Основы концепции современного естествознания

В 1859 году вышел главный труд Чарльза Дарвина «Происхождение видов в результате естественного отбора». В нем он изучил факты и причины биологической эволюции, утверждая, что вне саморазвития органический мир не существует.

К числу фундаментальных открытий этого времени принадлежит клеточная теория 30-х гг. XIX в. ботаника Маттиаса Якоба Шлейдена и биологии Теодора Шванна.

Открытие закона сохранения и превращения энергии.

Первооткрывателями были немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814–1878 гг.) и английский исследователь Джеймс Джоуль (1818–1889 гг.). Отстаивал этот закон в научном мире и знаменитый физик XIX ст. Гельмгольц (1821–1894 гг.). Он увязал его с принципом невозможности вечного двигателя.

Доказательство сохранения и превращения энергии утверждало единство материального мира. Вся природа отныне была представлена как непрерывный процесс превращения универсального движения материи из одной формы в другую.

Таким образом, основополагающие принципы диалектики – принцип развития и принцип всеобщей взаимосвязи получили во второй половине XVIII века и особенно в XIX веке мощное естественнонаучное обоснование.

3. Пространство и время. Принципы относительности

Пространство и время являются основными категориями в физике. Большинство физических понятий вводится посредством правил, в которых используется расстояние в пространстве и время.

Большое влияние на формирование понятий «пространство» и «время» сыграла пифагорийская школа. В пустоте (неоформленном) безграничном пространстве зародилась Единица, сыгравшая роль семени, из которого вырос весь космос. Вытягиваясь в длину, она порождает число 2, что в геометрии означает «линия».

Линия, вытягиваясь в ширину порождает число 3 – плоскость. Плоскость, вытягивается в высоту, поражает число 4 – объем. Это трехмерное пространство Пифагора.

Платон вводит понятие геометрического пространства как отдельную категорию и помещает его между идеями и чувственным миром. Платон признавал идею как причину бытия, но соотносил ее с материей (чувственными вещами). Это философия объективного идеализма.

Математика – посредник между идеальными и чувственным (пространство не идеальное и не чувственное). Объемы – результат сращивания идеи с материей. Познать природные элементы по Платону – это значит познать их геометрику или определить их пространственное образование. Атомы Платона соответствуют четырем стихиям и представляют собой геометрические многоугольники. Земля-куб; огонь-четырехгранник; воздух-октаэдр (8); вода икхаэдр (20 граней).

Современная физика повернулась в своем развитии от атомизма Демокрита к философии Платона. Частицы в современной физике представляют математические абстракции фундаментальных симметрий (В. Гейзенберг).

Платоново – пифагорийская научно-исследовательская программа была развита в эллинистический период в работах Птолемея, Архимеда, Евклида. В «Началах» Евклида излагаются основные свойства пространственных фигур. В современной физике «евклидово пространство» – это плоскость в 3-х измерениях. Изучение пространства греками было подчинено цели – исследованию природы, в структуре которой воплощены геометрические принципы. В Древней Греции понятие пустота и эфир были свойствами пространства. Пустота – первоначало всего сущего. Эфир – понятие, противоположное пустоте.

В эпоху Возрождения достигается осознание взаимодействия между механикой и геометрией. Это привело к понятию о геометрическом объекте, движущемся в пространстве с течением времени.

Принципы относительности

Галилей открыл принцип инерции, движения тела в пустоте, где нет сопротивления. Сопротивление среды он считал несущественным.

Он также сформулировал принцип относительности: во всех инерциальных системах отчета все физические явления происходят одинаково. Эти два принципа описывают свойство пространства Вселенной.

Окончательную формулировку эти принципы получили в механике Ньютона. Он соединил идею пустого пространства и прямолинейного инерционного движения.

Пустое пространство – это «абсолютное» пространство – всегда одинаковое и неподвижное. Он определил также абсолютное истинное математическое время: оно протекает равномерно, без отношения к чему-либо внешнему и называется длительностью. Время и пространство представляют собой вместилище самих себя и всего сущего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, а в пространстве – в смысле порядка положения. Это места, перемещения мест составляет абсолютное движение.

Ньютон подчеркивает, что движение имеет относительный характер и зависит от системы отчета. Система отчета должна или покоиться, или двигаться равномерно и прямолинейно к абсолютному пространству.

Абсолютное время – это время, не зависящее от движения. Время одинаково во всех системах отчета.

Теория относительности Эйнштейна

В 1905 году Эйнштейн в работе «К электродинамике движущих сред» сформулировал два предположения, которые в современной науке именуются постулатами теории относительности».

1. Принцип относительности: все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отчета;

2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отчета и не зависит от движения источников и приемников света.

Эйнштейн подвергает критике ньютоновское понятие абсолютного времени и утверждает, что одновременность событий в одной системе отчета не будет верна в другой, движущейся по отношению к первой. Одновременность становится понятием относительным, зависящим от наблюдателя, т.е. в каждой системе отчета собственное время.

Закон сохранения и превращения энергии

XIX век ознаменовался открытием одного из самых великих принципов современной науки, приведшем к объединению самых различных явлений природы. Этот принцип гласит, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Энергия – единая мира различных форм движения материи. Для количественной характеристики различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, химическая, ядерная и др.

Существует два качественно различных способа передачи энергии от одного тела к другому – это работа и теплота. Передача энергии в форме работы производится в процессе силового взаимодействия тел и сопровождается перемещением. Передача путем теплообмена обусловлена различием температур этих тел.

Закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Вывод: пространство и время – это неразрывно связанные с материей формы ее существования. Неразрывность пространства и времени обусловлены движением материи, которое является способом ее существования. Энергия – это мера движения материи и условие существования жизни (все живое потребляет энергию, чтобы жить).

4. Принципы возрастания энергии. Элементы квантовой физики. Энергия, энтропия. I и II начала термодинамики

В XIX веке появилось понятие «энергия» – единая мера различных форм движения материи. Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает бесследно: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую. Этот универсальный закон называется первым началом термодинамики.

Характер протекания процессов в природе устанавливается вторым началом термодинамики, согласно которому: в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи тепла только от более горячих тел к менее горячим. В термодинамике различается 2 типа процессов: обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который может идти в прямом и обратном направлении. При этом система возвращается в исходное положение без изменений. Любые другие процессы являются необратимыми (например: диффузия, теплообмен).

Для характеристики обратимых и необратимых процессов было введено понятие «энтропия», с греческого энтропия – поворот, превращение.

Энтропия системы определяется ее начальным и конечным состоянием. В обратимых процессах энтропия изолированной системы постоянна, а при необратимых возрастает ∆ S>0 и стремится к максимальной величине.

Возрастание энтропии было признано самопроизвольной эволюцией системы, в которой система забывает начальные условия и переходит в состояние хаоса. При максимальной энтропии возникает состояние равновесия и наступает полный хаос. Возрастание энтропии, т.е. эволюция системы, или переход от настоящего к будущему – это направление, которое называют «стрела времени». Состояние равновесия или хаоса – считается более вероятным для изолированной системы.

Гипотеза тепловой смерти Вселенной

Этот принцип, распространенный на крупномасштабные процессы, протекающие во Вселенной, привел к гипотезе о тепловой смерти Вселенной. Если все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, это означает что во Вселенной идет выравнивание температуры, что означает тепловую смерть Вселенной и переход в состояние симметрии или полного хаоса. В данном случае Вселенная рассматривается как замкнутая система.

По мнению других Вселенная не должна рассматриваться как замкнутая система. Это система, находится в переменном гравитационном поле, и применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости статического равновесия сил.

Теория поля и вакуума

В 1927 году английский физик Поль Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов квантовой механики и теории относительности Эйнштейна и получил формулу с двумя решениями: электрон с положительной энергией и электрон-двойник с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и античастицах, мирах и антимирах.

Обнаружение античастиц углубило представление об электромагнитном поле, его дискретности (прерывистости). Считалось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов поля – фотонов, и значит, в этой области пространства должна быть пустота, или вакуум.

Открытие античастиц привело к открытию виртуальных частиц, которые то возникают то исчезают, изменяя заряд электрона (без этих частиц заряд электрона равнялся бы бесконечности). Вакуум наполнился виртуальными Гейзенберга античастицами. Такое представление о вакууме привело к открытию принципа неопределенности Гейзенберга, согласно этому принципу квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии. В течение этого времени энергия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рождение короткоживущих частиц, исчезающих при возвращении энергии. Таким образом, вакуум в физике оказывается не пустым, а представляет собой море рождающихся и гасящихся всплесков.

Квантовая теория поля давала представление о физической неразложимости мира, о невозможности свести его к отдельным элементам. Это принцип целостности, который рассматривает взаимодействие микрообъектов с определенным состоянием физического вакуума, а вакуум играет роль микроусловий, в которых элементарные частицы проявляют свои свойства.

В рамках концепции целостности Вселенная рассматривается как целостная система, находящаяся в супер-симметричном состоянии. В процессе эволюции происходят моменты нарушения симметрии, приводящие к многообразию мира.

В определенные исторические моменты происходит спонтанное нарушение симметрии исходного вакуума. Концепция целостности содержит в себе концепцию развития, самовыдвижения, самоорганизации, выраженных в категориях симметрии и ассиметрии.

В рамках этого периода вакуум является прародителем известного нам мира.

5. Химия в системе естественных наук. Место и роль химии в современной цивилизации

Успехи человека в решении больших и малых проблем выживания в значительной мере были достигнуты благодаря развитию химии. Успехи многих отраслей человеческой действительности, таких как энергетика, металлургия, машиностроение, легкая и пищевая промышленность и других, во многом зависит от состояния и развития химии. Огромное значение химия имеет для успешной работы сельскохозяйственного производства, фармацевтической промышленности, обеспечения быта человека. Химическая промышленность производит десятки тысяч наименований продуктов, многие из которых по технологическим и экономическим характеристикам успешно конкурируют с традиционными материалами, а часть является уникальной по своим параметрам. Химия дает материалы с заранее заданными свойствами, в том числе и такими, которые не встречаются в природе.

Химия не только обеспечивает производство многих необходимых продуктов, материалов. Во многих отраслях промышленности широко используются такие химические методы обработки: отбеливание, крашение, печатание, что привело к интенсификации процессов повышения качества.

Химизация позволила человеку решить многие технические, экономические и социальные проблемы, но масштабность этого процесса затронула все компоненты окружающей среды: сушу, атмосферу, воду мирового океана – внедрилась в природные круговороты веществ. В результате нарушилось равновесие природных процессов на планете, химизация стала заметно отражаться на здоровье самого человека. В связи с этим возникла самостоятельная ветвь экологической науки – химическая экология.

Фундаментальные основы современной химии

Фундаментальными основами химии стали квантовая механика, атомная физика, термодинамика, статическая физика, а также физическая кинетика. На основе физики построена теоретическая химия. На химическом уровне мы имеем дело с очень большим числом частиц, участвующих в квантово-механических процессах обмена электронами (химических реакциях).

Базовое понятие химии – валентность – это макроскопическое, химическое отображение квантово-механических взаимодействий.

Развитие современной химии, ее основные концепции оказались тесно связанными не только с физикой, но и с другими естественными науками, особенно с биологией.

Современный этап развития химии связан с использованием в ней принципов химизма живой природы.

Понятие «химический элемент» и «химическое соединение» с точки зрения современности

Химический элемент – это «кирпичик» вещества. Периодический закон Д.И. Менделеева сформулировал зависимость свойств химических элементов от атомной массы, признаком элемента стало его место в периодической системе, определяемое атомной массой. Физика помогла составить представление об атоме, как о сложной квантово-механической системе, раскрыла смысл периодического закона на основе строения электронных орбит всех элементов.

Современное определение химического элемента – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т.е. совокупность изотопов.

А химическое соединение – это вещество, атомы которого за счет химических связей объединены в молекулы, макромолекулы, монокристаллы или иные квантово-механические системы, т.е. главной стала физическая природа сил, соединяющая атомы в молекулы, обусловленная волновыми свойствами валентных электронов.

Учение о химических процессах

Учение о химических процессах является областью глубокого взаимопроникновения физики, химии и биологии. В основе этого учения находится химическая термодинамика и кинетика, которые в равной степени относятся и к химии, и к физике.

Предметом изучения являются условия протекания химических реакций, такие факторы как температура, давление и др.

Живая клетка, исследуемая биологической наукой, представляет собой микроскопический химический реактор, в котором происходят превращения, изучаемые химией.

Изучая эти процессы, современная химия перенимает у живой природы опыт, необходимый для получения новых веществ и материалов.

Основой химии живого являются каталитические химические реакции.

Большинство современных химических технологий реализуется с использованием катализаторов – веществ, которые увеличивают скорость реакции, не расходуясь в ней.

В современной химии получило развитие направление, принципом которого является энергетическая активация реагента (т.е. подача энергии извне) до состояния полного разрыва исходных связей. Это химия экстремальных состояний, использующая высокие температуры, большие давления, излучения с большой величиной энергии кванта.

Например, плазмохимия – химия на основе плазменного состоянии реагентов, элионные технологии – активация процесса достигается за счет направленных электронных или ионных пучков.

Эффективность технологии на основе химии экспериментальных состояний очень высока. Они характеризуются энергосбережением, высокой производительностью, высокой автоматизацией и простотой управления технологическим процессом, а также небольшим размером технологических установок.

Химия как наука тесно связана с химией как производством. Основная цель современной химии, вокруг которой строится вся исследовательская работа, заключается в исследовании генезиса (происхождения) свойств веществ и разработки на этой основе методов получения веществ с заранее заданными свойствами.

6. Возникновение и эволюция жизни. Концепция происхождения жизни

Эволюция жизни предполагает ее истоки, начало. Проблема происхождения жизни является одной из важнейших не только в биологии, но и во всем естествознании и имеет важное мировоззренческое значение.

В настоящее время существует несколько теорий происхождения жизни:

1. Концепция сверхъестественного (божественного) происхождения живого креоценизма – основана на вере.

2. Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества. Появилась в древности. Ее придерживался еще Аристотель.

В XVII веке биолог Ф. Реди противопоставил ей принцип: живое возникает только из живого (принцип Реди, или концепция биогенеза). В XIX веке ее окончательно опроверг Л. Пастер, доказав, что появление жизни там, где она не существовала, связано с бактериями (пастеризация – избавление от бактерий).

3. Концепция современного состояния предполагает, что Земля и жизнь на ней существовали всегда, причем в неизменном виде.

4. Концепция панспермии связывает появление жизни на Земле с ее занесением из космического пространства.

Теоретическая возможность панспермии подтверждается обнаружением следов органических соединений в материальном и кометном веществе. В 1975 г. предшественники аминокислот найдены в лунном грунте. Интерес к этой теории периодически возрастает. Но нужно отметить, что на основе этих взглядов во второй половине ХХ века возникло множество разнообразных псевдонаучных гипотез и примитивных фантазий на тему космических пришельцев.

5. Общепринятой в естествознании в настоящее время можно считать концепцию биохимической эволюции.

Согласно современному варианту концепции жизнь зародилась на Земле естественным путем в результате химических, а затем биологических процессов. Причем это являлось не маловероятной случайностью, а достаточно вероятным результатом самоорганизации. Научная постановка проблемы происхождения жизни принадлежит Ф. Энгельсу, считавшему, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи.

Свойства живой материи – изменчивость и приспосабливаемость, приводят к самоорганизации. При рассмотрении проблемы возникновения жизни естественным путем, т.е. в рамках концепции биохимической эволюции, можно выделить три основных этапа, предположительно перехода от живого к живому:

1)                этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы и состояния поверхности ранней Земли;

2)                этап синтеза биополимеров из накопившихся органических соединений;

3)                самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществ и воспроизводства органических структур, завершающиеся образованием простейшей клетки.

В связи с этой концепцией возникает естественный вопрос об исключительности условий биохимической эволюции на планете Земля и уникальности известной нам формы жизни.

Многие ученые считают, что в громадной Вселенной должны встречаться формы жизни, сходные с Землей, но, по данным астрономии, в ближайших к ним звездных системах условий для образования цивилизаций не существует.

7. Происхождение человека

Происхождение человека является одной из фундаментальных переменных проблем современного научного познания. Долгое время существовал традиционный подход к проблеме человека в ключе рассуждений о взаимосвязи биологического и социального, понимаемый как «биосоциальный» синтез. Более перспективным является подход, рассматривающий человека как продукт длительной биологической эволюции, воспроизводящей в информационном аспекте развитие нашей Вселенной после Большого взрыва, вместе с социокультурной эволюцией, с которой связана его психическая эволюция.

В.И. Вернадский подчеркивает значимость высказываний американского геолога Д. Дона о том, что «в ходе геологического времени наблюдается (скачками) усовершенствование – рост – центральной нервной системы (мозга), начиная от ракообразных и моллюсков (головоногих) и кончая человеком. Раз достигнутый уровень мозга и эволюции идет не вспять, а только вперед». В таком случае появление человека – это закономерный результат развития биосферы, т.е. эволюция идет в определенном направлении.

Одной из наиболее принятых в научном мире теорий происхождения человека является эволюционная теория происхождения человека от живого предка – гоминид. Эволюция мозга этого предка считается особым процессом по двум причинам: во-первых, в связи с темпами – это был один из наиболее бурно протекающих процессов макроэволюции в истории позвоночных; во-вторых, в связи с феноменальными последствиями этого процесса, т.к. психика человека – явление уникальное.

Речь идет о следующих, связанных между собой, свойствах психики человека:

1)                оперирование образами и понятиями, содержание которых свободно от ограничений пространства и времени и может относиться к воображаемым, никогда и нигде не происходившим, событиям;

2)                познавательная способность, основанная на проникновении в структуру мира и построении модели мира;

3)                способность к соблюдению моральных норм поведения и к разрушению и саморазрушению;

4)                самопознание и рефлексия, проявляющаяся в способности созерцать собственное существование и осознавать смерть.

О сложности и многомерности внутреннего мира свидетельствует то, что он включает в себя правополушарное и левополушарное сознание, воображение и грезы, мечтания и память, медитацию и творческое мышление, сферы собственного сознания и бессознательного, интуицию и другие познавательные процессы, ценности и психологические установки.

Бурное развитие науки поставило на повестку дня проблемы связи человеческой психики с глубинами космоса, т.е. «микрокосмоса» с «макрокосмосом». Появилось несколько концепций, идей и гипотез, объясняющих эту связь:

Ø    концепция человека как единство материального образования и неограниченного поля сознания, т.е. концепция корпускулярно-волновой природы человека;

Ø    концепция человека как молекулы, содержащей в себе максимум информаций о Вселенной;

Ø    гипотезы о галактическом разуме, об аналогиях характеристик физического вакуума и человеческого сознания и их возможных связях; о голографической природе Вселенной и сознания.

В настоящее время можно говорить о наступлении нового этапа в развитии науки, определяющим признаком которого становится формулирующаяся в наши дни эвалюционно-синергетическая парадигма.

Важнейшая ее составляющая – принцип глобального эволюционизма, т.е. признание невозможности существования всех рождаемых во Вселенной структур вне общей эволюции. Эта мысль органически связана с концепцией фундаментального единства материального мира; другой составляющей парадигмы является представление об универсальности алгоритма развития как проявление самоорганизации в самых разнообразных и социальных системах, т.е. синергетический подход.

Литература

Основная

1. Бобилов Ю.П. Концепціі сучасного природознавства. – К.: Фенікс, 2003. – 236 с.

2. Садохин «Концепция современного естествознания». – М.: Омега-Л, 2006. – 200 с.

3. Концепции современного естествознания. Под ред. О.С. Самыгина. – Ростов на Дону: Фенікс, 1999. – 570 с.

4. Рузович Г.И. Концепции современного естествознания. – М.: Юнити, 2000.

Дополнительная

1. Потев Н.И. Концепции современного естествознания. – СПб - Питер, 1999.

2. Дубницева Г.Д. Концепции современного естествознания. – Новосибирск, 1997.

3. Косыгин Ю.А. Человек, Земля, Вселенная. – М., 1995.

4. Моисеев Н.И. Человек и ноосфера. – М., 1990.

5. Наука и человечество. Международный ежегодник. – М.: Знание, 1962.

6. Слейбо У. Персоне Т. Общая химия. – М.: Мир, 1975.

Страницы: 1, 2