Концепции современного естествознания
Определение науки как компонента духовной культуры общества. Содержание общенаучных методов теоретического познания. Закономерности развития естествознания. Эволюция представлений о строении атома. Термодинамические и статические закономерности в природе.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | шпаргалка |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 11.09.2010 |
| Размер файла | 3,0 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
В основу своей теории атома Бор положил следующие постулаты.
Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн.
Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией: hv = En - Ет, равной разности энергий соответствующих стационарных состояний (Еп и Еm -- соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения/поглощения).
17. Квантовые числа и электронная конфигурация атома. Принцип Паули
Квантовые числа и электронная конфигурация атома
Квантовые числа, возникающие при решении волнового уравнения, служат для описания состояний квантово-химической системы. Каждая атомная орбиталь характеризуется набором из трех квантовых чисел: главного n, орбитального l и магнитного ml.
Главное квантовое число n характеризует энергию атомной орбитали. Оно может принимать любые положительные целочисленные значения. Чем больше значение n, тем выше энергия и больше размер орбитали. Решение уравнения Шрёдингера для атома водорода дает следующее выражение для энергии электрона: E = ?2?2me4 / n2h2 = ?1312,1 / n2 (кДж/моль)
Таким образом, каждому значению главного квантового числа отвечает определенное значение энергии электрона. Уровни энергии с определенными значениями n иногда обозначают буквами K, L, M, N... (для n = 1, 2, 3, 4...).
Орбитальное квантовое число l характеризует энергетический подуровень. Атомные орбитали с разными орбитальными квантовыми числами различаются энергией и формой. Для каждого n разрешены целочисленные значения l от 0 до (n?1). Значения l = 0, 1, 2, 3... соответствуют энергетическим подуровням s, p, d, f.
Форма s-орбиталей сферическая, p-орбитали напоминают гантели, d- и f-орбитали имеют более сложную форму.
Магнитное квантовое число ml отвечает за ориентацию атомных орбиталей в пространстве. Для каждого значения l магнитное квантовое число ml может принимать целочисленные значения от ?l до +l (всего 2l + 1 значений). Например, р-орбитали (l = 1) могут быть ориентированы тремя способами (ml = -1, 0, +1).
Электрон, занимающий определенную орбиталь, характеризуется тремя квантовыми числами, описывающими эту орбиталь и четвертым квантовым числом (спиновым) ms, которое характеризует спин электрона - одно из свойств (наряду с массой и зарядом) этой элементарной частицы. Спин - собственный магнитный момент количества движения элементарной частицы. Хотя это слово по-английски означает "вращение", спин не связан с каким-либо перемещением частицы, а имеет квантовую природу. Спин электрона характеризуется спиновым квантовым числом ms, которое может быть равно +1/2 и ?1/2. Квантовые числа для электрона в атоме: главное квантовое число (n), орбитальное квантовое число (l), магнитное квантовое число (ml), спиновое квантовое число (ms)
Принцип Паули.
Согласно принципу Паули, на любой орбитали может находиться не более двух электронов и то лишь в том случае, если они имеют противоположные спины (неодинаковые спиновые числа). Поэтому в атоме не должно быть двух электронов с одинаковыми четырьмя квантовыми числами (n, l, ml, ms).
18. Периодичность физических и химических элементов. Периодический закон Д.И. Менделеева
Первым шагом к появлению Периодического закона стала таблица "Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве".
Позднее Д.И. Менделеев сформулировал сам закон: "Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел находятся в периодической зависимости от их атомного веса".
Положив в основу своего закона сходство элементов и их соединений, Менделеев не стал слепо следовать принципу возрастания атомных масс. Он учитывал, что для некоторых элементов атомные массы могли быть определены недостаточно точно. Но даже в современной Периодической системе известны некоторые исключения в порядке возрастания масс атомов, что связано с особенностями изотопного состава элементов:
Каждому элементу в Периодической системе Д.И. Менделеевым был присвоен порядковый номер, исходя из увеличения атомной массы. С развитием теории строения атома был выявлен физический смысл порядкового номера. После того, как Э. Резерфорд предложил ядерную модель строения атома, юрист из Голландии А.И. Ван ден Брук (1870-1926), всю жизнь интересовавшийся проблемами физики и радиохимии, предположил, что "каждому элементу должен соответствовать внутренний заряд, соответствующий его порядковому номеру". В том же 1913 г. гипотеза Ван ден Брука была подтверждена английским физиком Г. Мозли (1887-1915) на основе рентгеноспектральных исследований. А в 1920 году ученик Резерфорда - Дж. Чедвик (1891-1974) - экспериментально определил заряды ядер атомов меди, серебра и платины. Так было показано, что порядковый номер элемента совпадает с зарядом его ядра.
Периодическая система химических элементов - естественная классификация химических элементов, являющаяся табличным выражением периодического закона Д.И. Менделеева. Прообразом Периодической системы химических элементов послужила таблица, составленная Д.И. Менделеевым 1 марта 1869 г. В 1870 г. В 1870 г. Менделеев назвал систему естественной, а в 1871 г. - периодической.
Главный принцип построения Периодической системы - выделение в ней периодов (горизонтальных рядов) и групп (вертикальных столбцов) элементов. Современная Периодическая система состоит из 7 периодов (седьмой период должен закончиться 118-м элементом). Короткопериодный вариант Периодической системы содержит 8 групп элементов, каждая из которых условно подразделяется на группу А (главную) и группу Б (побочную). В длиннопериодном варианте Периодической системы - 18 групп, имеющих те же обозначения, что и в короткопериодном. Элементы одной группы имеют одинаковое строение внешних электронных оболочек атомов и проявляют определенное химическое сходство.
Порядок формирования периодов связан с постепенным заселением энергетических подуровней электронами. Последовательность заселения определяется принципом минимума энергии, принципом Паули и правилом Гунда.
Периодическое изменение свойств элементов в периоде объясняется последовательностью заполнения электронами уровней и подуровней в атомах при увеличении порядкового номера элемента и заряда ядра атома.
19. Виды химических связей. Формы межмолекулярных взаимодействий. Строение вещества
Виды химических связей.
Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами различают ковалентную, ионную и металлическую химические связи.
Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам.
Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованное за счет полного смещения электрической пары к одному из атомов.
Металлическая связь - это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде.
Химическая связь является таким взаимодействием, которое связывает отдельные атомы в более сложные образования, в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. в те структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука.
Формы межмолекулярных взаимодействий.
Межмолекулярное взаимодействие - взаимодействие молекул между собой, не приводящее к разрыву или образованию новых химических связей. В их основе, как и в основе химической связи, лежат электрические взаимодействия.
Силы Ван-дер-Ваальса включают все виды межмолекулярного притяжения и отталкивания. Эти силы определяют отличие реальных газов от идеальных, существование жидкостей и молекулярных кристаллов. От них зависят многие структурные, спектральные и другие свойства веществ.
Полярные молекулы, в которых центры тяжести положительного и отрицательного зарядов не совпадают, например HCl, H2O, NH3, ориентируются таким образом, чтобы рядом находились концы с противоположными зарядами. Между ними возникает притяжение.
Индукционное взаимодействие. Если рядом с полярная молекула окажется полярная рядом с неполярными, она начнет влиять на них. Поляризация нейтральной частицы под действием внешнего поля (наведение диполя) происходит благодаря наличию у молекул свойства поляризуемости ?.
Лондоновские силы притяжения между неполярными частицами (атомами, молекулами) являются весьма короткодействующими. Значения энергии такого притяжения зависят размеров частиц и числа электронов в наведенных диполях. Эти связи очень слабые - самые слабые из всех межмолекулярных взаимодействий. Однако они являются наиболее универсальными, так как возникают между любыми молекулами.
Строение вещества.
К началу XX века были определены размеры, массы и скорости движения молекул, выяснено расположение атомов в молекулах, т. е. была окончательно разработана молекулярно-кинетическая теория строения веществ. Первым основным положением молекулярно-кинетической теории является утверждение, что все вещества состоят из молекул. Молекулой называется минимальная частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Каждое физическое тело состоит из огромного числа молекул.
Вторым основным положением молекулярно-кинетической теории является утверждение, что молекулы находятся в непрерывном движении. Третье положение молекулярно-кинетической теории состоит в том, что между молекулами существуют силы взаимодействия - силы притяжения и силы отталкивания.
20. Взаимодействия. Полевая форма материи. Кванты полей
В классической механике Ньютона взаимодействие определяется силой, с которой одно тело действует на другое, и при этом, по концепции дальнодействия, считается, что все действия тел друг на друга передаются через пустое пространство на любое расстояние мгновенно, так как скорость света в классической механике принята за бесконечность.
Квантовая теорию дополнила концепцию близкодействия тем, что она показала, что при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами (переносчиками взаимодействия, или квантами соответствующего поля).
Основные характеристики взаимодействия - это энергия и импульс.
Существует четыре основных взаимодействия:
1. Гравитационное
2. Электромагнитное
3. Слабое
4. Сильное
1. Гравитационное взаимодействие, или тяготение, проявляется в притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно действует на любых расстояниях между объектами, поэтому считается, что радиус гравитационного взаимодействия равен бесконечности, но оно слабее всех других взаимодействий. Оно подчиняется закону всемирного тяготения Ньютона.
Это взаимодействие является доминирующим в мегамире, так как звезды и галактики имеют очень большие массы.
2.Электромагнитное взаимодействие обусловлено существование в природе электрических зарядов. Из-за этого взаимодействия существуют атомы и молекулы (притяжение электронов и протонов, химические связи), силы трения, упругости, поверхностного натяжения жидкости и т.д.
3. Сильное взаимодействие обеспечивает существование нуклонов и вообще существование атомных ядер, поэтому расстояние, на котором они проявляются, очень мало - не более 10-15 м.
4. Слабое взаимодействие проявляется в процесса распада нестабильных атомных ядер (в основном - в ?-распадах).
Характеристики фундаментальных взаимодействий.
|
Вид взаимодействия |
Относительная энергия взаимодействия |
Радиус действия |
Переносчики взаимодействия |
|
|
1. Сильное |
1 |
10-15 м |
Глюоны |
|
|
2. Электромагнитное |
10-2 |
? |
Фотоны |
|
|
3. Слабое |
10-5 |
10-18 м |
Вионы |
|
|
4. Гравитационное |
10-39 |
? |
Гравитоны |
Квантово-полевая картина мира явилась результатом дальнейшего развития электромагнитной картины мира.
21. Фундаментальные частицы и их классификация. Теория кварков. Модели строения ядра
Элементарные частицы - первичные материальные частицы и специфические формы существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы.
В современной физике термин "элементарные частицы" употребляется не в точном смысле этого слова, а в менее строгом значении - для наименования большой группы мельчайших частиц, обладающих квантовыми свойствами и подчиненных условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона). К такому виду частиц относятся протоны, нейтроны, электроны, фотоны, лептоны, адроны, кварки и т. п.
Существенное свойство всех элементарных частиц - способность испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами.
1. Общие характеристики элементарных частиц.
Масса. В зависимости от массы элементарные частицы делятся на легкие (лептоны), средние (мезоны), тяжелые (барионы).
Массы большинства элементарных частиц имеют порядок величины массы протона, равной 1,7 * 10~24 г.
Время жизни. В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на: * стабильные: электрон, протон, фотон и нейтрино; * квазистабильные, распадающиеся при слабом и электромагнитном взаимодействиях; * резонансы (неустойчивые короткоживущие (10~22 - 10~24с) частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия).
Электрический заряд. Основной единицей электрического заряда в микромире является заряд электрона;
Спин (англ, spin - вращение)- собственный момент импульса микрочастицы, имеющий квантовую природу; квантовая величина, отражающая вращение электрона вокруг своей оси (обозначается буквой s и может иметь только два значения: + 1/2 или --1/2).
Характеристики элементарных частиц, принимающие дискретные значения * квантовые числа (спиновое, орбитальное, магнитное и др.); * внутренние квантовые числа (лептонные и барионные заряды, четность, * кварковые ароматы - характеристики, определяющие тип кварка (странность, изотопический спин, "очарование", "красота", цвет).
На этом рисунке впервые приводится не только структурный состав семейств микромира, но и принципы сопряжения этих семейств, в соответствии с законами сохранения симметрии взаимоотношений.
Гипотезу кварков предложил в 1967 г. американский физик-теоретик М. Гелл-Ман (р. 1929). Кварк - частица со спином 1/2 и дробным электрическим зарядом, составной элемент адронов.
Помимо спина кварки имеют еще две внутренние степени свободы - "аромат" и "цвет" (степень свободы - независимое возможное изменение состояния физической системы, обусловленное вариациями ее параметров). Каждый кварк может находиться в одном из трех цветовых состояний, которые условно называют красным, синим и желтым (только для удобства - никакого отношения к оптическим свойствам это не имеет).
В наблюдаемых адронах кварки скомбинированы таким образом, что возникающие состояния не несут цвета - являются "бесцветными". Ароматов известно пять и предполагается наличие шестого. Свойства кварков разных ароматов различны. Обычное вещество состоит из кварков, входящих в состав нуклонов ядер. Более тяжелые кварки создаются искусственно или наблюдаются в космических лучах. Считается, что при попытке выбить кварк из адрона происходит следующее: вылетающий кварк рождает на своем пути из вакуума пары кварк - антикварк, расположенные в порядке убывания скоростей. Один из медленных кварков занимает место исходного, а тот вместе с остальными рожденными кварками и антикварками образует адроны.
Модели ядра.
· Оболочечная
· Оптическая
· Капельная
Ядро как оболочка атома. Нуклоны находятся по оболочкам атомного ядра. Принцип Паули для нуклонов - на одной орбите не может быть двух нуклонов с одним и тем же спином. Эта модель хорошо описывает ядра легких атомов.
22. Принципы дополнительности, суперпозиции, неопределенности и относительности
Принципы суперпозиции, неопределённости и дополнительности являются одними из основополагающих принципов теоретической физики.
Принцип суперпозиции - это допущение, согласно которому результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым эффектом в отдельности, при условии, что эффекты не влияют взаимно друг на друга. Принцип суперпозиции позволяет получать результатирующий эффект от наложения (суперпозиции) нескольких независимых воздействий как сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности. В квантовой механике принцип суперпозиции относится к волновым функциям: если физическая система может находиться в состояниях, описываемых двумя или несколькими волновыми функциями, то она также может находиться в состоянии, описываемом любой линейной комбинацией этих функций.
Принцип неопределённости впервые сформулировал немецкий физик Вернер Гейзенберг. Этот принцип представляет собой фундаментальное положение квантовой теории, состоящее в том, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (например, координата и импульс) не могут одновременно принимать точные значения. Иначе говоря, чем точнее одна из сопряжённых величин, тем менее точной оказывается другая. Принцип неопределённости выражается формулой: ?х?р = h, где, h - постоянная Планка (h = 6,626*10-34 Дж с), х - координата, р - импульс. Таким образом, квантовая теория отличается от классической тем, что её предсказания имеют лишь вероятностный характер и потому она не обеспечивает точных предсказаний.
По современным воззрениям квантовый объект - это не частица и не волна, и даже ни то и другое одновременно. Квантовый объект - это нечто третье, для выражения которого у нас нет соответствующих понятий, соответствующего языка. Мы вынуждены говорить на классическом языке. Но для возможно более полного представления о микрообъекте мы должны использовать два типа микроприборов: один - позволяющий изучать волновые свойства микрообъекта, другой - его корпускулярные свойства. Эти свойства являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, но они оба в равной мере характеризуют микрообъект, а потому не противоречат, а дополняют друг друга. Эта идея была высказана Х.Д. Бором и положена им в основу принципа дополнительности. Принцип дополнительности как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих, дополнительных понятий. Например, иллюстрацией принципа дополнительности в какой-то мере может служить совместное существование науки искусства как двух различных способов изучения окружающего мира.
23. Хаос и порядок в учениях эллинах. Золотая пропорция - закон проявления гармонии в природе
Хаос и порядок в учениях эллинах.
Хаос в переводе с греческого означает бесформенное состояние мира, бесконечное пространство, неупорядоченную первопотенцию мира. Хаос - понятие, происходящее от греческого "зев", "зияние", развернутое пространство. Как первичное бесформенное состояние материи и первоматерия мира, хаос, разверзаясь, извергает из себя ряды животворно оформленных элементов. Хаос совмещает в себе принципы универсального порождения и универсального поглощения, является излюбленным образом античной философии на протяжении всей ее истории. Хаос - это не только буйство слепых стихий, это еще и рождение новых возможностей, их спонтанное появление в бурлящем, клокочущем вихре перемен.
Мифология - совокупность мифов, рассказов, преданий, повествований о жизни богов, героев, демонов, духов. Одна из существенных особенностей мифологического творчества заключается в стремлении компенсировать фундаментальную потребность всего живого способствовать понижению меры хаоса. Заполняя пустоты неведомого, расширяя могущество человека до масштабов всеведения, миф всегда был направлен на упорядочивание чувственной сферы.
Зло и мрак, хаос и бездна не вписываются во всеобщую гармонию и мыслились изначально как чуждые. Неузнаваемо искажая зеркальное отражение божественной красоты, они пугали существо, устремленное к всеобщей благодати, и поэтому объявлялись запредельными и вытеснялись на "тот свет". Хаос всегда находил отражение в мифах. Например, первое историческое описание хаоса связано с сказанием о Всемирном потопе. В Греции, например, хаос олицетворен культом Диониса. Он жизнерадостный, жизнью упоенный, славящий вакханалии.
Хаос - широко распространенное нелинейное явление, которое встречается во всех дисциплинах. Проявление хаоса разнообразно. Это и турбулентные клубы сигаретного дыма, и водный след за судном на подводных крыльях, и вихреобразное образование по ходу плывущего судна, и "штопор" самолет при выходе из "пике", и неожиданная выдача компьютером потока случайных данных, и разрушительное действие компьютерного вируса, и возникновение фибрилляции сердца у сердечного больного.
Хаос - это события, способные приводить к катастрофам. Сообщения о тех или иных проявлениях хаоса встречаются почти во всех научных дисциплинах: астрономии, физике, биологии, химии, геологии, медицине, математике, общественных науках и т.д.
Золотая пропорция - закон проявления гармонии в природе.
"Золотое сечение" - это закон пропорциональной связи целого и составляющих его частей. Правило золотого сечения показывает, что большее относится к меньшему, как целое - к большему. Пифагор первым обратил внимание на это гармоническое деление любого отрезка, а Леонардо да Винчи ввёл сам термин "золотого сечения". Классический пример золотого сечения - это деление отрезка в среднепропорциональном отношении: a/b=(a+b)/a.
У человека золотое сечение - это отношение его роста к расстоянию от пупка до подошвы ног: при рождении оно равно 2, а к 21 году у мужчин - 1,625, у женщин - 1,6.
Феномен золотого сечения - одно из ярких проявлений гармонии природы. Он рассматривается в общей картине исторического становления архитектуры, обнаруживается в формах живой природы, в области музыкальной гармонии, в искусстве, в технике, в астрономии и т.д.
24. Пространство, время и движение. Специальная и общая теория относительности
Пространство и время как всеобщие и необходимые формы бытия материи являются фундаментальными категориями в современной физике и других науках.
Из всеобщих свойств пространства и времени можно всего отметить:
1. Их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире (если такие есть).
2. Их абсолютность - они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования.
3. Неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей.
4. Единство прерывности и непрерывности в их структуре наличие отдельных тел. фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо "разрывов" в самом пространстве.
5. Количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а также неисчерпаемость их свойств.
К общим свойствам пространства относятся:
1. Протяженность, рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.), возможность прибавления к каждому данному элементу некоторого следующего элемента либо возможность уменьшения числа элементов.
2. Связность и непрерывность проявляются в характере перемещений тел от точки к точке, в распространении воздействий через различные материальные поля в виде близко действия в передаче материи и энергии. Связность означает отсутствие каких-либо "разрывов" в пространстве и нарушений в распространении воздействий в полях.
3. Трехмерность - общее свойство пространства, обнаруживающееся на всех известных структурных уровнях, органически связано со структурностью систем и их движением. Все материальные процессы и взаимодействия реализуются в пространстве трех измерений (длина, ширина, высота).
4. Пространству на всех известных структурных уровнях материи присуще единство метрических и топологических свойств. Метрические свойства проявляются в протяженности и характере связи элементов тел.
Рассмотрим теперь общие свойства времени:
1. Длительность - выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состоянии, возникновение за каждым данным интервалом времени последующих.
2. Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прорывного и непрерывного.
3. Всеобщим свойством времени является необратимое I, означающая однонаправленное изменение от прошлою к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие.
4. Одномерность времени проявляется в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой.
Принцип относительности Галилея (окончательная формулировка Ньютона): во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом. Он означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т.е. инвариантны по отношению к преобразованию координат. Принцип относительности Эйнштейна: все системы отсчета являются равноценными для описания законов природы. Пространство и время тесно взаимосвязаны, т.к. они совместно определяют положение движущегося тела (именно поэтому время выступает как четвертая координата для описания движения). Из специальной теории относительности следуют новые пространственно-временные представления, такие, например, как относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности событий.
25. Термодинамические и статические закономерности в природе
В последние десятилетия в общемировоззренческих осмыслениях фундаментальных законов термодинамики распространяется идея развития диссипативных структур, далеких от равновесия, развиваемая известным физиком И.Пригожиным. Суть выводов, следующих из работ И.Пригожина и его многочисленных последователей, основывается на втором начале термодинамики, постулирующем наличие в динамике систем (в особенности в технической деятельности человека) асимметрии - однонаправленности, необратимости распределения энергии: рассеивающаяся энергия самопроизвольно не концентрируется и не возвращается в исходное состояние; для этого необходимо произвести работу, затрачивая дополнительную энергию. Полагается, что второе начало прямо связывает возрастание энтропии с "положительным направлением времени", т.е. время необратимо, поскольку необратим процесс, сопровождающийся необратимым же ростом энтропии. Опираясь на выдвинутые положения, И.Пригожин считает, что "…будущему соответствует большее значение энтропии", т.е. что во всех системах деградация и дезорганизованность возрастают. В этом лежат корни распространяющихся сейчас категорически утверждаемых положений: "…равновесие не может быть целью сущего, так как оно исключает развитие"; или: "cтремление к максимальному беспорядку, ограниченное условиями, есть главный закон природы".
В формировании и развитии всех материальных (и даже абстрактных) самоорганизующихся целостностей, включая планетарные системы, одновременно протекают два процесса: интеграция и аккумуляция вещества, энергии и информации и формирование потока диссипации MEI (формирование хаоса). При этом любая целостная система, включая и абстрактные - идеи, обладает имманентно присущим ей свойством целесообразности, состоящей в спонтанном и закономерном стремлении к достижению равновесия: динамически подвижного термодинамического, в виде так называемого равновесного режима, или статического.
Закономерность спонтанного стремления к равновесию формулируется следующим образом: динамика размеров (М(t)) целостных систем пропорциональна разности расходов вещества, энергии и информации в поступающем потоке Q(t) из среды (F-потоке) и выделяемом q(t) в среду (D-потоке). В дифференциальной форме данная закономерность записывается в следующем виде:
dM/dt=Q(M, t) - q(M, t)
26. Законы сохранения материи и энергии. Принцип эквивалентности
Хорошо известно, что тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы. С другой стороны, путём точных экспериментов было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию в строго определённых количествах. Существование такого механического эквивалента для теплоты свидетельствовало о её сохранении. Эти и многие другие факты нашли своё обобщение в законах классической термодинамики:
если к системе подводится количество теплоты Q и над системой производится работа W, то энергия системы возрастает до величины U: U = Q + W. U - внутренняя энергия системы, которая показывает, что тепло, полученное системой, не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней энергии и производство работы.
невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре.
Второй закон термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: "Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему". С учётом введённого в термодинамику понятия энтропии как меры беспорядка системы Клаузиус снова сформулировал второй закон: энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.
Переходя ко второму началу термодинамики, Клаузиус рассматривает круговые обратимые процессы и указывает, что в простом круговом процессе типа цикла Карно совершаются два вида превращений: переход теплоты в работу и переход теплоты более высокой температуры в теплоту более низкой температуры. Второе начало "должно выражать отношение между этими двумя превращениями". Оба эти превращения -- "явления одинаковой природы" и в обратимом процессе могут замещать друг друга. Клаузиус формулирует второе начало как принцип эквивалентности превращения следующим образом:
"Если мы назовем эквивалентными два превращения, которые могут замещать друг друга, не требуя для этого никакого другого длительного измене- , ния, то возникновение из работы количества теплоты Q, имеющего температуру Т, обладает эквивалентом Q/?, а переход количества теплоты Q от температуры T1, к температуре Т2 имеет эквивалент Q (1/? 2-1/? 1), где ? есть некоторая функция температуры, независимая от рода процесса, с помощью которого совершаются превращения". Клаузиус показывает, что для обратимого кругового процесса сумма эквивалента равна нулю:
Это, по Клаузиусу, является математическим выражением второго начала. "Стоящее под знаком интеграла выражение dQ/?, -- пишет Клаузиус, --является дифференциалом некоторой связанной с состоянием тела величины, которая полностью определена, если известно состояние тела в рассматриваемый момент, хотя бы ничего не было известно о пути, по которому тело в рассматриваемое состояние пришло".
27. Порядок и беспорядок в природе. Роль энтропии как меры хаоса
Порядок и беспорядок в природе.
Хаос, беспорядок, как и порядок, гармония - понятия достаточно близкие. Беспорядок - это такое состояние, когда налицо много вещей, но нет основания отличать одну вещь от другой. Порядок есть не что иное, как различимое отношение совокупности вещей.
Существует два механизма, которые могут производить упорядоченные явления - статистический механизм, создающий порядок из беспорядка, на котором базируется поведение живого вещества. Живой организм противится переходу к атомарному беспорядку. На протяжении своей непродолжительной жизни он проявляет способность поддерживать себя и производить упорядоченные явления.
В математизированном подходе преобладают рассуждения, обосновывающие исчисления всех прошлых и будущих состояний Вселенной на основании того, что относительно какого-то момента известны все силы и положения частей.
В организмическом подходе будущее становится неизвестным не в силу изначальной определенности всех начальных положений объектов, начальных скоростей материальных частиц, действующих сил и результирующих уравнений.
Пространственная модель соотношения порядка и хаоса существует в 2-х вариантах.
В первом варианте хаосу отводится периферия, т.е. все, что ниже упорядоченного мира. Хаос понимается как движение вниз, в недра. Но он не только пугает буйством преисподней, но и привлекает скрытыми там несметными богатствами.
Второй вариант этой концепции представляет хаос как физическое место, необходимое для существования тел. Это бездна, пустота, т.е. хаос противопоставляется пространственной оформленности вообще. Этот вариант близок к концепции, рассматривающей n-мерную длительность, которая несет в своем потоке и позволяет чередоваться хаотическим и упорядоченным фазам становления.
Структура пространства дает возможность обсудить истоки полного хаоса и высшей упорядоченности. Они находятся в диалектическом единстве 0-мерной точки. Расходящиеся во все стороны направления олицетворяют полную неупорядоченность (хаос). Сходящиеся в одну точку направления являются воплощением полной упорядоченности. 0-мерных точек бесконечное множество. Поэтому возможности хаоса неограниченны. Отсюда следует возможность образования центров сходящихся направлений, т.е. хаос направлений содержит в себе возможность упорядоченности. Разнозначность точек и направлений говорит о равновесном состоянии пространства и является основой его существования. Однако структура пространства не допускает ни полного хаоса, ни полного порядка. Но и положение 50/50 в природе также не наблюдается. У природы есть некий набор средств противостоять нарастанию хаоса.
Роль энтропии как меры хаоса.
Энтропия, в переводе с греческого означает превращение. Все процессы в природе протекают в направлении увеличения энтропии. Термодинамическому равновесию системы соответствует состояние с максимумом энтропии. Равновесие, которому соответствует максимум энтропии, называется абсолютно устойчивым. Таким образом, увеличение энтропии системы означает переход в состояние, имеющее большую вероятность. То есть энтропия характеризует вероятность, с которой устанавливается то или иное состояние, и является мерой хаотичности или необратимости. Это мера хаоса в расположении атомов, фотонов, электронов и других частиц. Чем больше порядка, тем меньше энтропия.
28. Симметрии в природе и теории познания. Операции симметрии
Симметрия - однородность, пропорциональность, гармония, инвариантность структуры материального объекта относительно его преобразований. Это признак полноты и совершенства. Лишившись элементов симметрии, предмет утрачивает свое совершенство и красоту.
Четыре категории симметрии:
· симметрия - однородность, пропорциональность, гармония, инвариантность структуры материального объекта относительно его преобразований;
· асимметрия - это несимметрия, т. е. такое состояние, когда симметрия отсутствует;
· дисимметрия - внутренняя, или расстроенная, симметрия, т. е. отсутствие у объекта некоторых элементов симметрии;
· антисимметрия - противоположная симметрия, связанная с переменой знака фигуры.
Среди разных типов симметрии различают пространственно-временные симметрии и внутренние симметрии.
Пространственно-временные симметрии можно разделить на симметрии, связанные с непрерывными и дискретными преобразованиями.
К непрерывным преобразованиям относятся:
· Перенос (сдвиг) системы как целого в пространстве.
· Изменение начала отсчета времени (сдвиг во времени).
· Поворот системы как целого в пространстве. Симметрия физических законов относительно этого преобразования означает эквивалентность всех направлений в пространстве.
· Переход к системе отсчета, движущейся относительно данной системы с постоянной скоростью
Среди дискретных пространственно-временных симметрий различают СРТ-симметрию и зеркальную симметрию. Симметрия СРТ заключается в том, что для любого движения частиц может осуществляться в природе симметричное ему движение античастиц. Зеркальная симметрия осуществляется в процессах, вызываемых сильными и электромагнитными взаимодействиями, а также в системах, связанных с помощью этих взаимодействий (атомах, атомных ядрах, молекулах, кристаллах).
Под внутренней симметрией понимают симметрию между частицами с различными внутренними квантовыми числами. Среди внутренних симметрий можно выделить глобальные и локальные симметрии. Симметрия одномерная характерна для фигур с одним особенным направлением - бордюров, лент, стержней. Симметрия двумерная присуща фигурам с двумя особенными направлениями: сетчатым орнаментам и слоям.
Изотропия пространства - еще один вид симметрии - относительно поворотов координатных систем. В физике это проявляется в том, что вокруг любой прямой можно повернуть координатную систему на любой угол, и повернутая система будет во всех отношениях равноценна первоначальной.
Пространство имеет группу симметрии относительно произвольных переносов по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Симметрия же времени напоминает симметрию прямой относительно переносов. Время однородно, т.е. все его моменты равноценны, по крайней мере по отношению к чисто механическим явлениям.
Живой организм не имеет кристаллического строения, однако, упорядоченные структуры в ней представлены очень широко. Если они жидкие, то их называют жидкими кристаллами. Это и желчь, и кровь, и хрусталик глаза, и серое вещество мозга.
Операции симметрии
Операции симметрии: отражение в плоскости симметрии; поворот вокруг оси симметрии; отражение в центре симметрии; перенос фигуры на расстояние; винтовые повороты.
29. Кристаллы и принципы симметрии
Симметрия подобия - представляет собой своеобразные аналогии трансляций, отражений в плоскостях, повороты вокруг осей, связанные с одновремен6ным увеличением или уменьшением подобных частей фигуры и расстояний между ними.
Симметрия подобия повсеместно проявляется в природе, во всем, что растет. Природа обнаруживает подобие как свою глобальную генетическую программу. Подобие правит живой природой в целом. Геометрическое подобие - общий принцип пространственной организации живых структур. Лист клена подобен листу клена, березы - березе. Клетка, принадлежащая целостному организму, выполняет функцию его воспроизведения в новый. Она является точкой "начала", которая в итоге деления окажется преобразована в объект, подобный первоначальному. Этим объединяются все виды живых структур, по этой причине и существуют стереотипы жизни.
Принципы симметрии делятся на пространственно-временные (геометрические или внешние) и внутренние, описывающие свойства элементарных частиц.
Пространственно-временные принципы симметрии:
· сдвиг системы отсчета не меняет физических законов, т.е. все точки пространства равноправны. Это означает однородность пространства.
· Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными, т.е. все свойства пространства одинаковы по всем направлениям, пространство изотропно.
· Сдвиг во времени не меняет физических законов, т.е. все моменты времени объективно равноправны. Время однородно. Любой момент времени можно взять за начало отсчета.
· Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
· Зеркальная симметрия природы не меняет физических законов.
· Фундаментальные физические законы не меняются при обращении знака времени.
· Замена всех частиц на античастицы не влияет на физические законы, не меняет характера процессов природы.
В современной физике обнаружена определенная иерархия законов симметрии: одни выполняются при любых взаимодействиях, другие же - только при сильных и электромагнитных. Эта иерархия отчетливо проявляется во внутренних симметриях.
Внутренние принципы симметрии действуют в микромире. В релятивистской квантовой теории предполагается взаимное превращение элементарных частиц:
· при всех превращениях элементарных частиц сумма элементарных зарядов частиц остается неизменной
· барионный или ядерный заряд остается постоянным.
· заряд лептона сохраняется.
Под кристаллом понимается определенная пространственная структура и организация составляющих кристалла - атомов, и "кристаллом" может быть названо всё, что имеет в своей основе кристаллическую решетку (строго упорядоченную пространственную, или объемную, решетку, в узлах которой располагаются атомы - стройными шеренгами, рядами). Существуют микрокристаллы - кристаллические зернышки мельчайших размеров, связанные или сцепленные между собой и образующие макротела. С этой точки зрения, подавляющее большинство всех твердых тел в окружающем нас мире, включая вещества внутри нас, имеет кристаллическое строение, т.е. является теми же самыми кристаллами.
Симметрия - неотъемлемое свойство любого кристалла.
30. Химическая наука об особенностях атомно-молекулярного уровня организации материи
Еще древнегреческие философы считали, что вещества состоят из очень маленьких неделимых частиц - атомов. Но доказать это экспериментально они не могли.
В XVIII - XIX вв. в результате работ М. В. Ломоносова, Дальтона, Авогадро и других была выдвинута гипотеза об атомно-молекулярном строении вещества. Эта гипотеза основана на идее о реальном существовании атомов и молекул. В 1860 г. Международный конгресс химиков четко определил понятия атома и молекула. Атомно-молекулярное учение приняли все ученые. Химические реакции стали рассматриваться с точки зрения атомно-молекулярного учения.
Основы положения атомно-молекулярного учения:
1. Вещества состоят из молекул - наименьших частиц вещества, которые сохраняют его химические свойства (см. § 4).
2. Молекулы состоят из атомов.
Атомы - наименьшие частицы химического элемента, которые входят в состав простых и сложных веществ и не разрушаются при химических реакциях.
Атом, молекула, вещество - виды существования материи.
3. Молекулы и атомы непрерывно движутся.
4. Молекулы сохраняются при физических явлениях и разрушаются при химических явлениях.
При химических реакциях происходит перегруппировка атомов.
Xимuческие реакции - это химическая форма движения материи.
В конце XIX и в начале XX вв. атомно-молекулярное учение превратилось в научную теорию. В это время ученые доказали экспериментально, что атомы и молекулы существуют объективно, независимо от человека.
В настоящее время возможно не только вычислить размеры отдельных молекул их массы, но и определить порядок соединения атомов в молекуле. Ученые определяют расстояние между молекулами и даже фотографируют некоторые макромолекулы.
Атомно-молекулярная теория - одна из главных теорий естественных наук. Эта теория подтверждает материальное единство мира.
31. Самоорганизация в живой и неживой природе. Гомеостаз
Сегодня наука считает все известные системы открытыми, обменивающимися энергией и (или) веществом с окружающей средой и находящимися в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. А развитие таких систем протекает путем образования нарастающей упорядоченности. На такой основе возникло представление о самоорганизации вещественных систем.
Понятие самоорганизации отражает фундаментальный принцип Природы, лежащий в основе наблюдаемого развития от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации вещества.
Условия возникновения самоорганизации:
· Система должна быть открытой, потому что закрытая система в конечном итоге должна прийти в состояние беспорядка и дезорганизации.
· Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия.
Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение и усиление порядка через флуктуации (случайные отклонения системы от среднего положения).
Возникновение самоорганизации опирается на положительную обратную связь.
Процессы самоорганизации сопровождаются нарушением симметрии.
Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов.
Самоорганизация выступает как источник эволюции систем, так как она служит началом процесса возникновения качественно новых и более сложных структур в развитии системы.
В последние десятилетия предпринималось немало попыток описания эволюции в терминах современных научных теорий. Наиболее из них являются, во-первых, кибернетический подход (Россо Эшби), при котором система постепенно адаптируется к своему окружению, пока не достигнет равновесия. Во-вторых, для изучения эволюции нередко обращаются к математической теории катастроф (Рене Том), которая рассматривает развитие от данного равновесного состояния системы к другому как "катастрофу".
В критической точке открывается, по крайней мере, два возможных пути эволюции системы. Какой путь при этом "выберет" система, зависит в значительной степени от случайных факторов. Но когда такой путь выбран, то дальнейшее движение системы подчиняется уже детерминистским законам. Таким образом, динамику развития системы или ее эволюцию стоит рассматривать как единство двух взаимодействующих сторон единого процесса развития, а именно случайности и необходимости.
Появление принципа глобального эволюционизма означает, что в современном естествознании утвердилось убеждение о том, что материя, Вселенная в целом и во всех ее элементах не могут существовать вне развития. Радикальное обновление представлений об устройстве мироздания заключается в следующем: Вселенная нестационарна, она имела начало во времени.
Биосфера - это саморегулирующаяся система. Это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность гасить возникающие возмущения и приходить в исходное состояние включением ряда механизмов.
32. Концепции происхождения живого
В зависимости от того, какое наиболее фундаментальное свойство живого исследуется и преобладает в данном изучении (вещество, информация, энергия), все современные концепции происхождения жизни можно условно разделить:
1. Концепция субстратного происхождения жизни (ее придерживаются биохимики во главе с А. Опариным)
2. Концепция энергетического происхождения (И. Пригожин, А. Волькенштейн).
3. Концепция информационного происхождения (ее развивали А.Н. Колмогоров, А.А. Ляпунов, Д.С. Чернавский и др.).
Из конкретных концепций, получивших сегодня признание, кроме гипотезы Опарина о путях эволюции обмена веществ можно выделить концепцию о передаче наследственной информации английского ученого Д. Холдейна (1892--1964), имевшего труды по генетике, биохимии, применению математических методов в биологии.
Все концепции ставят целью определить тот низший порог, с которого начинает действовать естественный отбор на биологическом уровне, а значит, начинают функционировать биологические законы. Однако ниже этой границы действуют другие законы -- закономерности эволюционной химии, т е. совсем иная форма естественного отбора.
Современные биологи доказывают, что универсальной формулы жизни (т.е. такой, которая исчерпывающе отображала бы ее сущность) нет, и не может быть. Такое понимание предполагает исторический подход к биологическому познанию как постижению сущности жизни, в ходе чего менялись и сами концепции происхождения жизни и представления о тех формах, в которых такое познание возможно.
В 1953 г. американский ученый Л.С. Миллер экспериментально доказал возможность абиогенного (не происходящего от живого организма) синтеза органических соединений из неорганических. Пропуская электрические разряды через смесь нагретых газов Н2, Н2О (в виде пара), СН4 и NH3, он получил набор нескольких аминокислот и органические кислоты. Оказалось, что таким путем можно синтезировать очень многие органические соединения, входящие в состав биологических полимеров -- белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов. Более 4 млрд. лет назад "колбой" Миллера был весь земной шар. Извергались вулканы, с которых стекали потоки раскаленной лавы, клубы пара окутывали Землю, атмосфера была насыщена электричеством. По мере остывания планеты водяные пары атмосферы выпадали ливнями.
В этих условиях и возникли предпосылки для длительного равновесия основных параметров, при которых могла зародиться жизнь. Здесь важно подчеркнуть, что процессы в земных оболочках планеты были неравновесными.
Одним из наиболее сложных вопросов, связанных с происхождением жизни, является характеристика особенностей доклеточного предка.
Хорошо известен факт, что для саморепродукции нуклеиновых кислот (основы генетического кода) необходимы ферментные белки, а для синтеза белков - нуклеиновые кислоты. Отсюда следуют два вопроса:
1) что было первичным - белки или нуклеиновые кислоты?
2) если предположить, что эти классы полимеров возникли не одновременно, то как и когда произошло их объединение в единую систему передачи генетической информации?
Концепция А. И. Опарина относится к группе голобиоза, поскольку исходит из идеи первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Нуклеиновые кислоты при таком механизме появляются на завершающем этапе.
33. Особенности биологического уровня организации материи
Биосфера является самой крупной, глобальной экосистемой планеты. Понятие биосфера было введено в 1875 году Э. Зюссом. Но наибольшее развитие это понятие получило в трудах В.И. Вернадского. Под биосферой он понимал все пространство литосферы, гидросферы и атмосферы, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются организмы или продукты их жизнедеятельности.
Основные положения теории Вернадского:
· жизнь есть неизбежное следствие мирового эволюционного процесса, любые теории случайного зарождения жизни не выдерживают критики;
· возникновение Земли как космического тела и появление на ней жизни произошло практически одновременно, следы жизни обнаруживаются в самых глубоких геологических слоях;
Подобные документы
Естествознание как система научных знаний о природе, обществе и мышлении взятых в их взаимной связи. Формы движения материи в природе. Предмет, цели, закономерности и особенности развития, эмпирическая, теоретическая и прикладная стороны естествознания.
реферат [25,4 K], добавлен 15.11.2010Цель и предмет курса "Концепции современного естествознания", основные термины и понятия. Специфические черты науки, виды культуры. История становления научных знаний. Естественнонаучная картина мира. Внутреннее строение Земли. Законы химии и биологии.
шпаргалка [136,9 K], добавлен 12.02.2011Естественнонаучная и гуманитарная культуры и история естествознания. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. Порядок и беспорядок в природе, хаос. Пространство и время, принципы относительности, симметрии, универсального эволюционизма.
курс лекций [545,5 K], добавлен 05.10.2009Исторические этапы познания природы, логика и закономерности развития науки. Понятие научной картины мира и теория относительности. Антропный принцип космологии и Учение Вернадского о ноосфере. Современные концепции экологии, задачи и принципы биоэтики.
шпаргалка [64,8 K], добавлен 29.01.2010Рассмотрение стадий исторического развития естествознания. Отказ от созерцательности и наивной реалистичности установок классического естествознания. Усиление математизации современного естествознания, сращивание фундаментальных и прикладных исследований.
реферат [30,2 K], добавлен 11.02.2011Естественнонаучная и гуманитарная культуры. Предмет и метод естествознания. Динамика естествознания и тенденции его развития. История естествознания. Структурные уровни организации материи. Макромир. Открытые системы и неклассическая термодинамика.
книга [353,5 K], добавлен 21.03.2009Наука как часть культуры, ее критерии и структура. Методы и подходы научного познания. Сущность современных концепций физики, химии и космологии. Земля как предмет естествознания. Теории происхождения жизни, эволюции органического мира. Феномен человека.
учебное пособие [3,2 M], добавлен 21.09.2010Социальные функции естественных наук. Естественнонаучная, гуманитарная культуры. Роль естествознания в научно-техническом прогрессе, классификация его методов, их роль в познании. Формы естественнонаучного познания: факт, проблема, идея, гипотеза, теория.
курс лекций [279,5 K], добавлен 15.11.2014Систематизация знаний в отдельные науки. Возникновение и развитие естествознания, основные понятия и цели. Связь научных знаний о природе с производственной и трудовой деятельностью человека. Взаимосвязь и взаимозависимость естествознания и общества.
контрольная работа [25,7 K], добавлен 04.04.2009История и этапы развития естествознания и общества, их взаимодействие. Новейшая революция в естествознании. Дифференцированные знания о сферах деятельности людей. Становление теоретического естествознания, основанного на экспериментах и наблюдениях.
реферат [22,1 K], добавлен 29.07.2010
