Концепция современного естествознания

Антромпный примнцип -- аргумент «Мы видим Вселенную такой, потому что только в такой вселенной мог возникнуть наблюдатель, человек», утверждающий, почему в наблюдаемой нами Вселенной имеет место ряд нетривиальных соотношений между разнообразными фундаментальными физическими параметрами, которые способны привести к образованию разумной жизни.

Часто выделяют сильный и слабый антропные принципы.

· Слабый антропный принцип: во Вселенной встречаются разные значения физических величин, но наблюдение некоторых значений более вероятно, поскольку в регионах, где величины принимают некоторые значения, жизнь более возможна.

· Сильный антропный принцип: Вселенная должна иметь свойства, позволяющие развиться разумной жизни.

Вариантом сильного АП является АПУ (Антропный принцип участия), сформулированный в 1983 году Джоном Уиллером^[1]:

Наблюдатели необходимы для привнесения Вселенной в бытие. (Observers are necessary to bring the Universe into being.)

Подчеркнём, что в современной науке антропный принцип имеет статус любопытного наблюдения, которое не могло проводиться там, где не возникло разумной жизни, а следовательно и наблюдателя, способного увидеть следующие взаимосвязи.

Соотношения, необходимые для образования жизни

Численные значения многих безразмерных (то есть не зависящих от системы единиц) фундаментальных физических параметров, таких как отношения масс элементарных частиц, безразмерные константы фундаментальных взаимодействий, кажутся не подчинёнными никакой закономерности. Однако выясняется, что если бы эти параметры отличались от своих наблюдаемых значений лишь на небольшую величину, разумная жизнь (в привычном нам понимании) не могла бы образоваться.

Размерность пространства

Прежде всего бросается в глаза тот факт, что только в трёхмерном пространстве может возникнуть то разнообразие явлений, которое мы наблюдаем. Так, для размерности пространства более трёх при принятии ньютоноподобного закона тяготения невозможны устойчивые орбиты планет в гравитационном поле звёзд. Более того, в этом случае невозможна была бы и атомная структура вещества (электроны падали бы на ядра даже в рамках квантовой механики). Именно при числе измерений больше трёх квантовая механика предсказывает бесконечный спектр энергий электрона в атоме водорода, допускающий как положительные, так и отрицательные значения энергии. В случае размерностей меньше трёх движение всегда происходило бы в ограниченной области. Только при N = 3 возможны как устойчивые финитные, так и инфинитные движения^[2].

Изложенные выше аргументы относятся к случаю нерелятивистского рассмотрения проблемы. Если же попытаться распространить общую теорию относительности как современную теорию гравитации на пространство-время с другим количеством пространственных измерений, то картина получается обратной: при двух пространственных измерениях гравитационно взаимодействующие тела ни при каких условиях не могут образовывать связной системы (это давно известно в ОТО и было обнаружено в 1960-х гг., см. космические струны), а при числе измерений пространства большем трёх гравитационное взаимодействие наоборот, настолько сильно, что не позволяет инфинитного движения тел. Таким образом, предельный переход общей теории относительности в ньютоновскую теорию тяготения возможен только в пространстве трёх измерений.

Значения масс электрона, протона и нейтрона

Свободный нейтрон тяжелее, чем система протон+электрон, и именно поэтому атом водорода стабилен. Если бы нейтрон был легче хотя бы на десятую долю процента, атом водорода быстро превращался бы в нейтрон. В результате материя имела бы лишь один уровень организации -- ядерный, а атомов и молекул не существовало бы вовсе.

Существование дейтрона и несуществование дипротона

Известно, что для образования связанного состояния двух частиц (в обычном, трёхмерном пространстве) необходимо не только, чтобы они притягивались, но и чтоб это притяжение было достаточно сильным. Притяжение между протоном и нейтроном оказывается почти «на грани»: их связанное состояние (дейтрон) существует, однако оно слабо связано и потому имеет довольно большие геометрические размеры. Это приводит к тому, что реакция горения водорода в звёздах идёт очень эффективно. Если бы сила протон-нейтронного взаимодействия была бы меньше, дейтрон был бы нестабилен, и вся цепочка горения водорода оборвалась. Если бы константа связи была заметно сильнее, то размеры дейтрона были бы меньше, и реакция горения шла бы не столь интенсивно. И в том, и в другом случае оказалось бы, что звёзды горели бы менее интенсивно, что не могло бы не сказаться на жизни.

С другой стороны, известно, что два протона связанное состояние не образуют: сильное взаимодействие хоть и превышает кулоновский барьер, но всё же недостаточно сильно. Если бы константа сильного взаимодействия была бы немного сильнее, то дипротоны были бы стабильными частицами. Это имело бы катастрофические последствия для эволюции Вселенной: в первые же её дни весь водород выгорел бы в гелий, и дальнейшее существование звёзд оказалось бы невозможным.

Резонанс в ядре углерода-12

Известно, что вначале во Вселенной материя практически полностью находилась в виде водорода и гелия. Ядра гелия крайне стабильны сами по себе, и потому совершенно неочевидно, что в процессе горения звёзд должны в больших количествах образовываться более тяжёлые элементы. Действительно, уже на первом этапе имеется препятствие: два ядра гелия не образуют стабильное ядро бериллия-8 (этот нуклид распадается за 10^?18 с). Нет сколько-нибудь стабильных ядер и с массовым числом A=5, которые могли бы образоваться при слиянии альфа-частицы с протоном или нейтроном. В принципе, три ядра гелия-4 могут образовать стабильное ядро углерода-12, однако вероятность одновременного столкновения трёх альфа-частиц столь мала, что без «посторонней помощи» скорость такой реакции была бы ничтожна для образования значительного количества углерода даже на астрономических временах.

Роль такой посторонней помощи играет резонанс (возбуждённое состояние) углерода-12 с энергией 7,65 МэВ. Будучи практически вырожденым по энергии с состоянием трёх альфа-частиц, он кардинально увеличивает сечение реакции и убыстряет процесс горения гелия. Именно благодаря ему на конечной стадии звёздной эволюции образуются тяжёлые элементы, которые после взрыва сверхновых разлетаются в пространстве и впоследствии образуют планеты.

В приниципе, наличие ядерных резонансов не представляет собой ничего удивительного. По-настоящему необычным является лишь случайное («подобранное») численное значение энергии возбуждения резонанса. Так, в работе H. Oberhummer, A. Csoto, and H. Schlattl, Science 289, 88 (2000); Nucl. Phys. A 689, 269c (2001) (nucl-th/9810057) показано, что если бы константа нуклон-нуклонного взаимодействия отличалась хотя бы на 4 %, углерод в звёздах практически не образовывался бы.

Параметры электрослабого взаимодействия

В работе V.Agrawal et al., Phys.Rev. D57 (1998) 5480-5492 (hep-ph/9707380) показано, что для образования достаточно сложных наборов химических элементов требуется, чтобы среднее значение хиггсовского поля в электрослабой теории не превышало наблюдаемое значение ( ГэВ) более, чем в пять раз.

Проблема начальных значений в космологии

В целом, учитывая изложенные аргументы, возникает ощущение, что во Вселенной всё «настроено» для того, чтобы жизнь смогла образоваться и просуществовать достаточно долго. Этим ощущением, как аргументом, пользуются креационисты -- сторонники Теории Разумного Творения. Однако, математик М. Икеда и астроном У. Джефферис утверждают, что это ощущение является следствием неверной интуитивной оценки условных вероятностей.

· Идея множественности миров в инфляционной модели как основа слабого антропного принципа

· Детерминированность фундаментальных параметров как аргумент против антропного принципа

Антропный принцип и принцип Коперника

Антропный принцип вступает в видимое противоречие с космологическим принципом Коперника, утверждающим, что место, где существует человечество, не является привилегированным, как-то выделенным среди других. Если расширить понятие «место» на всю Вселенную, то отмеченные выше соотношения между фундаментальными константами, делающие возможным существование достаточно высокоорганизованной материи, являются необходимыми для возникновения разумной жизни, и, следовательно, лишь некоторые из ансамбля возможных вселенных являются пригодными для обитания; в этом смысле выделенными являются определённые области в пространстве параметров. В обычном физическом пространстве Солнечная система также занимает достаточно специальное положение -- её орбита в Галактике находится на так называемой коротационной окружности, где период обращения звезды вокруг ядра Галактики совпадает с периодом обращения спиральных рукавов -- мест активного звездообразования. Таким образом, Солнце (в отличие от большинства звёзд Галактики) очень редко проходит сквозь рукава, где вероятны близкие вспышки сверхновых с возможными фатальными последствиями для жизни на Земле.

Синтезом антропного принципа и принципа Коперника является утверждение, что выделенными являются области возможных параметров, существенных для возникновения разумной жизни, тогда как параметры, конкретные значения которых не влияют на вероятность возникновения разумной жизни, не тяготеют к каким-то специальным значениям. Так, положение, которое занимает во Вселенной наша Галактика -- одна из миллиардов спиральных галактик, ничем не выделено

Учение о ноосфере

Учение о ноосфере, основателем которого считается В.И.Вернадский, получило в России широкое распространение. Оно даже предлагается как основа для всемирной стратегии "устойчивого развития" (Рио-де-Жанейро, направленного на разрешение глобального экологического кризиса. Но мало кто имеет сколь либо ясное представление о том, что же такое “ноосфера”. Это не удивительно, поскольку учение о ноосфере Вернадского - не более чем околонаучный миф, рожденный в эпоху строительства коммунизма с целью его естественнонаучного обоснования. Так, в "Биологическом энциклопедическом словаре" это утверждается непосредственно: "…поскольку характер отношений общества и природы определяется и социальным строем, постольку сознательное формирование Н. (ноосферы. - Г.К., Г.Р.) органически связано со становлением коммунистического общества". В постсоветской России понятие ноосферы приобрело и иной, метафизический смысл. Например, в одной из тольяттинских больниц, возглавляемой академиком РАЕН, создана лаборатория "Ноосферных знаний и технологий", в которой "производится снятие наговоров, порчи, венца безбрачия" и иные услуги подобного рода. Судя по рекламным объявлениям в прессе, “ноосфера” стала прибежищем, различного рода "народных целителей", экстрасенсов, мастеров белой и черной магии, "преобразующих" среду с помощью "духовной составляющей мира".Само понятие “ноосферы” было предложено французским ученым Эдуардом Леруа, а развито двумя его современниками и коллегами - Пьером Тейяр де Шарденом и В.И.Вернадским. Их взгляды на ноосферу оцениваются, обычно, как противоположные, хотя для этого нет достаточных оснований. П.Тейяр де Шарден рассматривает ноосферу в контексте единой философской доктрины, как этап цикла развития материи (универсума) от начальной точки сингуляции (альфы) до конечной (омеги). Его взгляды в России критиковались как идеалистические. Однако, Тейяр де Шарден был не только теософом, но и крупным биологом, палеонтологом, взгляды которого пронизаны эволюционизмом. Он считал, что эволюция - "…основное условие, которому должны отныне подчиняться и удовлетворять все теории, гипотезы, системы, если они хотят быть разумными и истинными. Свет, озаряющий все факты, кривая, в которой должны сомкнуться все линии - вот что такое эволюция". Такой подход стал реальностью в 70-80-х годах XX века, когда представления о возникновении материи в результате "большого взрыва" стали научной теорией. Физики пытаются проследить возникновение и эволюцию частиц и атомов, астрономы - космических тел, химики - молекулярную эволюцию, вплоть до возникновения жизни, биологи - развитие не только органического мира, но и психики, социологи - глобальные тенденции развития человека. Учение о ноосфере Тейяр де Шардена можно свести к следующим основным положениям.

· Возникновение разума - закономерный результат развития материи, подготовленный всем ходом развития мира. Эти представления близки к развиваемым в рамках "антропного принципа".

· Возникновение человеческого разума- качественно новый этап эволюции живой материи, переход эволюции от биологической фазы к социальной, духовной; превалирование духовного начала над материальным в организации и функционировании биосферы.

· Человек, как носитель разума, не приспосабливается к среде, как другие животные, а изменяет и подчиняет ее себе, "…устраняет и покоряет всякую форму жизни, не являющуюся человеческой".

· По мере развития "планетаризации" человека, деятельность его принимает глобальный характер, "…затрагивает саму жизнь в ее органической целостности".

· Социальная эволюция объективно направлена на единение человечества, социальную и духовную конвергенцию рас, народов, разных слоев общества, на формирование "единомыслящего" в мировоззренческом плане человека.

· Ноосфера представляет собой результат деятельности всего человечества, начиная с момента появления человека; на современном этапе она, как и биосфера, включает "былые ноосферы".

· В состоянии ноосферы эволюция "…приобретает свободу располагать собой - продолжить себя или отвергнуть", завершить развитие разума путем глобальной катастрофы.

· Формирование ноосферы - естественный процесс, независящий от воли человека, но он может быть ускорен деятельностью человека. "От нас зависит сделать стихийный процесс сознательным, превратить область жизни - биосферу, в царство разума - в ноосферу" (Э.Леруа).

Учение Тейяр де Шардена было отвергнуто не только нашей "официальной наукой", но и западным миром как антихристианское. Ему была запрещена преподавательская деятельность в университете в Сорбонне и он был вынужден покинуть Францию, прожив бoльшую часть жизни в Китае, а затем в США. Основные его произведения были опубликованы после смерти, Практически все перечисленные выше положения разделялись В.И.Вернадским, который, несомненно был знаком с ними в результате личного общения с Леруа и Тейяр де Шарденом. Воззрения Вернадского на ноосферу отличались тем, что он решающее значение придавал научному познанию законов организации биосферы, трансформации ее под влиянием деятельности человека, а так же сознательной деятельности по ускорению становления ноосферы. Однако последнее обстоятельство относилось в большей степени к будущему, нежели к настоящему, которое он воспринимал достаточно критично. В.И.Вернадский обратился к идее ноосферы в конце своей жизни - основная его работа по этой проблеме была опубликована. Его представления трудно назвать "учением о ноосфере". Это скорее общая концепция о закономерности развития биосферы в состояние, контролируемое человеческим разумом. Представления Вернадского о ноосфере по многим позициям близки к развивавшимся Тейяр де Шарденом. Истинные воззрения Вернадского на ноосферу оценить сложно - он был верующим человеком, но, естественно, воздерживался от противостояния официальной идеологии построения коммунизма в одной стране (с работами К.Маркса, по собственному признанию, он был знаком недостаточно). Труды Вернадского, как и Тейяр де Шардена, не были признаны при жизни, хотя “Сталинский план преобразования природы” целиком укладывался в ноосферные представления Вернадского. "Учение о ноосфере" было востребовано позднее, когда официальная коммунистическая доктрина о построении коммунизма была скомпрометирована и возникла необходимость в ином, естественнонаучном ее обосновании. Этому способствовала и вера Вернадского в неограниченные возможности научно-технического прогресса, реальности достижения полной независимости человечества от природы, перехода его к автотрофности. Экологический авантюризм обосновывался необходимостью ускорения наступления ноосферы путем разумного преобразования природы. Положение о возможности сознательного, разумного превращения биосферы в ноосферу, казалось, уже само по себе исключает неблагоприятные последствия подобного развития. Из объективного характера трансформации биосферы в ноосферу был сделан вывод о возможности гармонического сосуществования человека и природы и, как следствие, о коэволюции природы и общества. Это "достижение" отечественной экологии, не соответствующее ни историческому опыту, ни законам эволюции, вошло во многие учебники. Оно было подвергнуто критическому анализу в работе В.И.Данилова-Данильяна , показавшего полнейшую научную несостоятельность такой "коэволюции".

Современные концепции происхождения, строения и состояния Земли

Одним из наиболее трудных и в тоже время интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Он труден потому, что, когда наука подходит к проблемам развития как создания нового, она оказывается у предела своих возможностей как отрасли культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений. Учёные сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишённым ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность методологическая - в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни (уникальность этого процесса препятствует использованию основного научного метода). Жизнь на Земле представлена громадным разнообразием форм, которым присуща возрастающая сложность строения и функций. Всем живым организмам свойственны два признака: целостность и самовоспроизведение. В ходе индивидуального изменения (онтогенеза) организмы приспосабливаются к внешним условиям, а смена поколений приобретает эволюционно-исторический характер (филогенез). Организмы выработали способность к относительной независимости от внешней среды (автономность). Одно из главных свойств всякого живого организма -- обмен веществ. Наряду с ним существенными признаками жизни являются раздражимость, рост, размножение, изменчивость, наследственность. Всякий живой организм как бы стремится к главному -- воспроизведению себе подобных.

Концепции возникновения жизни. Существует пять концепций возникновения жизни: Жизнь была создана Творцом в определённое время - креационизм. Жизнь возникла самопроизвольно из неживого вещества (её придерживался ещё Аристотель который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы). Концепция стационарного состояния в соответствии с которой жизнь существовала всегда. Концепция панспермии - внеземного происхождения жизни; Концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов подчиняющихся физическим и химическим законам. Согласно креационизму возникновение жизни относится к определённому событию в прошлом которое можно вычислить. архиепископ Ашер из Ирландии вычислил что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н.э., а в 9 часов утра 23 октября и человека. Это число он получил из анализа возрастов и родственных связей всех упоминаемых в Библии лиц. Однако к тому времени на Ближнем Востоке уже была развитая цивилизация, что доказано археологическими изысканиями. Впрочем, вопрос сотворения мира и человека не закрыт, поскольку толковать тексты Библии можно по-разному. Аристотель на основе сведений о животных, которые поступали от воинов Александра Македонского и купцов-путешественников, сформулировал идею постепенного и непрерывного развития живого из неживого и создал представление о «лестнице природы» применительно к животному миру. Он не сомневался в самозарождении лягушек, мышей и других мелких животных. Платон говорил о самозарождении живых существ из земли в процессе гниения.С распространением христианства идеи самозарождения были объявлены еретическими, и долгое время о них не вспоминали. Гельмонт придумал рецепт получения мышей из пшеницы и грязного белья. Бэкон тоже считал, что гниение - зачаток нового рождения. Идеи самозарождения поддерживали Галилей, Декарт, Гарвей, Гегель, Ламарк. итальянский биолог Франческо Реди серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал, что появляющиеся в гниющем мясе белые маленькие черви - это личинки мух, и сформулировал свой принцип: всё живое - из живого. Пастер показал, что бактерии могут быть везде и заражать неживые вещества, для избавления от них необходима стерилизация, получившая название пастеризации. Теория панспермии (гипотеза о возможности переноса Жизни во Вселенной с одного космического тела на другие) не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни и переносит проблему в другое место Вселенной. Либих считал, что «атмосферы небесных тел, а также вращающихся космических туманностей можно считать как вековечные хранилища оживлённой формы, как вечные плантации органических зародышей», откуда жизнь рассеивается в виде этих зародышей во Вселенной. Подобным образом мыслили Кельвин, Гельмгольц и др. в начале нашего века с идеей радиопанспермии выступил Аррениус. Он описывал, как с населённых другими существами планет уходят в мировое пространство частички вещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Они сохраняют свою жизнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счёт светового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни, они начинают новую жизнь на этой планете. Эту гипотезу поддерживали многие, в том числе русские учёные академики Сергей Павлович Костычев (1877-1931), Лев Семёнович Берг (1876-1950) и Пётр Петрович Лазарев (1878-1942). Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки с изображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления НЛО. Полёты космических аппаратов разрушили веру в существование разумной жизни на планетах солнечной системы, которая появилась после открытия Скиапарелли каналов на Марсе (1877). Но пока следов жизни на Марсе не найдено. В конце 60-х годов вновь возрос интерес к гипотезам панспермии. Так, геолог Б.И. Чувашов (Вопросы философии. 1966) писал, что жизнь во Вселенной, по его мнению, существует вечно. При изучении вещества метеоритов и комет были обнаружены многие «предшественники живого» - органические соединения, синильная кислота, вода, формальдегит, цианогены. Формальдегид, в частности, обнаружен в 60% случаев в 22 исследованных областях, его облака с концентрацией примерно 1 тысяча молекул в куб.см заполняют обширные пространства. В 1975 г. предшественники аминокислот найдены в лунном грунте и метеоритах. Сторонники гипотезы занесения жизни из космоса считают их «семенами», посеянными на Земле. В представлениях о зарождении жизни в результате физико-химических процессов важную роль играет эволюция живой планеты. По мнению многих биологов, геологов и физиков, состояние Земли за время её существования всё время изменялось. В очень давние времена Земля была горячей планетой, её температура достигала 5-8 тысяч градусов. По мере остывания планеты тугоплавкие металлы и углерод конденсировались и образовывали земную кору, которая не была ровной из-за активной вулканической деятельности и всевозможных подвижек формирующегося грунта. Атмосфера первичной Земли сильно отличалась от современной. Лёгкие газы - водород, гелий, азот, кислород, аргон и другие - не удерживались пока недостаточно плотной планетой, тогда как их более тяжёлые соединения оставались (вода, аммиак, двуокись углерода, метан). Вода оставалась в газообразном состоянии, пока температура не упала ниже 100оС. Химический состав нашей планеты сформировался в результате космической эволюции вещества солнечной системы, в ходе которой возникли определённые пропорции количественных соотношений атомов. Поэтому современные данные о соотношении атомов химических элементов оказываются важными. Космическое обилие кислорода и водорода выразилось в обилии воды и её многочисленных окислов. Относительно более высокая распространённость углерода явилась одной из причин, определивших большую вероятность возникновения жизни. Обилие кремния, магния и железа способствовало образованию в земной коре и метеоритах силикатов. Источниками сведений о распространённости элементов служат данные о составе Солнца, метеоритов, поверхностей Луны и планет. Возраст метеоритов примерно соответствует возрасту земных пород, поэтому их состав помогает восстановить химический состав Земли в прошлом и выделить изменения, вызванные появлением жизни на Земле. Научная постановка проблемы возникновения жизни принадлежит Энгельсу, считавшему, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи. В этом же ключе высказался и К.А.Тимирязев: «Мы вынуждены допустить, что живая материя осуществлялась так же, как и все остальные процессы, путём эволюции… Процесс этот, вероятно, имел место и при переходе из неорганического мира в органический». Гипотеза происхождения жизни А.И. Опарина :Еще Ч.Дарвин понял, что жизнь может возникнуть только при отсутствии жизни. он писал: «Но если бы сейчас …в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т.п., химически образовался белок, способный к дальнейшим, все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено или поглощено, что было невозможно в период до возникновения живых существ». Гетеротрофные организмы, распространенные сейчас на земле, использовали бы вновь возникающие органические вещества. Поэтому возникновение жизни в привычных нам земных условиях невозможно. Второе условие, при котором жизнь может возникнуть, - отсутствие свободного кислорода в атмосфере. Это важное открытие сделал русский ученый А.И.Опарин (к такому же выводу. пришел английский ученый Дж.Б.С.Холдейн). А.И.Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд. лет назад состояла из азота, водорода, углекислого газа, паров воды и аммиака, возможно, с добавкой синильной кислоты (ее обнаружили в хвостах комет), могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Поэтому возникающие на поверхности Земли органические вещества могли накапливаться, не окисляясь. И сейчас на нашей планете они накапливаются только в бескислородных условиях, так возникают торф, каменный уголь и нефть. Создатель материалистической гипотезы возникновения жизни на Земле, русский биохимик, академик Александр Иванович Опарин посвятил всю свою жизнь проблеме происхождения живого. Американский биолог Ж.Леб. первым получил из смеси газов под действием электрического разряда простейший компонент белков - аминокислоту глицин. Возможно, кроме глицина он получил и другие аминокислоты, но в то время еще не было методов, позволяющих определить их малые количества. Открытие Леба прошло незамеченным, поэтому первый абиогенный синтез органических веществ (т.е. идущий без участия живых организмов) из случайной смеси газов приписывают американским ученым С.Миллеру и Г.Юри. они поставили эксперимент по программе, намеченной Опариным, и получили под действием электрических разрядов напряжением до 60 тыс. В, имитирующих молнию, из водорода, метана, аммиака и паров воды под давлением в несколько Паскалей при t=80С сложную смесь из многих десятков органических веществ. Среди них преобладали органические (карбоновые) кислоты - муравьиная, уксусная и яблочная, их альдегиды, а также аминокислоты (в том числе глицин и аланин). Опыты Миллера и Юри были многократно проверены на смесях разных газов и при разных источниках энергии (солнечный свет, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение и просто тепло). Органические вещества возникали во всех случаях. Полученные Миллером и Юри результаты побудили ученых различных стран заняться исследованиями возможных путей предбиологической эволюции. в Москве состоялся первый Международный симпозиум по проблеме происхождения жизни. По данным, полученным в последнее время нашими учеными, простейшие органические вещества могут возникать и в космическом пространстве при температуре, близкой к абсолютному нулю. В принципе Земля могла бы получить абиогенные органические вещества и как приданое при возникновении. В результате океан превратился в сложный раствор органических веществ (т.н. первичный океан), которым в принципе могли бы питаться анаэробные бактерии (организмы, способные жить и развиваться при отсутствии свободного кислорода и получающие энергию для жизнедеятельности за счет расщепления органических или неорганических веществ). Кроме аминокислот в нем были и предшественники нуклеиновых кислот - пуриновые основания, сахара, фосфаты и др.

Отличие человека от животных

Человек является сложноорганизованным социальным существом. Его поведение зависит как от биологических факторов (физиологические потребности, инстинкты), так и от множества небиологических -- культура общества (традиции, культурные ценности), законы государства, личные моральные убеждения, мировоззрение и религиозные взгляды, но степень влияния этих факторов различна для отдельных индивидов и отдельных популяций. Поведение человека изучает психология.

Отличительной особенностью человеческого общества является уровень развития образования, достаточный для сохранения накопленного опыта путём последовательной передачи информации от поколения к поколению. Известно, что некоторые животные также могут обмениваться умениями, но цепи передачи нового опыта слишком коротки и опыт зачастую оказывается утерян ещё в рамках того поколения, в котором он был обретен. Например, имеются данные, что имевшие взаимодействие с капканами волки при повторном столкновении с ними учат спутников распознавать и избегать ловушки, однако ни разу не наблюдалась передача подобного опыта волчатам.

Предполагается, что эффективное образование и накопление знаний стало возможным благодаря развитию двух отделов нервной системы: зоны Брока, давшей возможность быстро и сравнительно точно описывать семантику опыта упорядоченными наборами слов, и зоны Вернике, позволяющей столь же быстро понимать передаваемую речью семантику, -- результатом чего явилось ускорение речевого обмена информацией и упрощение усвоения новых понятий. Это, в свою очередь, позволило легко формализовывать опыт в достаточно полное и легко интерпретируемое описание, избегая более ресурсоемких методов обучения. Стоит отметить, что родственные предкам человека и сравнимые с ними по развитию неандертальцы также обладали речью, но заметно более медленной и, предположительно, менее гибкой.

В контексте эволюции человека среди других животных выделяет качественно новый характер взаимодействия с окружающей средой -- помимо пассивного приспособления к изменяющимся внешним факторам человек активно влияет на них, повышая комфортность среды в соответствии со своими потребностями. Превосходство (как в гибкости, так и в безопасности экспериментов для популяции) негенетического образования над генетической передачей и обработкой данных вкупе с имманентно присущим человеку стремлением к познанию окружающего мира привело к фактически экспоненциальному нарастанию объёма доступных знаний и позволило говорить об условном переходе человека на качественно новый этап развития, в рамках которого результаты ментальной деятельности значительно более критичны, нежели результаты игравших ранее первичную роль генетических процессов.

Человеку присуща способность действовать независимо от инстинктов, заранее предвидеть результаты своих действий и составлять планы, моделировать собственную деятельность и анализировать себя «со стороны». Некоторые приматы также обладают способностью предвидеть последствия своих поступков, однако она развита слабее, чем у человека.

Для человека характерно активное формирование сложных приобретенных потребностей, практически не наблюдавшихся у других животных. Способность к формированию приобретенных потребностей позволяет повышать стабильность общества путём прививания всем индивидам некой «общепринятой» морали.

В определённых условиях человеческий разум может пересилить инстинкты, даже инстинкт самосохранения. Примером этому являются самоубийства. Другим примером являются люди давшие обет безбрачия, например, монахи. Они способны долгое время сдерживать инстинкт размножения.

Основные виды энергии и их использование

«Электроэнергетика», связанных с особенностями анализа принципов использования возобновляемых видов энергии, синтеза и оптимального использования энергоустановок на их основе.

Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по энергетике, электрификации и энергетическому машиностроению при участии Московского энергетического института (технического университета).

1. Возобновляемые виды энергии и энергоустановки на их основе Источники возобновляемых видов энергии и их особенности. География энергоресурсов. Основные понятия и определения в практике исследования и использования возобновляемых видов энергии. Параметры возобновляемых видов энергии и методы их измерения. Расчеты основных категорий потенциала. Современное состояние и перспективы использования возобновляемых видов энергии.

2. Принципы использования солнечной энергии Основные понятия и определения. Источники потенциала солнечной энергии. Солнечная радиация: прямая и диффузная. Спектры внеатмосферного и наземного, солнечного излучения. Методы измерения солнечной радиации. Методы расчета прихода солнечной радиации на горизонтальную и произвольно ориентированную площади на поверхности Земли в произвольно взятой ее точке. Зависимость солнечной радиации от времени и широты местности. Продолжительность дня с солнечным излучением, поглощение в атмосфере (оптическая масса). Оптимальная ориентация приемника солнечного излучения. Основные категории потенциала солнечной энергии и методы их расчета. Кадастр солнечной энергии. Современное состояние и перспективы использования солнечной энергии в мире. Основные виды солнечных энергоустановок (СЭУ) и систем наземного и космического назначения (станции СЭС). Системы солнечного электроснабжения, горячего водоснабжения, отопления, охлаждения, сушки, опреснения, гидролиза и т. п. Башенные СЭС. Основная технологическая схема, ее компоненты и их энергетические характеристики. Уравнение движения Солнца и гелиостатов. Затенение и блокировка гелиостатов. Коэффициент улавливания приемником солнечной радиации. Тепловой приемник и методы его расчета. Оптимизация системы «концентратор (гелиостаты) - приемник». СЭС на основе солнечных прудов. Технологическая схема преобразования энергии и ее компоненты. Термальный градиент. Теплоаккумулирующая характеристика солнечных прудов. Методы расчета основных параметров СЭС на основе солнечных прудов. СЭС с параболическими и параболоцилиндрическими концентраторами: технологическая схема преобразования энергии и ее компоненты. Эффект концентрации излучения. Методы расчета основных параметров. Фотоэлектрические СЭС. Фотоэлектрическая генерация энергии. Структура солнечных элементов и принципы их работы. Фотоэлектрические свойства цепи и нагрузки фотоэлементов. Основные виды потерь энергии и факторы, влияющие на КПД фотоэлемента. Конструкции солнечных элементов. Основные технические требования к материалам солнечных элементов. Жесткие и гибкие фотоэлементы. Концентраторы излучения, их разновидности и особенности использования. КПД основных типов фотоэлементов. Фотоэлектростанции. Солнечные коллекторы и их разновидности. Принцип действия, основные конструктивные особенности, КПД солнечных коллекторов. Расчет температурного поля тепловых потерь, отвода тепла, оптического КПД Селективные покрытия их разновидности и свойства.

Системы солнечного горячего водоснабжения и отопления. Схемы и элементы. Методы расчета систем солнечного теплоснабжения (ССТ). Аккумуляция тепла в ССТ. Краткосрочная и длительная аккумуляция тепла. Методы расчета характеристик ССТ. Принцип действия, конструктивные особенности и методы расчета подогревателей воды и воздуха, сушилок, кондиционеров, холодильников, опреснителей воды на базе ССТ. Пассивные солнечные системы (ПСС). Основные типы и их особенности. Пассивные солнечные системы с непосредственным обогревом помещений (солнечные окна, оранжереи, теплицы, прозрачная крыша), с обогревом пассивного элемента вне помещения (стена Тромба, термопруды, контейнеры с водой на крыше зданий и т. п.). Энергетические характеристики ПСС. Аккумуляция тепла элементами зданий и конструкций. Использование пристроенных и встроенных теплиц в качестве приемников солнечного тепла. Космические СЭС (КСЭС). Основные схемы преобразования и концентрации солнечного излучения на КСЭС (фотоэлектрические, машинные и прямые преобразования энергии Солнца). Достоинства и недостатки схем. Проблемы сооружения КСЭС и передачи энергии на Землю. Перспективные системы передачи энергии с КСЭС на Землю (СВЧ- излучение, лазерный луч).

3. Энергия ветра и источники на ее основе Основные понятия и определения. Источники потенциала ветровой энергии. Преобразования энергии ветра. Ветроэнергетические установки (элементы аэродинамики). Основные характеристики ветра и методы их определения. Зависимость параметров ветра от высоты и времени. Характерные функции распределения ветра (распределения Рэлея, Вейбулла-Гудрича и др.). Роза ветров. Высота флюгера. Географические факторы и местные расчетные параметры ветра. Основные категории потенциала ветровой энергии и методы их расчета. Кадастр ветровой энергии. Основные технические схемы использования энергии ветра и их классификация. Теория идеального и реального ветрового двигателя. Основные положения и допущения. Осевая или подъемная сила. Рабочий момент и мощность. Потери энергии ветродвигателя. Методы получения энергетических характеристик ветроколеса. Способы установки ветроколеса на ветер. Силы, действующие на ветроколесо при его работе в косом потоке. Гироскопический момент ветроколеса. Способы регулирования частоты вращения ветроколеса и его мощности. Конструктивные особенности и энергетические характеристики основных элементов ветроэнергетической установки. Режимы работы ветроколеса. Быстроходность и ее связь с коэффициентом мощности. Подведенная и полезная мощность ветроэнергоустановки с вертикальной и горизонтальной осями. Основные виды потерь энергии. Ветроустановки, предназначенные для производства электроэнергии, тепла, механической энергии, и их особенности. Ветроустановки с горизонтальной осью вращения. Основные элементы конструкции. Одно- и многолопастные системы ВЭУ со стабилизаторами, без него или с дополнительным боковым колесом, с серводвигателем или с самоориентацией. Особенности режимов работы разных видов ВЭУ. Конструкции редуктора и генератора, их энергетические характеристики. Баланс энергии в ВЭУ. Основные энергетические характеристики. Расчетные скорости: минимальная, рабочая, максимальная. Концентраторы воздушного потока, их эффективность, особенности их конструкции. Ветроустановки с вертикальной осью вращения. Основные элементы конструкции. Одно- и многоярусные системы. Преимущества и недостатки. Основные типы ВЭУ. Энергетические характеристики ВЭУ разного типа с вертикальной осью вращения. Ветроэлектростанция (ВЭС), или ветропарк. Основные принципы оптимального использования энергопотенциала ветра в заданном регионе. Схемы оптимального размещения ВЭУ относительно друг друга и ветрового потока с учетом розы ветров в регионе. Эффект затемнения в ветропарке.

4. Использование энергии перемещения водных потоков Основные принципы использования энергии воды. Источники потенциала гидроэнергетики: естественные и искусственные водотоки и водохранилища, водохозяйственные и другие гидротехнические системы, ледники, подземные воды, приливы и отливы, волны и течения в морях и океанах. Традиционная и нетрадиционная (малая) гидроэнергетика и их особенности. Основные гидравлические и энергетические параметры источников потенциала малой гидроэнергетики (МГЭ). Методы измерения напора и расхода воды. Гидрометрические характеристики источника потенциала МГЭ. Гидрологическая информация МГЭ и ее особенности по сравнению с информацией традиционной гидроэнергетики. Использование детерминированных и вероятностных методов расчета в гидрологии МГЭ. Особенности формирования водосборов и водостоков в МГЭ. Энергия морских волн и течений. Источники потенциала и их особенности. Поверхностные волны на глубокой и мелкой воде (основы теории волнового движения). Энергия и мощность волны и методы ее использования. Идеальные и реальные волны и методы их описания. Энергетический спектр (распределение мощности волны) волн. Методы использования энергии волн при непрерывном волновом движении. География волн на Земле. Энергия приливов. Источники потенциала и их особенности. Влияние Солнца и Луны на приливы. Прилив в открытом океане и вблизи берегов. Приливная волна. Энергетика приливных течений и методы ее расчета. Основные характеристики приливной волны, и особенности их изменения во времени и от основных влияющих факторов, методы их расчета. Лунный месяц. География приливов. Основные категории потенциала малой гидроэнергетики (включая волны и приливы) и методы их расчета. Вводно-энергетические кадастры гидроэнергетики. Малые гидроэнергетические установки (ГЭУ) и гидроэлектростанции (ГЭС) различных типов, включая волновые энергоустановки (ВлЭУ) или электростанции (ВлЭС), а также приливные электростанции (ПЭС). Малые ГЭС: классификационные признаки. Основные методы и способы концентрации напора и расхода воды. Основные типы и виды турбинного оборудования МГЭС. Его энергетические характеристики, методы их получения и расчета. Модельные и натурные испытания гидроагрегатов. Нетрадиционные схемы и виды оборудования МГЭС. Водоподводящие и водоотводящие сооружения МГЭС и их энергетические характеристики. Основные типы гидрогенераторов МГЭС (на постоянном и переменном токе, синхронные и асинхронные). Энергетические характеристики гидрогенераторов. Методы выбора и обоснования основных параметров гидроагрегатов МГЭС. Волновые электростанции (ВлЭС). Основные типы и схемы ВлЭС: устройства, отслеживающие профиль волны, использование колеблющегося водяного столба; системы улавливающие волны; надводные и подводные устройства. Методы расчета подведенной и полезной мощности ВлЭУ и ВлЭС. Основные энергетические характеристики элементов ВлЭУ и методы их расчета. Приливные электростанции (ПЭС). Энергия и мощность приливных течений и приливного подъема - спада воды. Методы расчета скорости и мощности приливных течений и приливного подъема - спада воды. Сизигийный и квадратурный прилив. Энергия прилива за лунный месяц. Перспективные районы и схемы использования энергии приливов: одно- и многобассейновые; с обратимыми и необратимыми агрегатами; с гидравлической аккумуляцией энергии. Методы выбора и обоснования основных параметров оборудования ПЭС.

5. Источники на основе геотермальной энергии Геотермальная энергия, основные понятия и определения. Источники потенциала геотермальной энергии (ГеоТЭ). Основы геофизики. Тепловое поле Земли. Методы излучения геотермальных ресурсов и их классификация. Системы извлечения геотермальных ресурсов и их классификация. Сухие скальные породы и естественные водоносные пласты (термальные воды и парагидротермы). География геотермального тепла Земли. Методы расчета теплосодержания глубинных пород Земли. Потенциал геотермальной энергии и методы его расчета. Современное состояние и перспективы использования геотермальной энергии в мире. Геотермальные энергоустановки (ГеоТЭУ) и электростанции (ГеоТЭС). Использование геотермальной энергии: возможности и потребности. Техника извлечения тепла Земли. Основные схемы технологического процесса на ГеоТЭС: цикл с одним рабочим телом, цикл с двумя рабочими телами, прямой паровой и двухконтурный циклы. Схемы утилизации отработанного рабочего тепла ГеоТЭС. Виды рабочего тела и их особенности. Методы выбора и обоснования основных параметров оборудования ГеоТЭС. Энергетические характеристики ГеоТЭС, методы их изучения и расчета. Особенности энергетического оборудования ГеоТЭС.

6. Биомасса как источник энергии Энергия биомассы. Основные понятия и определения. Источник потенциала биомассы и ее география. Классификация биотоплива. Влага, плотность и содержание углерода в биомассе. Основные типы энергопроцессов, связанных с переработкой биомассы: термохимические, биологические, агрохимические. Производимое из биомассы биотопливо. Технология преобразования: сжигание, пиролиз, сбраживание, анаэробное разложение и т.п. Удельная потенциальная величина урожайности биомассы различных культур. Основы фотосинтеза. Современное состояние и перспективы использования энергии биомассы в мире. Биоэнергетические установки (БиоЭУ). Классификация БиоЭУ по типу энергетических процессов, связанных с переработкой биомассы. Основные элементы технологического процесса, их энергетические характеристики и методы их получения и расчета. Технологические процессы переработки биомассы, основанные на термохимичеких методах. Сжигание топлива для получения тепла, приготовление пищи и обогрев жилищ, сушка технических культур, сжигание отходов, производство тепла и электроэнергии. КПД установок. Пиролиз и сухая перегонка сырья для пиролиза и его ресурсы. КПД пиролиза. Твердый остаток (древесный уголь). Сепарация жидкостей и газов (газификация). Другие термохимические процессы: гидрогенерация; гидрогенерация с применением СО и пара; гидролиз под воздействием кислот и ферментов; метиловый спирт в качестве топлива. Технологические процессы, основанные на биохимических методах. Спиртовая ферментация, или брожение. Методы получения этилового спирта (этанола) из сахарного тростника, сахарной свеклы, растительного крахмала, целлюлозы. Выход этанола из различных культур. Этанол в качестве топлива в двигателе внутреннего сгорания. Анаэробное сбраживание или разложение. Необходимые условия реализации. Биогаз как смесь СН₄ и СО₂. Основное уравнение анаэробного сбраживания. Методы расчета основных параметров биогазогенераторов и его энергетические характеристики. Агрохимические методы получения топлива в процессе жизнедеятельности растений. Недостатки и достоинства методов.

7. Использование низкотемпературного тепла земли, воды, воздуха Основные понятия и определения. Источники потенциала и география. Тепловой баланс Земли. Естественные источники и поглотители теплоты. Производство теплоты в мире. Рассеивание теплоты: механизмы теплопередачи. Прямоточное охлаждение. Градирни. Методы утилизации сбросной теплоты. Качество теплоты и ее транспорт. Потенциал низкотемпературного тепла земли, воды и воздуха в мире и основные влияющие на него факторы. Методы его расчета. Современное состояние и перспективы использования низкотемпературного тепла земли, воды и воздуха в мире. Океанические тепловые электростанции (ОТЭС). Принцип работы ОТЭС. Допустимая разность температур. Технологическая схема и энергетические характеристики ОТЭС. Теплонасосные установки (ТНУ). Тепловые насосы, принципы их работы и использования. Источники низкотемпературного тепла: воздух окружающей среды, вентиляционный воздух, тепло грунта, стоячие воды, промышленные сбросы, подземные воды, озерная, морская и речная вода и другие источники нетрадиционного тепла. Основные компоненты технологического цикла ТНУ: системы сбора тепла, испаритель, компрессор, конденсатор, расширитель. Баланс энергии ТНУ. Коэффициент преобразования тепла. Направления и области применения ТНУ. Экологически чистые рабочие тела ТНУ, их особенности и перспективы использования. Энергетические характеристики компонентов ТНУ. Применение ТНУ для получения тепла в системах индивидуального и коллективного использования энергии.

8. Аккумуляция и транспорт энергии Основные понятия и определения. Назначение аккумуляторов энергии и принципы аккумулирования: биологическое, химическое, тепловое, электрическое, механическое. Основные характеристики аккумуляторов. Транспорт первичной и вторичной энергии. Основные способы передачи энергии: трубопроводы, кабельная сеть, линии электропередачи, контейнерные перевозки и т. п, их особенности и характеристики. Энергоаккумулирующие установки (ЭАкУ) и станции (ЭАкС). Гидроаккумулирующие, тепловые, индуктивные, водородные и другие виды аккумуляции энергии. Технологические циклы ЭАкУ и принцип их действия. КПД аккумуляции. Основные энергетические характеристики, методы их получения и расчета. Глубина и скорость заряда-разряда. Длительность цикла аккумуляции. Гарантированное число циклов заряда-разряда. Преобразователи энергии ЭАкУ: Основные технические схемы преобразования
возобновляемых видов энергии (ВВЭ) Технологический процесс преобразования энергии в электроустановках на базе ВВЭ. Основные энергетические характеристики этапов преобразования энергии и всей установки в целом. Методы расчета и измерения основных параметров и характеристики в установившихся и переходных режимах. Влияние энергетических объектов на базе ВВЭ на окружающую среду. Океанические тепловые электростанции (ОТЭС). Принцип работы ОТЭС. Допустимая разность температур. Технологическая схема ОТЭС. Энергетические характеристики ОТЭС. Энергетические комплексы (ЭК) и электротехнологические комплексы (ЭТК) с установками на базе ВВЭ и ЭАкУ. Основные схемы ЭК и ЭТК и принципы их использования для обеспечения энергией автономного потребителя и электрической системы. Достоинства и недостатки различных схем ЭК и ЭТК. Методы расчета основных энергетических параметров ЭК и ЭТК с аккумуляторами энергии разного вида. Транспорт первичной и вторичной энергии. Энергетические характеристики, КПД. Основные этапы проектирования схем установок и станций на базе ВВЭ. Исходная информация, методы ее получения и хранения. Основные энергетические параметры энергоустановок и станций на базе ВВЭ и методы их расчета. Использование систем автоматизированного проектирования (САПР) при выборе и обосновании параметров энергоустановок и станций на базе ВВЭ при их работе на изолированного потребителя и энергосистему. Разработка элементов САПР, их информационного и программного обеспечения. Расчеты краткосрочных и длительных режимов работы энергоустановок на базе разных ВВЭ в целях обоснования их основных проектных параметров. Учет наличия аккумуляторов энергии и традиционных видов электростанций и энергоустановок. Расчеты водно-энергетических режимов традиционных и малых ГЭС, НС, ГАЭС, ПЭС и других типов ГЭУ в условиях проектирования при детерминированной, вероятностной и неопределенной информации для установившихся и неустановившихся режимов работы. Постановки задачи, методы решения, основные допущения. Особенности решения каскадной задачи с ГЭУ разного типа. Особенности проектирования малых ГЭУ, работающих на автономного и объединенного потребителя. Оптимизация структуры генерирующих мощностей локальных, региональных и объединенных энергосистем с энергоустановками на базе ВВЭ. Работа энергоустановок на базе разных ВВЭ на автономного и локального потребителя. Особенности исходной информации и методы решения задачи. Методы оптимального управления и организации эксплуатации схем, установок и станций на базе ВВЭ. Автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ) в энергетике. Структура и система управления энергообъектами в электроэнергетике. Разработка элементов АСДУ, их информационного и программного обеспечения. Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) энергообъектов на базе ВВЭ и их особенности. Информационное и программное обеспечение. Разработка элементов АСУ ТП, их информационное и программное обеспечение.