Представления о пространстве и времени. Классическая и квантовая механика о строении атома

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Определите понятие «культура науки». Каково место науки в системе культуры

2. В чем состоит отличие представлений о пространстве и времени с точки зрения теории относительности и классической механики

3. В чем состоит принципиальное отличие в представлениях о строении атома с позиции классической и квантовой механики

4. Опишите космологические модели, созданные античной натурфилософией (Анаксимандр, Аристотель, Птолемей). В чем состоит их принципиальное отличие от мифологических представлений об устройстве мира

5. Общее и отличие в нервной и эндокринной координации деятельности организма человека

Список использованной литературы

1. Определите понятие «культура науки». Каково место науки в системе культуры

Наука, является частью культуры, в качестве одной из форм специфически человеческой деятельности имеющей социальную природу. Наука по определению способ постижения бытия, имеющий своей целью рациональную реконструкцию мира на основе постижения его существенных закономерностей. В широком смысле наука это построение рациональной картины мира с этой точки зрения мы можем сказать, что наука возникает уже в античности. В более узком смысле наука предполагает развитую систему методов эксперимента и наблюдения, в этом значении термин наука применим только к системе мировоззрения и познания сложившейся в Европе Нового времени.

Наука сложным образом взаимодействует с другими феноменами культуры, которые выполняют функции осмысления мира. Наука отличается от мифологии, тем, что она стремится не к объяснению мира в целом, а к формулированию законов природы допускающих эмпирическую проверку. Наука имеет целью теоретическое, в той или иной степени обобщенное знание, она оперирует понятиями, а мифология образами. В тоже время некоторые сведения, накопленные в форме мифов, иногда поддаются научному осмыслению. С другой стороны данные науки преломляясь в сознании людей, могут творить своеобразную научную мифологию [2].

Граница между религией и наукой определяется соотношением в них разума и веры, это не означает, что в науке полностью отсутствует такая форма отношения к действительности как вера (как знания имеющего прочную субъективную основу, внутреннюю убежденность человека, но имеющего прочной объективной основы, то есть достоверных доказательств исходящих из эмпирической реальности). Но религия ориентирована на область внечувственного, а наука на эмпирическую реальность, данное различие было выявлено еще в эпоху средневековья, что позволило провести границу между наукой и религией и обособить эти две области знания. Все сказанное не относится к области суеверий, которая не связанна ни с наукой, ни с религией.

Не менее сложными, чем с религией были взаимоотношения науки с философией, Существует несколько трактовок соотношения науки и философии, философия рассматривалась как методологическая база научного исследования (то есть науки заимствуют из философии общие понятия и принципы), как результат предельного обобщения эмпирических (то есть опытных) данных прикладных дисциплин, как способ интеграции частных наук в нечто единое, как основу для создания целостной картины мира. И то и другое и третье, несомненно, верно, но это не должно стирать границу, между философией и наукой, данные науки могут быть отправной точкой для создания философской концепции, наука может оперировать предельно обобщенными категориями, сформулированными философией (пространство, время и т.д.), но проблематика философии всегда принципиально иная, чем у науки, наука задается вопросами о формах и способах существования явлений окружающего мира, философия о причинах и целях [3].

Наука отличается от идеологии (т.е. системы взглядов, в которых осознается и оценивается отношение людей к действительности и друг другу), тем, что ее истины общезначимы и не зависят от интересов определенных слоев общества. В то же время наука способна порождать определенный тип идеологии, оказывая воздействие на мировосприятие больших групп населения.

Исходя из этого, можно выделить ряд характерных черт отличающих науку от других связанных с ней феноменов культуры:

1. Наука универсальна: с одной стороны для нее характерно стремление исследовать мир во всем его многообразии, с другой ее данные истинны для всей вселенной при тех условиях, при которых получены исследователем.

2. Наука фрагментарна - она изучает не бытие в целом, различные компоненты или параметры реальности, в структуре самой науки этот признак раскрывается через ее деление на особые научные дисциплины.

3. Наука общезначима - ее данные в равной степени достоверны для всех людей независимо от их национальной, социальной и культурной принадлежности.

4. Наука безлична - индивидуальные особенности ученого никак не могут отразиться на результатах научного исследования.

5. Наука систематична - она представляет собой определенную систему, структуру, имеющую определенную внутреннюю логику.

6. Наука принципиально незавершенна - в основе мировосприятия характерного для нашей культуры лежит убежденность в безграничности научного познания.

7. Наука преемственна - новые знания определенным образом всегда связанны с прежними. Ни одно положение не возникает в науке на пустом месте, даже если оно сформулировано как критика предшествующих теорий.

8. Наука критична - сомнение один из основных принципов науки Нового времени, в науке нет таких положений, даже среди самых фундаментальных, которые не могут быть подвергнуты проверке и пересмотру.

9. Наука достоверна - ее данные могут и должны быть проверены по определенным, сформулированным в ней правилам.

10. Наука внеморальна - сами по себе научные истины нейтральны в морально-этическом смысле. Нравственной оценке подлежат только те действия, которые ученый предпринимает для получения данных, или применение полученных результатов научного исследования.

11. Наука рациональна: она оперирует эмпирическими данными. Наука опирается на данные опыта, результаты воздействия явлений объективной действительности на наши органы чувств, непосредственно или через посредство приборов), но оперирует на основе рациональных процедур и законов логики (т.е. средствами разума наука поднимается над уровнем исследования конкретного предмета или явления и создает обобщенные понятия, концепции, теории).

12. Наука чувственна - проверка результатов научного исследования осуществляется эмпирически, средствами чувственного восприятия и только на этом основании признаются вполне достоверными [2].

2. В чем состоит отличие представлений о пространстве и времени с точки зрения теории относительности и классической механики

Форма сосуществования материальных объектов и процессов, происходящих с ними, характеризует структурность и протяженность материальных систем. Определяет протяженность материальных тел, границы, занимаемые их объемом, относительность их положения. Пространство -- это то, что вмещает материальный мир. Вне пространства нет материи. Существует материя -- значит, она располагается в пространстве и определяет свойства пространства.

Понятие «начала» и «конца» определяется только тем, что человек смертен. Для него разумное состояние вещей как раз соразмерно этому понятию. Вот почему во всем многообразии взаимодействий объектов материального мира ему очень важно обозначить систему понятийных координат, которые и определяют его желание во всем видеть начало и конец. В действительности, как отметил шотландский ученый Дж. Геттон (1726--1797), «в экономии природы мы не видим ни следов начала, ни признаков конца».

Эти же понятия о «начале» и «конце» пространства и времени неприемлемы для нас в силу вечности и бесконечности движения материального мира. Поэтому стремление человека соизмерить все со своим представлением не столько относительно, сколько антропоцентрично.

Джордано Бруно восклицал: «Пусть эта поверхность будет, какой угодно_, но я спрашиваю: что находится за ней?» И эта беспомощность в понятии бесконечности пространства поражает разум любого человека.

Бесконечно пространство или нет; является ли оно просто соотношением между материальными телами или существует независимо от них само по себе; является ли пространство вместилищем материи, которое можно наблюдать и в отсутствие материальных тел; нейтрально оно или управляет телами, находящимися в нем, -- пот те вопросы (да и многие другие), которые возникают относительно сущности, которую мы называем пространством [1].

Абсолютное пространство Ньютона, по своей сущности безотносительное к. чему бы то ни было внешнему, оставалось всегда неподвижным и одинаковым. Пространство Эйнштейна является относительным (относительно чего происходит перемещение тела?). Не лишенная здравого смысла и неопровержимая в течение тысячелетий, система Птолемея оказалась все же неверной. Вращение Солнца вокруг Земли оказалось кажущимся, хотя и не противоречило здравому смыслу. Отсюда можно заключить, что само понятие здравого смысла не является мерилом научных суждений о действительной картине мира.

Три модели Вселенной русского математика А. А. Фридмана (1888-- 1925) .и поныне составляют основу для космологических построений. Каждая из этих моделей возникает из начальной сингулярности; одна из них «открытая», другая «плоская», а третья «замкнутая». Открытая модель представляет собой беспредельное расширение Вселенной с неограниченными значениями пространственно-временных координат. В замкнутой модели Вселенная расширяется до некоторых конечных размеров, после чего вновь коллапсирует в сингулярность. Промежуточной между этими двумя моделями является плоская модель, где Вселенная также расширяется, но скорость этого расширения постепенно снижается и достигает нуля в бесконечном будущем.

В любой попытке найти закономерности строения Вселенной появляется проблема измерения расстояний, причем, чем большее расстояние мы хотим измерить, тем большая может быть допущена ошибка при его измерении.

Взаимодействия объектов материального мира не могут происходить вне пространства. Таким образом, пространство -- это мера существования объектов материального мира, вне которых не существует и самого пространства. Это объем, ограниченный взаимодействием физических тел, полей. Наконец, пространство -- это полевая форма существования материи.

Структура пространства есть структура взаимодействия объектов материального мира в том объеме, границы которого определяются рамками взаимодействия объектов материального мира.

Для иллюстрации относительной соразмерности макро- и микромира нашей Вселенной можно обратиться к шкале относительного размера объектов материального мира. Эта шкала покрывает размеры всего существующего: от наименьших измеренных внутриатомных расстояний до размеров всей Вселенной. За единицу измерения взята степенная шкала, где 10°= 1. Один метр отмечен в точке 0. Относительно нуля макро- и микромиры образуют асимметрию на оси относительной соразмерности. Случайна ли эта асимметрия или в ней заложена непознанная еще система движения материи двух противоположных тенденций -- объединения в макро- и микроструктуры?

Один из фундаментальных вопросов физики состоит в том, чтобы выяснить, евклидово ли пространство во Вселенной или искривлено? Если пространство евклидово, то в нем действуют все постулаты геометрии, на основе которых реализуются доказательства гармонии мира. Если пространство неевклидово, т.е. искривлено, то там геометрия Евклида не действует (параллельные линии, в конце концов, пересекаются, сумма внутренних углов треугольника не равна 180° и т.д.). [2]

Трехмерность и искривленные пространства теоретически были открыты еще в начале прошлого века русским математиком Н. Лобачевским (1830) и чуть позже (1832) венгерским математиком Я. Больяи. А в середине прошлого века «искривленные» пространства с тремя и более измерениями были рассчитаны немецким геометром Б. Риманом. С тех пор геометрию искривленного пространства стали называть неевклидовой. С появлением теории относительности мы знаем, что в больших масштабах Вселенной, в рамках господства околосветовых скоростей и сильных взаимодействий (в условиях черных дыр), пространство искривлено. Но так как мы живем в более локальном мире, то для нас кажутся не очевидным искривленное пространство и действующие в нем законы, но очевидным -- евклидово пространство и геометрия Евклида. Мы принимаем это как общее соглашение (по А. Пуанкаре, 1854-1912), поскольку оно не сказывается на практике нашего существования в окружающем нас мире.

В 1854 г. Б. Риман впервые исследовал пространство так называемой положительной кривизны (т.е. пространство как бы на поверхности сферы). «Параллельных» линий в таком пространстве нет, и любые две линии в конечном итоге пересекутся, например, как земные меридианы. В этом пространстве положительной кривизны сумма углов треугольника будет больше 180°, а кратчайшим расстоянием между двумя точками является особая кривая, называемая геодезической линией.

После создания в 1905 г. теории относительности А. Эйнштейн в течение десяти лет упорно работал над теорией, в которой с единых позиций были бы осмыслены электромагнетизм и гравитация.

Определение времени звучит так: это форма существования материи, выражающая порядок изменения объектов и явлений действительности. Характеризует реальную длительность действий, процессов, событий; обозначает промежуток между событиями. В состоянии сингулярности пространство и время разделимы. Но в отличие от пространства, в котором три измерения, время одномерно, и для какого-либо события оно является его четвертой координатой. Издревле время сравнивали с прямой линией, считалось, что течение времени неизменно и ни от чего не зависимо. После открытия теории относительности картина существенно изменилась.

Что мы знаем о времени, о прошлом и настоящем, о вечности? Вряд ли больше, чем Августин Блаженный: «Что же такое, еще раз повторяю, что такое время? Пока никто меня о том не спрашивает, я понимаю, не затрудняясь; но как скоро я хочу дать ответ об этом, я становлюсь совершенно в тупик. Как можно говорить о прошедшем и будущем, когда первого уже нет, а второго еще нет? Они есть только в нас самих, когда мы думаем о них. Значит, правильнее было бы говорить: настоящее прошедшего и настоящее будущего. Для настоящего прошедших предметов у нас есть память или воспоминание, для настоящего настоящих предметов -- взгляд, воззрение, созерцание, а для настоящего будущих -- чаяние, упование, надежда» [3].

Выяснилось, например, что время нельзя рассматривать как нечто отдельно взятое. И в любом случае измеренное значение времени зависит от относительного движения наблюдателей. Поэтому два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга и следящие за двумя различными событиями, придут к разным выводам о том, насколько эти события разделены в пространстве и во времени. В 1907 г. немецкий математик Герман Минковский (1864-1909) высказал предположение о тесной связи трех пространственных и одной временной характеристик. По его мнению, все события во Вселенной происходят в четырехмерном пространственно-временном континууме. Он писал: «Отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в фикции, и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность». Итак, пространство и время тесным образом связаны между собой и их нужно рассматривать как взаимосвязанные элементы. Сумма всех событий названа Минковским понятием «мир», а путь какой-либо частицы в пространстве-времени -- ее «мировой линией».

Общая теория относительности А. Эйнштейна рассматривает пространственно-временные свойства материи. Она полностью изменила наши представления о пространстве, времени и тяготении. И тяготение оказалось тесно связанным с геометрией пространственно-временного континуума, перестав быть силой, действующей на расстоянии, как в теории Ньютона. Выяснилось также, что движение тел (не испытывающих воздействия сил; гравитации), является реакцией на кривизну сопутствующего пространства-времени.

Относительность течения времени, по Эйнштейну, такова, что время для движущегося объекта течет медленнее, чем для того, кто неподвижно наблюдает за ним. Понятие замедления времени вполне привычно для современного физика. Этот эффект становится все более заметным по мере приближения скорости движущегося объекта к скорости света. Эффект замедлений времени открывает возможность путешествий во времени -- но только в будущее. Путешествие в прошлое, согласно этой теории, невозможно.

Общая теория относительности была экспериментально подтверждена в 1919 г. измерением отклонения световых лучей в гравитационном поле;) Солнца. Результаты экспериментальных проверок ОТО совпадают с предсказаниями теории с погрешностью не более 1%, а в некоторых случаях погрешность еще меньше: для запаздывания сигналов, приходящих с искусственных спутников Марса, она равна 0,1%, а для измерения гравитационного смещения частоты -- 0,01%.

Относительность течения времени, по Эйнштейну, может быть проиллюстрирована на примере черных дыр. Вблизи гравитационного радиуса (сферы Шварцшильда; немецкий астроном К. Шварцшильд, 1873-1916) время течет медленнее (за счет увеличения длины волны и периода колебания светового импульса). Это означает, что какие бы процессы ни протекали в сильном поле тяготения, далекий от черной дыры наблюдатель увидит их в замедленном темпе [4]. Так, для него колебания в атомах, излучающих свет в сильном поле тяготения, происходят замедленно, и фотоны от этих атомов приходят к нему «покрасневшими» (в соответствии с эффектом Допплера, так называемое гравитационное красное смещение). На самой границе черной дыры время (у гравитационного радиуса) как бы замирает для далекого наблюдателя. Следя, например, за камнем, падающим в бездну черной дыры от самой границы зоны Шварцшильда, очень далекий наблюдатель увидит, как у самой сферы он «затормозится» и приблизится к пропасти дыры лишь за бесконечно долгое время. Когда под действием тяготения в черную дыру сваливается звезда, то к кромке гравитационного радиуса поверхность звезды приближается бесконечно долгое время, как бы застывая на этом рубеже. Поэтому раньше черные дыры называли застывшими звездами.

Бесконечное нарастание гравитации вблизи гравитационного радиуса называется релятивистским коллапсом. Человеческая жизнь представляется несущественным по длительности интервалом времени на фоне истории Вселенной. И все же мы в состоянии измерять процессы, длящиеся миллиарды лет, и можем также обнаруживать события, занимающие столько времени, сколько требуется свету для пересечения диаметра атомного ядра.

Пространство и время -- неразделимы. Все пространство Вселенной представляет собой физический вакуум, вмещающий весь материальный мир и определяющий его существование на основе взаимодействия полей: слабого, сильного, гравитационного и электромагнитного. Именно они управляют движением и эволюцией материального мира, являются источником энергии, движения, рождения и смерти объектов материального мира.

Все неисчерпаемое многообразие Вселенной в среднем эквивалентно предельно однородному космологическому вакууму. Последовательный учет дефектов масс космических систем всех порядков с необходимостью дает для средней плотности массы Вселенной нуль. [3]

Пространство пронизано движением и существованием различных физических полей, которые вместе с пространством определяют сущность существования материи. Во Вселенной нет ничего, кроме пространства и материи, восклицали наши предки. Во Вселенной нет ничего, кроме физического вакуума, полей и материи, объединенных движением, говорит современная физика.

3. В чем состоит принципиальное отличие в представлениях о строении атома с позиции классической и квантовой механики

Материя структурирована не только движением, пространством, временем, но и размерностью, уровнем организации. Но если движение, пространство и время в материальном мире являются непременным атрибутом сосуществования, то уровень организации материи есть классификационный принцип, удобный для расчленения (дробления) признаков существования материального мира с целью его дискретного познания путем последовательного приближения от частного к общему или наоборот. Иерархические уровни организации вещества в естественнонаучных дисциплинах разные и разделяются по разным признакам (типам, группам, классам, семействам, ролам, видам -- В органическом мире; комплексам, формациям, породам, минеральным видам -- в неорганическом мире и т.д.). Причем границы этого разделения весьма условны и вызываются необходимостью получения информации о структурированной единице, определяющей какие-то признаки целого, которое, в свою очередь, может быть изучено на основании свойств единичного.

Однако два иерархических уровня организации материи -- микро- и макромир (микрокосм и макрокосм) издавна разграничиваются естественными науками, поскольку в них действия материальных и полевых, форм движения проявляются несколько по-иному. Возникают новые взаимодействия. Но и это деление материального мира является условным. Ибо макромир состоит из структурированного вещества микромира [2].

Уже в древности существовала идея о микро- и макрокосме. Микрокосм -- это человек, макрокосм -- вся Природа. Это как бы живые существа, созданные по единому образцу и наделенные единой душой... Принято структурные формы организации материи подразделять на микромир, мезомир, макромир и мегамир.

Мир окружающий нас весьма многообразен в проявлении форм материи, но человеческое сознание всегда пыталось и пытается найти какое-то единство и закономерности в строении материи. И с каждым шагом более глубокого проникновения в микромир мы сталкиваемся с новым миром физических объектов и новыми взаимодействиями между ними. Это похоже на «матрешку», где каждая последующая кукла содержит еще одну. На смену молекулам и атомам пришли электроны, нуклоны и нейтрино, затем возникли представления о сложной структуре протона, состоящего из трех частиц. Эти частицы были названы кварками.

Гипотеза кварков зародилась в 1963-1964 гг. «Изобретатели» кварков Гелл-Ман и Цвейг поначалу были уверены в существовании трех разных кварков и наделили их дробными электрическими зарядами. Однако на первых порах их реальность вызывала сомнения, они представлялись некоторой моделью, удобной для классификации сильно взаимодействующих частиц. На сегодняшний день можно уверенно утверждать, что существует три поколения фундаментальных частиц и шесть типов кварков или, как часто говорится для удобства определения, шесть ароматов, обозначаемых буквами: и. d. s, с. b. t. Каждый кварк имеет свой антикварк, п кроме того, все они могут быть трех разновидностей, условно названных цветом (красный, зеленый, синий -- red. green. blue; антикварк л соответственно «окрашены» в дополнительные цвета: желтый, аквамариновый, пурпурный -- yellow, cyan, magenta). Три кварка, составляющих парной, обязательно имеют три разных цвета. Взаимодействуя между собой, кварки обмениваются квантами полей, названных глюонными (от англ. «glue» -- клей). Введено восемь таких полей. Существование их обнаружено экспериментально. Как уже говорилось, кварки могут пребывать только в составе адронов и в свободном состоянии не существуют («невылетание», или конфайнмент). О существовании микромира догадывались еще древние греки. Первым атомы за всеобщие начала признал Левкипп (V в. до н. э.). Его идеи развивал Демокрит. У них мы находим предположения о том, что окружающий нас мир состоит из корпускул, атомов, которые и определяют предельную делимость материи. Иными словами, микромир как бы пронизывает все сущее макромира. Атомизм, или атомистика, как учение о прерывном, дискретном существовании материи просуществовала до конца XIX в.

С открытием рентгеновского излучения (1895) немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном (1845--1923) и радиоактивности (1896) Антуаном Анри Беккерелем (1852-1908) началась эра интенсивного познания микромира в живом и неживом веществе. Хотя к этому времени уже было известно многое из того, что определяло само понятие микромира, включающего в себя невидимые невооруженным глазом атомы, ионы в неорганическом мире и бактерии, вирусы и более крупные образования в органическом мире [3].

Концепция атомистического (дискретного, квантового) строения материи на самом деле пронизывает все естествознание на протяжении всей его истории. Исследование органического микромира стало возможным благодаря открытию микроскопа, история которого связана с именем нидерландского натуралиста Антониван Левенгука (1632-1723), который сумел изготовить линзы со 150--300-кратным увеличением. Ему впервые удалось наблюдать живой микромир: ряд простейших, бактерий; он увидел и описал их движение в капиллярах. 1683 год можно считать годом рождения науки о микроорганизмах, т.е. микробиологии. Почти 60 лет Левенгук присылал в Лондонское королевское общество письма, в которых рассказывал о своих удивительных открытиях. Они печатались в научных журналах и потом 170 из них были изданы отдельной книгой -- «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком при помощи микроскопа». Петр I, будучи в Голландии, пригласил натуралиста к себе, и тот продемонстрировал русскому царю свои наблюдения и опыты. Петр I привез в Россию микроскоп Левенгука, а позднее были изготовлены первые отечественные микроскопы.

Создание микроскопа расширило изучение биологических особенностей микромира. Английский физик Р. Гук открывает клеточное строение растений.

Выдающимся достижением биологии XIX в. является создание немецким ученым Шванном клеточной теории, утверждавшей, что все живые организмы состоят из клеток. Тем самым была установлена общность не только макроскопического, но и микроскопического строения всего живого на Земле. Возникла цитология -- наука о клетках и как следствие ее - учение о строении тканей и органов -- гистология.

В результате открытий французского ученого Л. Пастера (1822--1895), установившего, что микроорганизмы являются причиной спиртового брожения и вызывают многие болезни, самостоятельной научной дисциплиной становится микробиология. Работы Пастера окончательно опровергли представления о самозарождении организмов. Исследование микробной природы холеры птиц и бешенства млекопитающих привело ученого к созданию иммунологии как самостоятельной биологической науки, в которую существенный вклад внес И. И. Мечников (1845--1916). Во второй половине XIX в. Г. Менделю удалось опытным путем найти закономерности наследственности (1865). Так были заложены основы генетики, ставшей самостоятельной наукой уже в XX в. В конце XIX в. был открыт митоз -- деление клеток с точным и равным разделением хромосом между дочерними клетками и мейоз -- образование из дипольных клеток с двойным набором хромосом гаплоидных половых клеток -- гамет с одинарным набором хромосом. Важнейшее значение имело открытие вирусов русским ученым Д. И. Ивановским (1892). В конце XIX в. значительных успехов достигла биохимия. Швейцарский врач Ф. Мишер открыл нуклеиновые кислоты (1869), выполняющие, как было установлено позже, функции хранения и передачи генетической информации. К. началу XX в. было выяснено, что белки, как показал немецкий ученый Э. Фишер, состоят из аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями.

В XX в. генетика превращается в самостоятельную биологическую науку, изучающую наследственность и изменчивость живых организмов. Еще из работ Менделя следовало, что существуют материальные единицы наследственности, впоследствии названные генами. Это открытие Менделя было оценено лишь в XX в. в результате исследований X. де Фриза в Голландии. Э. Чермака в Австрии. К. Корренса в Германии. Американский ученый Т. Морган, исследуя гигантские хромосомы мухи дрозофилы, пришел к выводу, что именно в них находятся гены. Он. а также другие ученые разработали хромосомную теорию наследственности. Тем самым генетика в значительной мере объединилась с цитологией (цитогенетикой) и стал понятен биологический смысл митоза и мейоза [4].

Начало нашего столетия было ознаменовано быстрым развитием биохимических исследований по изучению превращения веществ и энергии во внутриклеточных процессах. Выяснилось, что эти процессы в принципе одинаковы у всех живых существ -- от бактерий до человека. Универсальным посредником превращения энергии в клетке оказалась аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Отечественный ученый В. А. Энгельгардт открыл процесс образования АТФ при поглощении клетками кислорода. Открытие и исследование витаминов, гормонов, установление состава и строения всех основных химических компонентов клетки выдвинули биохимию на одно из ведущих мест в ряду биологических наук.

Еще на рубеже XIX и XX вв. профессор Московского университета А. А. Колли поставил вопрос о молекулярном механизме передачи признаков по наследству. Ответ на этот вопрос дал в 1927 г. русский ученый Н. К. Кольцов, выдвинувший матричный принцип кодирования генетической информации, разработанный впоследствии Н. В. Тимофеевым-Ресовским и американским ученым М. Дельбрюком.

В 1953 г. американец Дж. Уотсон и англичанин Ф. Крик использовали этот принцип при анализе молекулярной структуры и биологических функций дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Так на основе биохимии, генетики и биофизики возникла самостоятельная наука -- молекулярная биология.

В 1919 г. в Москве был основан первый в мире Институт биофизики. Эта наука исследует физические механизмы преобразования энергии и информации в биологических системах. Существенная проблема биофизики -- выяснение роли различных ионов в жизни клетки. В этом направлении работали американский ученый Ж. Леб отечественные исследователи Н. К. Кольцов, Д. Л. Рубинштейн. Ими была установлена особая роль биологических мембран. Неравновесное распределение ионов натрия и калия, как показали английские ученые А. Л. Ходжкин, Дж. Эклс и А. Ф. Хаксли, является основой распространения нервного импульса. Последние годы характеризуются возросшей интенсивностью биологических исследований в области клонирования клеток.

Мезомир. Мир, который человек созерцает невооруженным взглядом и находится в его окружении, являясь повседневной вселенной его общения посредством хозяйственной и социокультурной деятельности. Постепенно границы мезомира для человека расширяются, и, выйдя в ближайший космос, человек расширяет понятие о мезомире.

Все яснее становится, что квантовые явления обнаруживаются намного «выше» по энергетической лестнице, чем постоянная Планка. Амплитуда и фаза волновой функции, спектры собственных значений и другие характеристики. В классической физике выделяют в качестве форм существования материи вещество и поле. Первое состоит из частиц -- протонов, нейтронов, электронов. Второе распределено по всему пространству в виде волн звуковых, электромагнитных и т.п.

Квантовая физика эту принципиальную разницу между частицами волнами уничтожает. Любая частица проявляет волновые свойства, а поле квантовано и существует в виде дискретных порций, которые можно отождествить с частицами.

Однако квантовая механика как наука -- это не просто новое направление в изучении микромира. Это новая философия, новое отношение действительности; можно сказать, что квантовая механика, появившись начале века, к его концу триумфальным маршем прошла по всем наукам, везде найдя новые, нетривиальные решения старых проблем и, разумеется, поставив новые. Причем большое значение в развитии этого фундаментального направления науки сыграли принцип неопределенности и принцип дополнительности [3].

Одно из фундаментальных положений современной квантовой теории гласит, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (например, координата и импульс) не могут одновременно быть измерены с одинаковой точностью, поскольку само измерение одной из величин приведет к изменению характеристик другой. Этот принцип неопределенности, выдвинутый немецким физикой В. Гейзенбергом (1901-1976), отражает двойственную, корпускулярно-волновую природу частиц материи (электрона, протона и т.д.). Мерой неопределенности одновременного знания этих величин является постоянная Планка -- одна из наиболее фундаментальных физических констант. Произведение ошибок в измерении любых дополнительных величин (импульса и координаты, энергии и времени и пр.) не могут быть меньше постоянной Планка.

Свой принцип Гейзенберг объяснял на примере гипотетического микроскопа. Допустим, нам необходимо установить координату электрона; для этого его пришлось бы осветить, направив на него пучок фотонов. Не фотоны, соударяясь с ним и передавая часть своей энергии, изменят тем самым его импульс на какую-то величину. В результате мы измерим точную координату частицы, но ее импульс окажется измененным. Большинство экспериментов действительно содержит возмущающие измерения. Однако причина здесь глубже, и специально поставленный в 1991 г. группой Маидела в Рочестерском университете эксперимент показала, что и без прямого физического вмешательства фотон можно заставить вести себя то как волну, то как частицу: принципиально важно даже не определение, а сама возможность определить, по какому из маршрутов сигнальные фотоны прошли к своему детектору.

Сформулированный Н. Бором (1885-1962) принцип дополнительности состоит в том, что при экспериментальном исследовании микрообъектов могут быть получены точные данные либо об их энергиях и импульсах, либо о поведении в пространстве и времени. Эти взаимоисключающие картины (энергетически-импульсная и пространственно-временная), получаемые при взаимодействии микрообъектов с соответствующими измерительными приборами, «дополняют» друг друга.

Принцип дополнительности представляет собой одну из самых глубоких естественнонаучных идей нашего времени. До Бора было известно, что несовместимость двух (разного типа) приборов непременно влечет за собой разность и противоречивость свойств, измеряемых с их помощью. Бор же отрицая такое суждение, объяснил, что свойства эти, несомненно несовместимы, но для полного описания какого-либо квантового объекта оба они одинаково необходимы и поэтому не только не противоречат, но и дополняют друг друга. Они могут быть определены только друг через друга, а не взятые в отдельности. Попросту говоря, они вообще не существуют порознь. Сам по себе принцип дополнительности представляет собой не только естественнонаучную идею, но и философскую категорию, встречающуюся с древнейших времен. Еще в Древнем Китае возникла философия Дао, основанная на принципе единства «инь-ян», дополняющих друг друга противоположностей; аналогичные утверждения встречаются и в высказываниях философов Древней Греции. Так, Аристотель говорил, что «гармония -- это смешение и сочетание противоположностей». Однако и сегодня многие верят, что волны или частицы -- нечто реальное. Настоящее положение дел сложнее: перед нами нечто, не имеющее никакой определенной формы, пока, в зависимости от условий опыта, оно не повернется к нам либо одной, либо другой стороной, но никогда -- сразу обеими.

Более того: поставлен эксперимент, в котором уже полученный результат измерений заменялся другим благодаря изменениям, произведенным в системе после того, как фотон «принимал решение», выглядеть ли ему как частица или как волна. Эксперимент «с отложенным выбором», как назвал его предложивший эту идею Джон А. Уилер из Принстонского университета, был проведен одновременно в Мерилендском и Мюнхенском университетах -- с тем же невероятным результатом. «Астрономы могли бы провести эксперимент с отложенным выбором на излучении квазаров -- чрезвычайно ярких загадочных объектов, обнаруженных вблизи границ наблюдаемой Вселенной, -- пишет Уилер. -- Вместо светоделителя и зеркал в таком эксперименте должна использоваться гравитационная линза -- галактика или другой массивный объект, который может расщепить излучение квазара и затем сфокусировать его в направлении отдаленного наблюдателя, создавая два или более изображений квазара. Выбор астронома -- каким способом наблюдать фотоны от квазара в настоящее время -- определяется тем, прошел ли каждый фотон по обоим путям или только по одному пути около гравитационной линзы миллиарды лет назад. В момент, когда фотоны долетали до «галактического светоделителя», они как бы должны были иметь нечто вроде предчувствия, указывающего им. каким образом себя вести, чтобы отвечать выбору, который будет сделан неродившимися существами на еще не существующей планете» [3].

Ученый отмечает, что «такие умозрительные построения возникают вследствие ошибочного предположения о том, что фотон имел какую-то физическую форму еще до того, как астроном начал его наблюдать: что он был либо волной, либо частицей и либо шел от квазара двумя путями либо только одним из них. Уилер подчеркивает, что в действительности квантовые явления сами по себе не имеют ни волнового, ни корпускулярного характера; их природа не определена вплоть до того момента, когда и начинают измерять».

В 1983 г. Марлан О. Скулли, теоретик из университета в Нью-Мехико, показал, что получение информации о состоянии квантового объект; меняет его свойства обратимо, и они могут быть восстановлены, если «стереть квантовым ластиком» полученную информацию. «Редуцированная волновая функция тем и отличается от «Шалтая-Болтая», что ее можно опять «собрать», -- замечает Скулли.

Все эти парадоксы есть естественное и в известном смысле логичное развитие «копенгагенской интерпретации» квантовой механики, базирующейся на тезисе: то, что мы наблюдаем, -- это все, что мы можем знать квантовом явлении. Любые догадки о том, что «в действительности» стоит за этими явлениями, что «делают» и как «выглядят» квантовые объекты, когда мы за ними не наблюдаем, -- это только догадки. «Этот вывод оставляет без ответа один важный вопрос: если в лесу падает дерево и никто этого не слышит, издает ли оно шум при падении?» «Каковы... те особенности квантовой механики, которые не позволяют ее трактовать в классическом духе и видеть в волновой функции распределенное в пространстве поле, подобное классическому? -- пишет В. А. Фок. -- Волновая функция существует не всегда, и не всегда она меняется по уравнению Шрёдингера; при известных условиях она просто зачеркивается и заменяется другой (так называемая редукция волнового пакета). Очевидно, что такого рода «мгновенное изменение» не согласуется с понятием ноля». В комментариях к «Автобиографическим заметкам» Эйнштейна фок развил свою мысль, указав, что ошибка Эйнштейна в толковании этого парадокса состоит в отрицании любых взаимодействий, кроме силовых. Особенность поведения квантовых систем, фиксируемая парадоксом, и есть, по мнению Фока, указание на существование «несилового взаимодействия», другим примером которого может служить корреляция свойств микрообъектов, выражаемая принципом Паули.

Солидарен с мнением о существовании несиловых взаимодействий в квантовом мире и А. Д. Александров. То обстоятельство, что функция в «парадоксе» Эйнштейна -- Подольского -- Розена может быть приписана только обеим частицам вместе, но не каждой в отдельности, по мнению А. Д. Александрова, указывает на то, что между ними есть несиловая связь. «Мы можем не представлять себе этой связи наглядно... но мы должны признать наличие связи, если только принимаем квантовую механику всерьез...» -- указывает он.

Некоторые эксперименты (например, наблюдавшаяся в 60-х гг. интерференция лучей двух лазеров), позволяют вслед за Р. Саймондом утверждать, что «...все источники фотонов во Вселенной следует рассматривать как один источник. Это противоречит не только дираковскому утверждению, что «...каждый фотон интерферирует только сам с собой, а интерференция между отдельными фотонами никогда не происходит», но и представлениям здравого смысла о самостоятельных атомах, которые независимо испускают разные фотоны, причем каждый -- свой. Квантовая система излучает как единое целое, даже если ее различные части разнесены на значительное расстояние.

Д. Бом предположил, что кроме силового взаимодействия между квантовыми объектами существует и иное, распространяющееся мгновенно, интенсивность которого либо не зависит от расстояния, либо зависит необычным образом.

«В «классическую» эпоху считалось, что все явления детерминированы, а вероятность возникает в силу нашего незнания. Кинетическая теория газов, скажем, принимала язык вероятностного описания вследствие невозможности знать, как именно движутся все миллиарды миллиардов молекул газа; однако сомнений в полной детерминированности этих беспорядочных и сложных движений ни у кого не было». Квантовая механика в принципе не принимает подобное толкование вероятностных законов. "В квантовой физике понятие вероятности есть понятие первичное, и оно играет там фундаментальную роль. С ним связано и квантовомеханическое понятие состояния объекта».

«Даже если атомный объект находится в фиксированных"внешних условиях, результат его взаимодействия с прибором в общем случае не является однозначным. Этот результат не может быть предсказан с достоверностью на основании предшествовавших наблюдений, как бы ни были точны ли последние. Определенной является только вероятность данного результата. Наиболее полным выражением результатов серии измерений будет не точное значение измеряемой величины, а распределение вероятностей для нее». В чем же причина такой вероятностное нашего мира, по поводу которой Эйнштейн однажды заметил: «Бог не играет в кости», -- и ошибся.

Он в кости играет -- но по собственным правилам, в которых мы никак не можем, как следует разобраться. Главная загадка в том, что очки, оказавшиеся на первой игральной кости, однозначно определяют те, которые окажутся на второй, как бы далеко одна от другой ни упала. Видимо, для природы важнее не то, что костей было две, а то, что они брошены из одного стакана (две частицы, возникшие в одном процессе, для природы -- единый и неделимый объект и взаимодействие каждой из них -- одно событие). Как это может быть? [4]

Кость может выпасть любой из своих граней. Причина -- в неконтролируемости ее полета, различных начальных скоростях, как поступательной, так и угловой. Однако среди нормальных может оказаться и фальшивая, такая, которую используют уличные жулики (например, со смещенным центром тяжести). Проверить это мы не можем, если у кости есть такие параметры, то они скрыты от нас.

Есть ли у нас возможность отличить неконтролируемое взаимодействие от скрытых параметров? Да для этого нужно подбросить кости и отобрать из них те, которые выпали определенной гранью; если повторить подбрасывание, то в случае неконтролируемых воздействий результат вновь окажется случайным, выпасть может любая грань. Но если речь идет о скрытых параметрах, то при всех последующих испытаниях фальшивая кость упорно будет выпадать только одной стороной.

Был предложен ряд моделей, с помощью которых можно было ввести скрытые параметры: субквантовых частиц, субквантовой жидкости, субквантовой волновой функции. Все они оказались несостоятельными. Повторим: основная сложность квантовой механики не столько в том, что случайность становится краеугольным камнем мироздания, сколько в том, что случайность в каждом конкретном случае неожиданным и нетривиальным образом комбинируется с необходимостью. «Случайные» результаты измерений можно было бы объяснить скрытыми параметрами, если бы каждый раз не оказывалось, что они (результаты) связаны между собой тонкими и неожиданными корреляциями.

Истолковать нарушение локальности можно в рамках теории дальнодействия Уилера -- Фейнмана, в которой предусмотрена возможность распространения частиц со скоростями, заведомо большими скорости света («телеграф в будущее»). В этой концепции фотоны виртуально распространяются по всем возможным направлениям со всеми возможными скоростями, но в большинстве точек взаимно погашают друг друга. Поразительно, что результат «интегрирования по путям» Фейнмана во всех деталях совпадает с экспериментом. [3]

В 1965 Д. Белл показал, что теории скрытых параметров, чтобы не противоречить уже накопленному квантовой механикой эмпирическому материалу, должны быть нелокальными. Не вдаваясь глубоко в анализ теоремы Белла, скажем лишь, что она заставляет выбирать между детерминизмом и локальностью. Нелокальность означает, что измерение, проведенное над одной частицей, влияет на поведение другой. А. Аспек предложил ввести понятие сепарабельности: если эффект нелокальности возникает через время меньшее, чем необходимо свету, чтобы покрыть расстояние между приборами, то измерения не только нелокальны, но и несепарабельны, и только такими -- несепарабельными -- должны быть скрытые параметры, если, разумеется, они возможны...

Скрытые параметры -- это «второе издание» эфира. В свое время он должен был сделать наглядной теорию Максвелла, описывавшую, к недоумению тогдашних ученых, не движение вещества, а изменение абстрактных векторов Е и Н. Затем эфиру пришлось приписать такие невероятные и взаимоисключающие свойства, что вся конструкция рухнула. Здесь происходит то же самое: для обыденного сознания нужно сделать приемлемым тот простой факт, что завтрашнего состояния любого события на самом деле нигде и ни в каком виде нет, и любое событие -- не воплощение в жизнь, где бы то ни было предшествовавших знаний об этом событии, а действительное творение. Почему-то эта идея многим неуютна. Однако сколь бы дикие свойства ни приписывали «скрытым параметрам», полного совпадения с экспериментом не получается.

атом относительность натурфилософия механика

4. Опишите космологические модели, созданные античной натурфилософией (Анаксимандр, Аристотель, Птолемей). В чем состоит их принципиальное отличие от мифологических представлений об устройстве мира

Космогонические учения (учение о происхождении мира), космология (учение об устройстве мироздания), на смену, которой затем приходит онтология (учение о бытии), этика не отделены друг от друга, они все вместе характеризуют античную философию, которая ставила своей целью обосновать рациональное мироустройство, включая разумный порядок вещей и человеческой жизни. Размышления о том, что есть этот мир, составляют содержание «физики» (космогония и космология). Размышления о том, как существует этот мир и как осуществляется в нем порядок, как возможны справедливость, благочестие и право, каковы неизменные и вечные основания мироздания -- все это входит в вопросы метафизические. Такого рода вопросы свидетельствовали о переосмыслении «божественности» космоса, его вечных законов, которые люди традиционно связывали с именами богов и которые с эмансипацией природы и человека от божественного вмешательства превратились в «вечные вопросы» философии.

Соответственно первый период греческой философии (VI в. до н. э.) -- это натурфилософский период, когда на первый план выходят проблемы философии природы. В пределах этого периода выделяют ранних натурфилософов (Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Гераклит, Пифагор, Ксенофан, Парменид) и поздних натурфилософов (Эмпедокл, Анаксагор, Демокрит). Ранние натурфилософы -- монисты. Они обращаются к поиску одного начала, с которым и связывают происхождение и существование мира. Поздние натурфилософы -- плюралисты, они вводят множество начал и обосновывают тот или иной принцип космообразования. [3]

Последователю и ученику Фалеса Анаксимандру (610-- 546 гг. до н. э.) принадлежит ряд фундаментальных для философского миропонимания идей о начале мироздания («апейроне»), о миропорядке как саморегулирующемся социопорядке. Учение об «апейроне» тесно переплетено с космогонической концепцией Анаксимандра. Космология и космогония служат своеобразным введением в его «основную философему». Космология вводит нас в мир окружающих человека природных явлений, которые одновременно являются и космическими.

Анаксимандр стремится, прежде всего, зафиксировать стабильное положение земли (как это делал и Фалес), которое обосновывает обращением к наглядно представляемым пропорциям: Земля -- цилиндр, высота которого равна трети его ширины; размер солнечного круга, окаймляющего мироздание, в 27 раз больше земного; размер внутреннего (лунного) круга больше земного в 18 раз; звездного (наиболее приближенного к земле) в 9 раз. Обращение к математическим пропорциям и геометрической наглядности (что в данном случае, несомненно) демонстрирует строго обязательный порядок во Вселенной.

Обращение к космогонии Анаксимандра позволяет осветить некоторые аспекты данного вопроса. Сам космогонический процесс имеет свое начало -- «апейрон». Псевдо-Плутарх, в передаче которого мы имеем космологическую концепцию Анаксимандра, вместо термина apeiron использует aidion (вечное). Отметим, что терминология Аристотеля, пишущего, что «апейрон» «все охватывает и всем правит», признается адекватной учению Анаксимандра, поскольку она легко входит в реконструируемый исследователями ансамбль архаических выражений Анаксимандра. От «апейрона» как вечного движения отделяется порождающее начало (gonimon) тепла и холода. Можно присоединиться к приводимой многими исследователями идентификации тепла с огнем, холода с воздухом.

При этом становится понятным и сообщение Аристотеля о противоположных стихиях (воздухе, огне и воде), каждая из которых не является «апейроном», иначе другие, по отношению к ней, погибли бы. Что касается воды, о которой ничего не говорится у Псевдо-Плутарха, то уже у Симпликия допускается, правда, в неадекватной терминологии, наряду с огнем и воздухом (теплое и холодное) наличие сухого и влажного (земля и вода). Используя сообщение Симпликия, можно сделать вывод о том, что у Анаксимандра невозможен переход одной стихии в другую и речь идет о рождении прямо из «апейрона». [4]

Космогония Анаксимандра, если рассматривать ее в контексте более широких идей о человеке и о бесчисленных мирах, вводит нас непосредственно в круг его основных философских положений: как только речь заходит о взаимоотношении «апейрона» и существующего мира, космогония переходит в философию. Симпликий, приводя выдержку из Теофраста, сообщает знаменитый фрагмент Анаксимандра: «Из тех (вещей), из которых рождаются все сущие (вещи), в те же самые (вещи) они разрушаются по необходимости. Все они воздают друг другу справедливое возмездие за оказанную несправедливость по определенному порядку времени».

Охарактеризуем теперь содержание основного философского фрагмента Анаксимандра. В нем идет речь о борьбе, насилии и несправедливости стихий. «Апейрон» (всеобъемлющий, вечный и божественный) в несправедливость стихий не вмешивается, но «всем правит». Из «апейрона» возникает мир, тот самый устойчивый мир, в котором земля остается «приютом безопасным» всего живого. Однако мирообразующие стихии, вторгаясь в пределы, друг друга, совершают несправедливость. В результате мировая гармония разрушается, мир гибнет в «апейроне» (бесконечности), чтобы возродиться. «Апейрон» также компенсирует преобладание «адикии» (несправедливости, отклонения) над «дике» (справедливостью, нормой), что приводит, в конечном счете, к восстановлению космического равновесия.