктуаций, их конкуренцией и, наконец, отбором "наиболее приспособленной" моды или комбинации таких мод. Ясно, что решающую роль играет параметр "время". Следовательно, мы должны исследовать эволюцию систем во времени. Именно поэтому интересующие нас уравнения иногда называют "эволюционными".
Хаос - неупорядоченно, неструктурированное состояние системы. Катастрофа - резкое разрушение системы в результате роста энтропии и хаоса.
Бифуркация в широком понимании - приобретении нового качества движениями динамической системы при малом изменении ее параметров (возникновение при некотором критическом значении параметра нового решения уравнений). Отметим, что при бифуркации выбор следующего состояния носит сугубо случайный характер, так что переход от одного необходимого устойчивого состояния к другому необходимому устойчивому состоянию проходит через случайное (диалектика необходимого и случайного). Любое описание системы, претерпевающей бифуркацию, включает как детерминистический, так и вероятностный элементы, от бифуркации до бифуркации поведении системы детерминировано, а в окрестности точек бифуркации выбор последующего пути случаен. Проводя аналогию с биологической эволюцией можно сказать, что мутации - это флуктуации, а поиск новой устойчивости играет роль естественного отбора. Бифуркация в некотором смысле вводит в физику и химию элемент историзма - анализ состояния, например, подразумевает знание истории системы, прошедшей бифуркацию.
4. Пахустов Б.К. Концепции современного естествознания: УМК. - Новосибирск: СибАГС, 2001.
5. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник. - Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
6. Дубнищева Т.Я. Концепции Современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах - Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2003.
