Реферат: Концепция естествознания
Если статистическая физика рассматривает теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул, то термодинамика не анализирует внутреннее строение систем, а исследует физические процессы преобразования тепловой энергии. Так первый закон термодинамики утверждает, что всякое тело обладает внутренней энергией U, причем она может уменьшиться, если тело совершило работу А, и увеличиться, если ему сообщают теплоту Q: DU = Q-А.
При формулировании второго закона термодинамики была введена специальная функция S, которую назвали энтропией. Сформулирован он так: при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Физический смысл энтропии по мнению австрийского физика Больцман — мера беспорядка в системе. Полный порядок соответствует минимуму энтропии, любой беспорядок ее увеличивает. Максимальная энтропия соответствует полному хаосу. Третий закон термодинамики гласит о том, что энтропия стремиться к нулю, при стремлении температуры к нулю. Эти три закона термодинамики справедливы для любых систем и веществ: твердых, жидких, газообразных, плазмы, металлов, полупроводников, диэлектриков и т.д.
14. Развитие взглядов на строение солнечной системы от Птолемея до Кеплера. Планета Земля
15. Мега мир. Космологические модели Вселенной. Стандартные модели эволюции Вселенной. Реликтовое излучение
Если атомистические взгляды на развитие систем сводят все к свойствам мельчайших частиц материи из которых состоит систем, то системные и эволюционные взгляды обращают большее внимание на характер взаимодействий элементов. Существуют различные гипотезы эволюции Вселенной. Вселенную как единое целое изучает наука космология.
Космологическая модель Вселенной базируется на общей теории относительности (уделяя внимание кривизне четырехмерного пространства—времени), на важнейших открытиях внегалактической астрономии (таких как явление «разбегания» галактик), на теоретических доказательствах того, что Вселенная, заполнена тяготеющим веществом, не может быть стационарной и периодически сжимается и расширяется.
Существуют различные модели Вселенной, но общим для них является представление о нестационарном изотропном и однородном характере ее модели. Нестационарность означает, что Вселенная либо расширяется, либо сжимается, но не может находиться в стационарном положении. «Разбегание» галактик по-видимому свидетельствует о расширении, хотя существуют модели где это свидетельствует о «пульсации» Вселенной. Изотропность указывает на независимость ее свойств от направлений. Однородность характеризует распределение вещества во Вселенной.
Существуют открытая модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю, и замкнутая модель с положительной кривизной. В открытой модели Вселенная непрерывно увеличивается, что соответствует бесконечной Вселенной. В замкнутых моделях Вселенная оказывается конечной, но столь же неограниченной, т.к. двигаясь по ней нельзя достичь какой-либо границы.
Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что начальная температура превышала 1013 градусов по Кельвину (0о по К=-273оС) гигантская плотность материи достигала 1093 г/см2. В этих условиях был неизбежен взрыв, поэтому эту теорию называют теорией «большого взрыва». Предположительно это произошло 15-20млрд лет назад и сопровождалось сначала быстрым, потом умеренным расширением и постепенным охлаждением Вселенной. Когда температура упала до 6млрд градусов по Кельвину, первые 8 секунд после взрыва там существовала в основном смесь электронов и позитронов. Пока эта смесь находилась в тепловом равновесии, между частицами происходили столкновения, в результате чего происходило непрерывное превращение вещества в излучение и наоборот, излучения в вещество. Вследствие этого между веществом и излучением сохранялась симметрия. Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и понижения температуры. На этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы — протоны и нейтроны. Но самое гласное было нарушение симметрии — произошел перевес вещества над излучением (один протон на миллиард фотонов). Это послужило основой для дальнейшей эволюции и возникновения разнообразных материальных образований, начиная от атомов, молекул, кристаллов, и кончая планетами, звездами и галактиками.
В момент, когда возникли нейтральные атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде реликтового излучения. Это явление находится в полном соответствии с моделью «горячей» Вселенной.
16. Химические элементы. Состав вещества и химические системы
Для определения свойств вещества необходимо установить состав вещества, т.е. из каких элементов оно состоит. Свойства простых веществ и химических соединений зависят от их носителей, которые называют элементами. В современном представлении химические элементы представляют собой разновидности изотопов, т.е. атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и отличающимися по массе. Здесь мы видим аналогию с концепцией атомизма. Т.е. свойства вещества зависят от его мельчайших составных частей — атомов. Но это первый концептуальный уровень исследования химических свойств веществ. Второй уровень связан с изучением структуры вещества, т.е. взаимодействия элементов. (Например, химический элемент углерод может существовать как алмаз и как графит.) Третий уровень исследований химических веществ — исследование внутренних условий протекания химических процессов (температура, давление, скорость реакции и т.д.).
Великая заслуга Менделеева состоит в том, что открыв периодический закон, он заложил фундамент для научных химических знаний. Он показал, что химические св-ва находятся в периодической зависимости от атомного веса. Дальнейшее развитие науки позволило уточнить эту зависимость от атомного номера, определяемого зарядом ядра. Наука позволила определить различие между химической смесью и химическим соединением, которое должно обладать постоянным составом, в отличие от смеси. Наименьшей частицей, обладающей свойствами какого-либо вещества являются молекулы. Например молекула простого вещества кислорода О2 образована из двух атомов и имеет все свойства кислорода как химического вещества (атомы кислорода имеют несколько другие св-ва). Каким бы путем любое вещество не было получено, оно имеет постоянные св-ва. Долгое время закон постоянства химического состава казался истиной, но потом были открыты химические соединения переменного состава в форме растворов и сплавов. Это и соединения полученные в разных условиях. Это связано с характером связей атомов в молекулах. К молекулам можно отнести различные квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и др. макромолекулы) Таким образом химическое соединение — это не только сложное вещество, состоящее из нескольких элементов, но оно может состоять и из одного элемента.
Рассматривая химические системы необходимо знать, что ее свойства зависят не только от состава и строения элементов, но и от их взаимодействия. Поэтому при изучении химических систем ученым приходиться изучать и их структуру. Например, в такой химической системе, как молекула, именно характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет св-ва молекулы.
С другой стороны часто свойства химической системы зависят от условий получения. Условия могут оказать влияние на характер и результат химических реакций. Это и термодинамические факторы (температура, давление) и использование катализаторов.
17. Особенности биологического уровня организации материи. Молекулярно-генетическое строение биологических структур
Особенностью организации живой материи является ее многоуровневая структура, в которой первый уровень — организменный уровень, занимают живые организмы, одноклеточные и многоклеточные. Этот уровень называется организменным, т.к. рассматриваются отдельные организмы, без учета их связей и взаимодействий с другими. Минимальной живой системой на этом уровне является клетка.
Остальные уровни организации живого являются надорганизменными, т.е. они включают не только организмы, но и связи и взаимодействия между собой и окружающей средой:
1. Первый надорганизменный уровень — популяционный уровень. Этот уровень включает в себя совокупность особей одного вида, которые имеют единый генофонд и занимают единую территорию. Такие совокупности или системы живых организмов составляют единую популяцию. Популяция рассматривается как единая система, в которой идут непрерывные взаимодействия между собой и окружающей средой. Благодаря этому появляется способность популяции к трансформациям и развитию.
2. Второй надорганизменный уровень составляют различные системы популяций, которые называют биоценозами. Они являются более обширными объединениями живых существ и в значительно большей степени зависят от небиологических факторов развития.
3. Третий надорганизменный уровень организации содержит в качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени зависит от многочисленных земных условий (географических, климатических, гидрологических, атмосферных и т.д.). Академик Вернадский назвал этот уровень биогеоценозом.
4. Четвертый надорганизменный уровень организации возникает из объединения самых разнообразных биогеоценозов и называются биосферой.
Представление о молекулярно-генетическом уровне органической материи базируется на клеточной теории строения живых тел, на исследованиях строения клетки, белков и аминокислот. Ученые выяснили, что белки состоят из 20 аминокислот, которые соединены длинными полипептидными связями. Хотя в состав белков человеческого организма входят все 20 аминокислот, но совершенно необходимы для него 9 из них. Остальные, по-видимому вырабатываются самим организмом. Характерная особенность аминокислот человеческого организма то, что они левого вращения (хотя в принципе существуют и правого вращения), и объяснению этому пока нет. Если молекулы неорганических веществ построены симметрично, то важнейшим свойством всей живой материи является их молекулярная асимметричность. Пастер считал, что поскольку живое возникает из неживого, то необходимым предварительным условием для этого процесса должно стать превращение симметричных неорганических молекул в асимметричные. Такое превращение могло быть вызвано различными космическими факторами. Наряду со структурой белка интенсивно изучается механизм наследственности и воспроизводства живых систем. Наиболее важным на этом пути было выделение из состава ядра нуклеиновой кислоты, а из них ДНК и РНК. А позднее было открыто, что ДНК несет в себе наследственную информацию. ДНК является материальным носителем наследственной информации, а функционально гены ответственны за сохранение и передачу наследственной информации. Все гены разделяются на «регуляторные», кодирующие структуру белка, и, «структурные», кодирующие синтез метаболитов.
18. Концепция эволюции в биологии. Дарвин — основоположник теории эволюции
Понятие эволюции большей частью отождествляется с развитием. Говорят об эволюции Вселенной, геологической эволюции, об эволюции живой природы. Во всех случаях под эволюциях понимают процесс длительных, постепенных, медленных изменений, которые в конечном итоге приводят к качественным изменениям, завершающимися возникновением новых материальных систем, структур, видов, форм. Именно такой смысл придается понятию эволюции в теории Дарвина.
Идеи о постепенном и непрерывном изменении всех видов растений и животных и то, что эволюция живых организмов происходит под направляющим влиянием условий окружающей среды высказывались и до Дарвина. И хотя он признавал групповую изменчивость под влиянием внешних факторов, но считал, что только случайные индивидуальные изменения, оказавшиеся полезными, могут передаваться по наследству и тем самым влиять на процесс дальнейшей эволюции.
Дарвин сформулировал основные принципы эволюции:
1. Изменчивость является неотъемлемым свойством живого.
2. Внутренняя противоречивость в развитии живой природы. Оно состоит в том, что, с одной стороны, все виды организмов имеют тенденцию к размножению в геометрической прогрессии, а с другой стороны — выживает и достигает зрелости лишь небольшая часть потомства.
3. Принцип естественного отбора, играющий фундаментальную роль в теории Дарвина.
19. Понятие о биосфере. Эволюция представлений о биосфере. Концепция Вернадского
Биосфера — это система биогеоцензов. Представление о биосфере менялось с развитием науки, но оставалось главное — целостная система живой природы и взаимодействие живых систем со средой их обитания.
Первоначально понятие биосфера подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, и зависимость живой природы от сил неорганической природы.
С развитием науки было обнаружено огромное влияние живой природы на окружающуюся среду. Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы находила подтверждения в научных исследованиях. Так, состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют их структуру. Живые организмы влияют и на состав атмосферы. Эти примеры свидетельствуют о наличие обратной связи между живой и неживой природой, в результате чего живое вещество в значительной мере меняет облик нашей Земли.
Таким образом биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она с одной стороны зависит, с другой стороны — влияет на нее. В полной мере эти факторы учитывает концепция Вернадского. Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе — совокупности живых организмов. Сюда же включался и человечество, воздействие которого на геохимические процессы отличается особой интенсивностью и воздействием на остальную живую природу. Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает влияние на всю биосферу в целом, в том числе и на почвы, и на подземные и наземные воды и т.д. Еще большее влияние оказывает результаты разумной деятельности человечества. Разум и труд человека превращается в геологическую силу планетарного масштаба. Вводится понятие ноосферы — сферы разума. Вернадский считал ноосферу новым геологическим явлением на нашей планете, когда человек становиться крупнейшей геологической силой, и со временем ноосфера все больше и больше будет определять эволюцию биосферы в целом. Например, при переходе от биосферы к ноосфере все сильнее проявляется такой мощный геохимический фактор, как постоянное увеличение зеленого живого вещества в биосфере, получаемого при увеличении посевных площадей и интенсификации земледелия. В результате искусственного отбора новых сортов растений и пород животных ускориться процесс эволюции. По-видимому процесс перехода к ноосфере начался еще сотни тысяч лет назад, когда человек овладел огнем и стал изготавливать орудия труда, приручать и выращивать новые породы животных и сорта растений, благодаря чему получил огромное преимущество перед животными. Человек стал менять окружающий мир и создавать для себя новую природу.
20. Самоорганизация систем. Синергетика
Концепция самоорганизации систем все больше распространяется не только в естествознании, но и в социально-гуманитарных науках. Поэтому концепция самоорганизации становиться парадигмой исследования широкого класса систем. (Под парадигмой подразумевают фундаментальную теорию, которую применяют для объяснения широкого спектра явлений). Существуют междисциплинарные парадигмы, примерами которых являются кибернетика и синергетика, описывающая самоорганизацию систем.
Одним из первых подходов к изучению самоорганизации систем в 18 в. была экономическая теория Смита, который считал, что спонтанный порядок на рынке является результатом взаимодействия различных устремлений, целей и интересов многочисленных участников. Именно такое взаимодействии приводит к установлению на рынке равновесия между спросом и предложением.
Аналогичные идеи относительно самоорганизации норм нравственности в обществе высказывали в 18 в. шотландские моралисты, которые считали, что принципы нравственного поведения людей не создаются правителями и политиками, а формируются медленно и постепенно в ходе самоорганизации людей под влиянием изменяющихся условий жизни.
Если рассматривать системы термодинамические, то из второго начала вытекает, что система постепенно эволюционирует в сторону возрастания энтропии, т.е. в сторону беспорядка. Но это справедливо для закрытой системы. Процессы самоорганизации могут протекать в открытых системах, т.е. системах которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. При определенных условиях в открытых системах могут возникнуть процессы самоорганизации в результате получения новой энергии и вещества извне, или рассеяния использованной системой энергии. Таким образом ключ к пониманию процессов самоорганизации содержится в изучении взаимодействия системы с окружающей средой.
