Теории происхождения и расширения Вселенной. Особенности современного естествознания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный открытый университет

Чебоксарский политехнический институт (филиал)

Кафедра Права

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине: Концепции современного естествознания

Выполнил: студент (ка) 1 курса

ЮФ заочно отделения

Специальность: 030501

Миронов Ю.А.

Чебоксары 2010

Содержание

Современное естествознание и его характерные черты

Особенности математики и ее роль в естествознании

Динамические закономерности в природе

Модель расширяющейся Вселенной

Теории происхождения Земли. Эволюция нашей планеты

ДНК и РНК: структура и роль в живых организмах. Структура и значение гена

Литература

Введение

Все культурное богатство человечества можно разделить на две большие категории, две части - гуманитарную и естественнонаучную. К первой относятся философия, история, литература, искусство, религия... Ко второй - физика, химия, биология, география... Это не единственное и не исчерпывающее деление, но оно, как мне кажется, очевидно. В рамках первой категории человек занимается собой, себе подобными, сообществом людей. В рамках второй - окружающим миром, той живой и неживой природой, в которой он живет.

Одной из основных проблем, с которыми приходится иметь дело любому человеку на протяжении всей жизни, является проблема взаимопонимания. Оказывается чрезвычайно сложным поставить себя на место другого человека, понять ход его мысли, понять его ассоциации. Поэтому неслучайным является включение гуманитарных дисциплин в программы естественнонаучных и технических ВУЗов, поэтому так же важно сообщить гуманитариям основные сведения из естественных наук, показать, что привлекает внимание "естественников" и дать понять особенности хода мысли этих "естественников", основанного на концепциях современного естествознания.

Современное естествознание и его характерные черты

Развитие естествознания в XVII-XVIII вв. и вплоть до конца XIX в, происходило под подавляющим превосходством механики, так что основными критериями естествознания были законы механики. В этот период развитие естествознания направлялось классической механикой и только в течение 2-3 последних десятилетий ее влияние существенно ослабло. Поучительно высказывание Д. Максвелла на эту тему: "Образуя понятия и составляя терминологию в какой-либо науке, которая, подобно науке об электричестве, имеет дело с силами и их проявлениями, мы непременно должны руководствоваться идеями, присущими фундаментальной науке - динамике. И тогда на начальной стадии развития этой науки нам удастся избежать несоответствия с уже установленными утверждениями, и после обретения более ясного понимания принятый нами язык может сослужить нам пользу, а не быть помехой".

В 1873 г. Ф. Энгельс сделал открытие, которое легло в основу ряда позднейших естественнонаучных концепций: он увидел в "движении" наиболее общее понятие, которое могло бы охватить изучение всей природы в целом. Но для этого ему пришлось ввести понятие "форма движения". Он связал каждую форму движения с определенным материальным субстратом, соединив их между собой идеей "неуничтожимое T движения". Ф. Энгельс писал: "Познание различных форм движения... является главным предметом естествознания". Это определение в основе своей верно отражало сущность естествознания XIX в.

В настоящее время данное определение может быть дополнено высказыванием В.И. Вернадского: "Я буду употреблять для выражения существующего единства биогеохимических процессов жизни с атомной картиной мира слово "организованность"... Отбрасывая представление о механизме в структуре космоса и вводя представление о его организованности, я предрешаю, считаю для научной работы нашего века удобным учитывать, что научная картина мира не может быть сведена всецело к движению, даже в своем материальном выражении. Еще недавно такое сведение являлось идеалом научной работы". Таким образом, основным термином XX столетия становится "организованность" вместо основного термина столетия XIX, которым можно считать термин "движение".

Здесь необходимо пояснить, что для естествознания ХVII-ХIХ вв. (для изученных к тому времени типов энергетических взаимодействий природных систем с окружающей средой) классическая механика и ее ядро - динамика полностью соответствовали представлениям человека о гармонии природы и единстве Вселенной. Об этом прекрасно сказал А. Эйнштейн: "Уверенность в истинности механических идей была порождена поразительными успехами классической механики. Эти идеи стали принципами, из которых естествоиспытатели исходили в своих исследованиях вплоть до начала XIX в.". Таким образом, это были принципы не физической, а философской программы: все явления объяснялись механическим взаимодействием между частицами материи. Один из крупнейших естествоиспытателей XIX в. Г. Гельмгольц видел в осуществлении этой программы "условие полного понимания природы".

Под господством механики в естествознании была подведена черта уникальным для истории науки публичным извинением президента Международного союза чистой и прикладной математики сэра Дж. Лайтхилла, сделанным им от имени его коллег за то, что в течение трех веков образованные люди вводились в заблуждение апологией детерминизма, основанного на системе Ньютона. На первый взгляд, это извинение выглядит странным - ведь не извинялся же Архимед за Пифагора, а Эйлер за Диофанта. Здесь дело заключалось в том, что классическая механика имела беспрецедентные влияние и триумф в сферах, далеко выходящих за границы ее разумных приложений. Даже общественные науки в Европе и Америке сложились в значительной мере под влиянием ньютонианской парадигмы, и то, что до сих пор многие политические вопросы решаются силовым путем, в немалой степени является следствием таких взглядов. То есть можно сказать, что Дж. Лайт-хилл извинялся за вторжение ньютонианства в те сферы, в которые оно не должно было бы вторгаться.

Современное естествознание осознало, что простота не присуща ни бесконечно малому, ни бесконечно большому. В первом нет "кирпичиков мироздания", у второго нет абсолютного предка.

Атом (греч. - неделимый) более двух тысяч лет считался мельчайшей неделимой частичкой природы; а из атомов сформировались все более крупные образования. В ХУЩ-Х1Х вв. были открыты десятки атомов (химических элементов), которые удалось классифицировать благодаря периодическому закону и Периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Это был триумф естествознания, апофеоз атомистической концепции.

В самом конце XIX в. началась эпоха элементарных частиц. Сначала открыли электрон, затем элементарные частицы стали открывать одну за другой. До 1960 г. (к тому времени было открыто 32 элементарные частицы) существовала иллюзия, будто для элементарных частиц также можно построить периодическую систему, аналогичную системе Менделеева. Однако после 1965 г., когда число открытых частиц превысило 200, стало ясно, что это невозможно. Частицы оказались слишком разными, и до сих пор ученые не знают такого параметра, по которому их можно классифицировать.

"Простоту" и соответствующие ей понятия следует искать в реальном мире, непосредственно окружающем человека (с учетом всех его взаимодействий с окружающей средой). Впервые данное положение было осознано выдающимся современным ученым И. Р. Пригожиным. Это привело к тому, что в естествознании сейчас особенно остро осознается необходимость диалога с природой и поднимается вопрос о разработке конкретных методов для такого диалога.

Одним из проявлений стремления к подобному диалогу является возникновение в XX в. наук биосферного класса. Эти науки отличаются тем, что они признают наличие наблюдателя, творческого субъекта, который вносит в процесс исследования свое отношение к протекающим процессам. Пожалуй, наиболее отчетливо основные идеи наук биосферного класса проявились на стыке биологических, географических и геологических наук.

Возникновение наук биосферного класса, в которых все процессы рассматриваются во взаимосвязи, а также в единстве взаимообусловленности их проявлений.

Возникновение наук биосферного класса связывается с именем В.В. Докучаева и может быть проиллюстрировано на примере анализа понятия "почва", которое Докучаев определял совершенно отлично от своих предшественников ученых-почвоведов. По мнению Докучаева, в почве сходятся все основные земные оболочки: литосфера, гидросфера, атмосфера, биосфера, ноосфера.

Литосфера проявляет себя как совокупность минеральных частиц, обломков различных горных пород и минералов, образующих матрицу почвы; гидросфера - как совокупность различных типов влаги и форм ее существования. Почва тесно связана с атмосферой, воздух является важнейшим компонентом почвы. Не случайно такое внимание уделяется аэрации почвы, различным способам ее рыхления: от механических до биологических (например, рыхление дождевыми червями). Почва тесно связана и с биосферой: в ней живут микробы, происходят процессы, обусловленные деятельностью живого (оглеение и т.п.). Без этих "вкладов" почва была бы мертва. Скажем, если почва не дышит или если в ней нет влаги, то она уже не может быть тем чудом природы, которое обеспечивает произрастание из маленьких семян овощей, злаков, деревьев. Это чудо рождения живого есть результат гармоничного сочетания всех перечисленных выше факторов. Почва связана с ноосферой (духовностью). Когда говорят "человек любит почву", то это не просто метафора. Любящий почву человек рассматривает себя как продолжение происходящих в ней процессов. Между этим человеком и почвой нет отчуждения, поскольку он знает, когда почву нужно поливать, когда подкармливать, когда делать посадки и снимать урожай.

Науки биосферного класса обобщают подход, рассмотренный в данном примере, и переносят его на изучение всех явлений и процессов природы. То есть все природные процессы рассматриваются взаимосвязанно; роль человека также изменяется: из элемента, отчужденного от рассматриваемой системы, он превращается во "внутреннего наблюдателя".

В.В. Докучаев постоянно подчеркивал тесную взаимопереплетенность процессов в природе. Например, он писал, что "любой луг, небольшой участок степи, кусочек леса, всякое озеро, ничтожное болото могут представить вполне достаточные данные для любого самого выдающегося в научном и практическом отношении ботанического или зоологического труда, для самой интересной и ученейшей работы... - вовсе нет надобности предпринимать отдаленные дорогостоящие и продолжительные экскурсии, для этой цели достаточно штудировать детально и умелой рукой окружающую нас природу". Следует отметить, что аналогичные мысли еще раньше Докучаева высказывал известный российский естествоиспытатель К. Ф. Рулье.

Вездесущность циклов, их тесная связь с организованностью и самоорганизацией. Оказалось возможным свести многие устойчивые равновесия к соответствующим циклам. Можно сказать, что все в природе сводится к циклам или к близким к ним инфинитезимальным процессам, т.е. процессам, незначительно отличающимся от цикли ческих (система после процесса возвращается в состояние, бесконечно мало отличающееся от исходного).

Циклы, связанные с движением звезд, планет, были замечены людьми еще в глубокой древности. Но именно в современном естествознании было отчетливо осознано, что устойчивые равновесия обеспечиваются циклическими процессами, круговоротами энергии, вещества (информации) в природе. Методы циклов активно используются в термодинамике, различные типы круговоротов исследуются в биологии, географии, почвоведении и т.п. Современные ученые-естествоиспытатели обнаружили циклы во всех природных земных сферах - в литосфере, гидросфере, атмосфере, биосфере. Выявлены циклы и в осадконакоплении, сейсмичности, составе газов, изменении уровней самых различных водоемов, уровней подземных вод и т.д. Ученые выяснили, что в жизни Земли существуют ритмы от часа и менее до сотен миллионов лет и эти ритмы имеют определенную иерархическую подчиненность.

Через исследование природных циклов и соответствующих им равновесий естествознание вплотную подходит к исследованию ритмов природы, космоса, бытия. Дальнейшее развитие человечества возможно только при ориентации на эти ритмы. Подобные мысли неоднократно высказывались в религиях, прежде всего в даосизме, а также в астрономии, биологии, физике, химии, медицине, экологии, и наконец, в искусстве и литературе. Но только сейчас из них начинает формироваться единое мировоззрение на основе планетарного мышления.

Тесная взаимосвязанность специальных естественнонаучных дисциплин между собой. Появление значительного числа пограничных наук.

В настоящее время никого не удивляет, что физические и химические методы познания широко используются в биологии, геологии и других науках. Углубляются связи между астрономией и географией, биологией и медициной. Совершенствуются методы математики, обеспечивающие взаимосвязи между естественными науками. В XX в. упор в исследованиях вследствие усложнения задач переносится на проблемы, так что возникли целые науки такой "проблемной ориентации". К ним относится, например, мерзлотоведение (геокриология), океанология, где на первый план выдвигается исследование конкретной части земной оболочки вместе с соответствующими ей проблемами. В мерзлотоведении эти проблемы связаны с частью криолитосферы - многолетнемерзлыми грунтами, поэтому исследуется генезис грунтов, особенности взаимодействия их с окружающей средой, устойчивость и свойства. Кроме того, изучаются вопросы, связанные с практическим использованием многолетнемерзлых грунтов в строительстве, в обеспечении технологических процессов и т.п. Важность перехода в современных исследованиях от узкоспециальных задач к проблемам подчеркивал В. И. Вернадский.

6. Тесная взаимосвязь современного естествознания с процессами формирования ноосферы.

Под ноосферой понимается сфера разума, но разработано это понятие еще совершенно недостаточно. Однако точка зрения, что ноосфера есть одно из природных равновесий, являющихся естественным продолжением равновесий, возникших в биосфере, позволяет рассматривать это понятие в тесном взаимодействии как с естественными науками, так и с духовностью.

Особенности математики и ее роль в естествознании

Математика имеет для естествознания непреходящее значение, а потому прежде чем обратиться непосредственно к анализу ее роли, целесообразно рассмотреть вопрос о ее достоинствах.

Самое лаконичное и притом довольно удачное определение математики дает Николай Бурбаки (коллективное имя группы французских математиков). Он определяет современную математику как науку о структурах, «единственными математическими объектами становятся, собственно говоря, математические структуры». В данном случае под структурой имеется в виду определенным образом упорядоченное многообразие математических элементов (чисел, функций и т.п.).

В основаниях любой математической дисциплины непременно обнаруживаются некоторые математические элементы и постилируемые различия между ними. При этом для построения математической системы используются, как правило, два метода: аксиоматический и конструктивистский.

При аксиоматическом методе исходят из аксиом (исходных положений теории) и правил вывода (дедукции) из них других положений. Широко используются символьные записи, а не громоздкие словесные выражения. Замена естественного языка математическими символами называется формализацией. Если формализация состоялась, то аксиоматическая система является формальной, а положения системы приобретают характер формул. Получаемые в результате вывода доказательства формулы называются теоремами. Таково описанное вкратце содержание аксиоматического метода.

В случае конструктивистского метода исходят из принимаемых интуитивно очевидными математических конструктов, на их основе строят более сложные, чем они, элементы (а не выводят формулы), в процессе конструирования этих элементов используют подходящую для построения последовательность шагов.

Математик непременно оперирует конструктами, часть из которых принимается интуитивно, выражаясь точнее, на основе обобщения доступного ему математического опыта, а другие либо дедуцируются из аксиом, либо конструируются, чаще всего в форме последовательно осуществляемых символьных записей. Для математика важно задать отличие метематических конструктов друг от друга. В естествознании чувства, мысли, слова и предложения несут информацию об изучаемых природных явлениях, они обращены в сторону природы. В математике дело обстоит принципиально по - другому, здесь математические конструкты « не смотрят по сторонам », они соотносятся исключительно друг с другом. Поясним сказанное на примере задания натуральных чисел.

Натуральное число может быть задано на основе следующих аксиом (правил):

1. 0 является натуральным числом.

2. Если n натуральное число, то и следующее за ним n? - натуральное число.

3. Никаких натуральных чисел, кроме тех, которые получаются согласно 1 и 2, не существует.

4. Для любых натуральных чисел m и n из m?=n? следует m=n.

5. Для любого натурального числа n, n??0.

Задать натуральное число - значит выразить операцию «?», читается «следующий за» столько раз, сколько это необходимо для задания числа. Так, задать натуральное число означает дважды применить операцию «?». Используя операцию «следующий за», «?», математик строит ряд натуральных чисел настолько далеко, насколько это возможно. Ему важно установить, какое число следует за каким, как соотносятся числа друг с другом (так, 5 - 3 = 2, «5» - это число, которое на «2» больше, чем «3»), то есть какова их упорядоченность. Вопрос о том, существуют ли числа в природе, математика не интересует (природой пусть занимаются естествоиспытатели), ему важно изобрести систему упорядоченных конструктов, характер взаимосвязи которых невозможно установить без задания их отличительных признаков.

Характер математического знания таков, что его приверженцы, оправдывая свой статус, вынуждены, разумеется, это делается в силу их свободного волеизъявления, как можно более детально устанавливать характер упорядоченности тех совокупностей элементов, которые они изобретают и изучают. Именно в этой связи доказательство новой теоремы или построение ранее неизвестного конструкта расценивается как математический успех. Интерес математика заключен в изобретении многообразий упорядоченных математических конструктов.

Если многообразие математических конструктов не упорядочено, то есть невозможно их сопоставление друг с другом, то работа математика теряет всякий смысл. Дабы этого не случилось, математик внимательно следит за тем, чтобы математическая теория была непротиворечивой. Математическая теория называется непротиворечивой, если в ней не наличествуют два или больше взаимно исключающих предположения. Наличие противоречий «разваливает» математическую теорию. Простой пример: если бы согласно таблице умножения 3 Ч 3 = 9 и 3 Ч 3 = 8, то ее невозможно было бы продуктивно использовать.

Многовековое развитие математики показывает, что непротиворечивость - это ее основополагающий научный критерий.

Назначение математики состоит в том, она вырабатывает для остальной науки, прежде всего для естествознания, структуры мысли, формулы, на основе которых можно решать проблемы специальных наук.

Это обусловлено особенностью математики описывать не свойства вещей, а свойства свойств, выделяя отношения, независимые от каких-либо конкретных свойств, то есть отношения отношений. Но поскольку и отношения, выводимые математикой, особые (будучи отношениями отношений), то ей удается проникать в самые глубокие характеристики мира и разговаривать на языке не просто отношений, а структур, определяемых как инварианты систем. Поэтому, кстати сказать, математики скорее говорят не о законах (раскрывающих общие, существенные, повторяющиеся и т.д. связи), а именно о структурах.

Эти глубинные проникновения в природу и позволяют математике исполнять роль методологии, выступая носителем плодотворных идей. Относительно сказанного современный американский исследователь Ф. Дайсон пишет: "Математика для физики - это не только инструмент, с помощью которого она может количественно описать явление, но и главный источник представлений и принципов, на основе которых зарождаются новые теории". Близкие мысли высказывает известный математик, академик Б. Гнеденко, также подчеркивая, что роль математики не ограничивается функцией аппарата вычисления, подчеркивал, что математика - определенная концепция природы.

Поскольку привилегия математики - выделять чистые, безотносительные к какому-либо физическому (химическому или социально насыщенному содержанию), она тем самым вырабатывает модели возможных еще неизвестных науке состояний. Естествоиспытатель может выбирать из них и примеривать к своей области исследования. Это стимулирует научный поиск, пробуждая и будоража ученую мысль. В силу указанной особенности математику характеризуют как склад готовых костюмов, пошитых на все живые существа, мыслимые и немыслимые (Р. Фейнман), вообще на все возможные природные ситуации. То есть это своеобразный портной для разнообразных вещественных образований, которые могут быть вписаны в эти готовые одежды. Характеризуя рассматриваемую особенность отношений между математикой и физикой, американский физик-теоретик венгерского происхождения Е. Вигнер в режиме шутки произнес: "Физики - безответственные люди: они берут готовые математические уравнения и используют их, не зная, верны они или нет".

В свое время И. Кант метко определил: "Математика - наука, брошенная человеком на исследование мира в его возможных вариантах". Если физику или вообще естествоиспытателю позволено видеть мир таким, каков он есть, то математику дано видеть мир во всех его логических вариантах. Иначе сказать, физик не может строить мир, противоречивый физически (и уж тем более - логически), математику же разрешены построения, противоречивые физически, лишь бы они не страдали логическими противоречиями. Физики говорят, каков мир, математики исследуют, каким бы он мог быть в его потенциальных версиях. Это и придает стимул воображению. Как замечает австрийский математик и писатель нашего времени Р. Музиль, математика есть роскошь броситься вперед, очертя голову, потому математики предаются самому отважному и восхитительному авантюризму, какой доступен человеку. Стоит заметить лишь, что раскованность и рискованность - преимущество не только собственно математика, но и любого исследователя, если и поскольку он мыслит математически, то есть пытаясь дать, по выражению Г. Вейля, "теоретическое изображение бытия на фоне возможного".

Здесь не должно сложиться впечатления о возможности бескрайней фантазийной деятельности ученого. Истина состоит в том, что нематематические науки, сталкиваясь с запретами в проявлении какого-либо свойства, действия, не знают границ, до которых распространяется их компетенция. Это способна определить и узаконить лишь математика, владеющая искусством расчета на основе количественного описания явлений. Другие науки знают лишь, что нечто разрешено, но они не умеют знать той черты, до которой это разрешено, не умеют устанавливать пределов возможного - той количественной меры, определяющей вариантность изменений. Скажем, биолог не располагает сведениями пределов возможного для жизни и познает их в диапазоне лишь наблюдаемого.

Методологическое значение математики для других наук проявляется еще в одном аспекте. Поскольку ее абстракции отвлечены от конкретных свойств, она способна проводить аналогии между качественно различными объектами, переходить от одной области реальности к другой. Д. Пойа назвал это свойство математики умением "наводить мосты над пропастью". Там, где конкретная наука останавливается (кончается ее компетенция), математика в силу ее количественного подхода к явлениям, свободно переносит свои структуры на соседние, близкие и далекие, регионы природы.

Таковы некоторые методологические уроки, внушаемые математикой. Однако, сколь ни эффективна математическая наука, и на нее брошены некоторые тени, а лучше сказать: эти тени - есть продолжение ее достоинств (при неадекватном использовании последних).

Мы говорим: математический аппарат исследования применим там, где выявлена однородность, точнее сказать, математика и приводит природные образования к однородностям. Но тем самым она лишает мир многообразия и богатства качественных проявлений, ибо счет, по выражению отечественного математика современности И. Шафаревича, "убивает индивидуальность". Он пишет. Мы имеем, скажем, яблоко, цветок, кошку, дом, солдата, студента, луну. Можно сосчитать и объявить, что их 7. Но 7 чего? Единственный ответ: "7 предметов". Различия между солдатом, луной, яблоком и т.д. исчезают. Они все потеряли свою индивидуальность и превратились в лишенные признаков "предметы". То есть счет выравнивает вещи, убирая "персональные" характеристики. Как шутил В. Маяковский, математику все едино: он может складывать окурки и паровозы.

Описывая объект, процесс, математика выявляет какую-то лишь одну (существенную) характеристику и, прослеживая ее вариации, выводит закономерность. Все остальные характеристики уходят в тень, иначе они будут мешать исследованию. Конечно, эти другие также могут оказаться предметом изучения, но будучи взяты по тому же математическому сценарию: каждый раз только один единственный параметр, одно выделенное свойство в отвлечении от остального разнообразия. Напрашивается аналогия. Ее проводит Ю. Шрейдер, называя математику пародией на природу. И в самом деле. Пародия схватывает какую-то одну характеристическую черту пародируемого, за которой уже не видно других особенностей, просто они не важны.

Однако из этого обстоятельства не следуют лишь негативные выводы. Во-первых, математика по-иному работать не может, а во-вторых, в подобном подходе свое преимущество, оно сопряжено, так сказать, с "чистотой" описания: налицо четкая заданность исследования, когда необходимо проследить "поведение" объекта на основе определенного свойства, вычленить линию изменений, тенденцию развития и передать информацию в строгих графиках, схемах, уравнениях.

Используя математические методы исследования, вовлекая их в познавательный поиск, науки должны учитывать возможности математики, считаясь с границами ее применимости. Имеется в виду то, что сама по себе математическая обработка содержания, его перевод на язык количественных описаний не дает прироста информации.

Таким образом, можно подчеркнуть важную роль этой математики как языка, арсенала особых методов исследования, источника представлений и концепций в естествознании.

Динамические закономерности в природе

Детерминизм в современной науке определяется как учение о всеобщей, закономерной связи явлений и процесс окружающего мира. Наличие таких связей является доказательством материального единства мира и существования мире общих закономерностей. Очень часто детерминизм отождествляется с причинностью, но такой взгляд нельзя считать правильным хотя бы потому, что причинность выступает как одна из форм проявления детерминизма.

Законы, с которыми имеет дело классическая механика, имеют универсальный характер, т. е. они относятся ко без исключения изучаемым объектам природы. Отличительная особенность такого рода законов состоит в том, что предсказания, полученные на их основе, имеют достоверный и однозначный характер. Наиболее ярко они проявились после того, как на основе закона всемирного тяготения, изложенного И. Ньютоном в 1671 г. в "Математических началах натуральной философии", и законов механики возникла небесная механика. На основе законов небесной механики были вычислены отклонения в движении Урана, вызванные возмущающим влиянием неизвестной тогда планеты. Определив величину возмущения, независимо друг от друга по законам механики положение неизвестной планеты рассчитали Д. Адамс и У. Леверье. Всего на угловом расстоянии в 1° от рассчитанного ими положения И. Галле обнаружил планету Нептун. Открытие Нептуна блестяще подтвердило справедливость законов небесной механики и наличие в природе однозначных причинных связей Гусейханов М.К., Раджабов О.Р., Концепции современного естествознания: Учебник. - 2-е изд. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К'»,2005. - 692 с. - стр. 320-321. Это позволило французскому механику П. Лапласу сказать: дайте мне начальные условия и я, с помощью законов механики, предскажу дальнейшее развитие событий. Это вошло в историю как лапласовый, или механистический детерминизм, который допускает однозначные причинные связи в явлениях природы.

Наряду с ними в науке с середины XIX в. стали все шире применяться законы другого типа. Их предсказания не являются однозначными, а только вероятностными. Вероятностными они называются потому, что заключения, основанные на них, не следуют логически из имеющейся информации, а потому не являются достоверными и однозначными. Информация при этом носит статистический характер, законы, выражающие эти процессы, называются статистическими законами, и этот термин получил в науке большое распространение.

В классической науке статистические законы не признавали подлинными законами, так как ученые в прошлом предполагали, что за ними должны стоять такие же универсальные законы, как закон всемирного тяготения Ньютона, который считался образцом детерминистического закона, поскольку он обеспечивает точные и достоверные предсказания приливов и отливов, солнечных и лунных затмений и других явлений природы. Статистические же законы признавались в качестве удобных вспомогательных средств исследования, дающих возможность представить в компактной и удобной форме всю имеющуюся информацию о каком-либо предмете исследования. Подлинными законами считались именно детерминистические законы, обеспечивающие точные и достоверные предсказания. Эта терминология сохранилась до настоящего времени, когда статистические, или вероятностные, законы квалифицируются как индетерминистические, с чем вряд ли можно согласиться.

Отношение к статистическим законам принципиально изменилось после открытия законов квантовой механики, предсказания которых имеют существенно вероятностный характер.

Таким образом, исторически детерминизм выступает в двух следующих формах Гусейханов М.К., Раджабов О.Р., указ. соч., стр.321-322.:

1) лапласовый, или механистический, детерминизм, в основе которого лежат универсальные законы классической физики;

2) вероятностный детерминизм, опирающийся на статистические законы и законы квантовой физики.

В динамических теориях явления природы подчиняются однозначным (динамическим) закономерностям, а статистические теории основаны на объяснении процессов вероятностными (статистическими) закономерностями. К динамическим теориям относятся классическая механика (создана в XVII-XVIII вв.), механика сплошных сред, т. е. гидродинамика (XVIII в.), теория упругости (начало XIX в.), классическая термодинамика (XIX в.), электродинамика (XIX в.), специальная и общая теория относительности (начало ХХ в). К статистическим теориям относятся статистическая механика (вторая половина XIX в.), микроскопическая электродинамика (начало ХХ в.), квантовая механика (первая треть ХХ в.) Таким образом, XIX столетие получается столетием динамических теорий; ХХ столетие - столетием статистических теорий. Значит, динамические теории соответствовали первому этапу в процессе познания природы человеком, тогда как на следующем этапе главную роль стали играть статистические теории.

В современной концепции детерминизма органически сочетаются необходимость и случайность. Признание самостоятельности статистических, или вероятностных, законов, отображающих существование случайных событий в мире, дополняет прежнюю картину строго детерминистического мира. В результате в новой современной картине мира необходимость и случайность выступают как взаимосвязанные и дополняющие друг друга аспекты объяснения окружающего мира.

Рассматривая проблему соотношения между динамическими и статистическими закономерностями, современная наука исходит из концепции примата статистических закономерностей Гусейханов М.К., Раджабов О.Р., указ. соч.,стр.322-323. Не только динамические, но и статистические законы выражают объективные причинно-следственные связи. Более того, именно статистические закономерности являются фундаментальными, более глубокими по сравнению с динамическими закономерностями, они ярче выражают указанные связи.

Современную концепцию детерминизма можно сформулировать следующим образом: динамические законы представляют собой первый, низший этап в процессе познания окружающего мира; статистические же законы более совершенно отображают объективные связи в природе: они являются следующим, более высоким этапом познания.

В качестве примера динамических законов можно назвать закон Ома, выражающий зависимость сопротивления от его состава, площади поперечного сечения и длины. Этот закон охватывает множество различных проводников и действует в каждом отдельном проводнике, входящем в это множество. Статистический характер имеет, например, взаимосвязь изменений давления газа и его объема при постоянной температуре, выявленная Бойлем и Мариоттом. Данная закономерность имеет место лишь в массе хаотически перемещающихся молекул, составляющих тот или иной объем газа.

Статистическими являются законы квантовой механики, касающиеся движения микрочастиц; они не в состоянии определить движение каждой отдельной частицы, но определяют движение группы, того или иного множества.

В отличие от динамических законов, статистические законы не позволяют точно предсказать наступление или ненаступление того или иного конкретного явления, направление и характер изменения тех или иных его характеристик. На основе статистических закономерностей можно определить лишь степень вероятности возникновения или изменения соответствующего явления. Динамические теории не противостоят статистическим, а включаются в рамки последних как предельный случай. Это хорошо видно на примере классической механики; которую можно рассматривать как предельный случай квантовой механики Гусейханов М.К., Раджабов О.Р., указ. соч.,стр.323-324.

Таким образом, согласно современной научной концепции, можно говорить о всеобщности, универсальности вероятностного подхода. Это означает, в частности, что деление фундаментальных теорий на динамические и статистические является, строго говоря, условным. Фактически все фундаментальные теории должны рассматриваться как статистические. Например, классическую механику с полным основанием следует считать статистической теорией, так как лежащий в ее основе принцип наименьшего действия имеет вероятностную природу, потому что, согласно принципу минимума энергии, состояние с наименьшей энергией оказывается наиболее вероятным.

Методологические вопросы современной физики органически связаны с вопросами материалистической диалектики. Развитие современной физики основано на диалектике необходимого и случайного, сохранения и изменения, единичного и общего и т. д. Современная физика пришла к выводу о фундаментальности вероятностных закономерностей. Наука рассматривает два основных типа причинно-следственных связей и соответственно два типа закономерностей - динамические и статистические. Изучение истории возникновения фундаментальных физических теорий позволяет сделать вывод, что динамические теории соответствовали первому этапу в процессе познания природы человеком, тогда как на следующем этапе главную роль стали играть статистические теории. Наиболее ярко сочетание этих концепций детерминизма в познании природных явлений проявилось при изучении термодинамических процессов и явлений Гусейханов М.К., Раджабов О.Р., указ. соч.,стр.324-325.

Модель расширяющейся Вселенной

В 1922 г., советский геофизик и математик А. А. Фридман на основании строгих расчетов установил, что Вселенная никак не может быть стационарной. Фридман сделал это открытие, опираясь на сформулированный им космологический принцип, строящийся на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной.

Фридман доказал, что уравнения Эйнштейна имеют решения, согласно которым Вселенная может расширяться либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т. е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера -- изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. Красное смещение было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием (примерно 55 км/с на каждый миллион парсек).

В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, согласно которому Вселенная -- это множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями.

Фридман предложил три модели Вселенной.Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой модели пространство искривляется, образуя сферу.

Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено и бесконечно. Пространство плоское и бесконечное. По какому из этих вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлета вещества.

Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют «открытой Вселенной».

Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества плоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконечно большой плотностью). Такой вариант модели назван осциллирующей, или «закрытой Вселенной».

В случае, когда силы гравитации равны энергии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Представление о развитии Вселенной привело к постановке вопроса о начале эволюции (рождении) Вселенной и ее конце (смерти). В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причины и процесс рождения самой Вселенной. Только теория Большого взрыва ГА. Гамова смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты этой модели сохранились до сих пор, хотя она была позже дополнена теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом, и дополненной советским физиком А. Д. Линде.

В 1948 г. Гамов выдвинул предположение, что Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равен нулю, а ее плотность -- бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью.

Но по принципу неопределенности В. Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры.

Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва, переходе к расширению Вселенной. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной.

«Начало» Вселенной. Основная идея концепции Большого взрыва состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии, возникшей из квантового излучения, т. е. из ничего. В вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но пока вакуум находится в равновесном состоянии, в нем существуют виртуальные частицы, которые берут у вакуума энергию на короткий промежуток времени, чтобы родиться, быстро вернуть занятую энергию и исчезнуть. Когда же вакуум по какой-то причине в некоторой исходной точке (сингулярности) вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы стали схватывать энергию без отдачи и превращаться в реальные. Поэтому в определенной точке пространства образовалось огромное количество последних. Когда же возбужденный вакуум разрушился, высвободилась гигантская энергия излучения, а суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. Начинается стремительное расширение Вселенной, возникают время и пространство.

Инфляционный период -- 10³³ с после начала расширения Вселенной, за которые ее размеры увеличились в 10³⁰ раз.

К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но когда инфляция иссякла, Вселенная стала чрезвычайно «горячей» (10²⁷ К). С этого момента Вселенная развивается согласно стандартной теории «горячего» Большого взрыва.

Теории происхождения Земли. Эволюция нашей планеты

Астрономы полагают, что наш мир возник в результате Большого Взрыва. Взорвавшись, гигантский огненный шар разметал по пространству материю и энергию, которые впоследствии сгустились, образовав миллиарды звезд, а те, в свою очередь, объединились в многочисленные галактики.

Теория Большого Взрыва. Теория, которой придерживается большинство современных ученых, утверждает, что Вселенная образовалась в результате так называемого Большого Взрыва. Невероятно горячий огненный шар, температура которого достигала миллиардов градусов, в какой-то момент взорвался и разбросал во всех направлениях потоки энергии и частиц материи, придав им колоссальное ускорение.

Любое вещество состоит из крохотных частиц - атомов. Атомы - это мельчайшие материальные частицы, способные принимать участие в химических реакциях. Однако они, в свою очередь, состоят из еще более мелких, элементарных, частиц. В мире существует множество разновидностей атомов, которые называются химическими элементами. Каждый химический элемент включает в себя атомы определенных размеров и веса и отличается от других химических элементов. Поэтому в ходе химических реакций каждый химический элемент ведет себя только ему одному присущим образом. Все сущее во Вселенной, от крупнейших галактик до мельчайших живых организмов, состоит из химических элементов. Поскольку огненный шар, разлетевшийся на части в результате Большого Взрыва, имел колоссальную температуру, крохотные частицы материи обладали поначалу слишком большой энергией и не могли соединиться друг с другом, чтобы образовать атомы. Однако спустя примерно миллион лет температура Вселенной понизилась до 4000"С, и из элементарных частиц стали формироваться различные атомы. Сначала возникли самые легкие химические элементы - гелий и водород. Постепенно Вселенная охлаждалась все сильнее и образовывались более тяжелые элементы. Процесс образования новых атомов и элементов продолжается и по сей день в недрах таких звезд, как, к примеру, наше Солнце. Их температура необычайно высока. Вселенная остывала. Новообразованные атомы собирались в гигантские облака пыли и газа. Частицы пыли сталкивались друг с другом, сливались в единое целое. Гравитационные силы притягивали маленькие объекты к более крупным. В результате во Вселенной со временем сформировались галактики, звезды, планеты.

Земля имеет расплавленное ядро, богатое железом и никелем. Земная кора состоит из более легких элементов и как бы плавает на поверхности частично расплавленных горных пород, образующих мантию Земли. Большой Взрыв оказался настолько мощным, что вся материя Вселенной с огромной скоростью разлетелась по космическому пространству. Более того, Вселенная продолжает расширяться и по сей день. Мы можем с уверенностью утверждать это потому, что отдаленные галактики все еще отодвигаются от нас, а расстояния между ними постоянно увеличиваются. Значит, когда-то галактики располагались гораздо ближе друг к Другу, чем в наши дни.

Никто точно не знает, как именно образовалась Солнечная система. Основная теория гласит, что Солнце и планеты сформировались из завихряющегося облака космического газа и пыли. Более плотные части этого облака с помощью гравитационных сил притягивали к себе извне все большее количество вещества. В итоге из него возникли Солнце и все его планеты.

Исходя из предположения, что Вселенная сформировалась в результате "горячего" Большого Взрыва, то есть возникла из гигантского огненного шара, ученые попробовали подсчитать, до какой степени она должна была охладиться к настоящему времени. Они пришли к выводу, что температура межгалактического пространства должна составлять около -270°С. Температуру Вселенной ученые определяют и по интенсивности микроволнового (теплового) излучения, идущего из глубин космоса. Проведенные измерения подтвердили, что она в самом деле составляет примерно -270"С.

Каков возраст Вселенной? Чтобы узнать расстояние до той или иной галактики, астрономы определяют ее размеры, яркость и цвет излучаемого ею света. Если теория Большого Взрыва верна, то, значит, все существующие ныне галактики первоначально были стиснуты в один сверхплотный и горячий огненный шар. Вам достаточно поделить расстояние от одной галактики до другой на скорость, с какой они удаляются друг от друга, чтобы установить, как давно они составляли единое целое. Это и будет возрастом Вселенной. Разумеется, этот метод не позволяет получить точных данных, но все же он дает основания полагать, что возраст Вселенной - от 12 до 20 млрд. лет.

Образование Солнечной системы. Галактики сформировались, по всей вероятности, спустя примерно 1 - 2 млрд лет после Большого Взрыва, а Солнечная система возникла приблизительно на 8 млрд лет позже. Ведь материя распределялась по пространству отнюдь не равномерно. Более плотные области, благодаря гравитационным силам, притягивали к себе все больше пыли и газа. Размеры этих областей стремительно увеличивались. Они превращались в гигантские завихряющиеся облака пыли и газа - так называемые туманности. Одна такая туманность - а именно солнечная туманность - сгустившись, образовала наше Солнце. Из других частей облака возникли сгустки вещества, ставшие планетами, в том числе Землей. Они удерживались на своих околосолнечных орбитах мощным гравитационным полем Солнца. По мере того как гравитационные силы притягивали частицы солнечного вещества все ближе и ближе друг к другу, Солнце становилось все меньше и плотнее. При этом в солнечном ядре возникло чудовищное давление. Оно преобразовывалось в колоссальную тепловую энергию, а это, в свою очередь, ускоряло ход термоядерных реакций внутри Солнца. В (результате образовывались новые атомы и выделялось еще больше тепла.

Вопрос ранней эволюции Земли тесно связан с теорией ее происхождения. Сегодня известно, что наша планета образовалась около 4,5 млрд. лет назад. В процессе формирования Земли из частиц протопланетного облака постепенно увеличивалась ее масса. Росли силы тяготения, а следовательно, и скорости частиц, падавших на планету. Кинетическая энергия частиц превращалась в тепло, и Земля все сильнее разогревалась. При ударах на ней возникали кратеры, причем выбрасываемое из них вещество уже не могло преодолеть земного тяготения и падало обратно.

Чем крупнее были падавшие объекты, тем сильнее они нагревали Землю. Энергия удара освобождалась не на поверхности, а на глубине, равной примерно двум поперечникам внедрившегося тела. А так как основная масса на этом этапе поставлялась планете телами размером в несколько сот километров, то энергия выделялась в слое толщиной порядка 1000 км. Она не успевала излучиться в пространство, оставаясь в недрах Земли. В результате температура на глубинах 100-1000 км могла приблизится к точке плавления. Дополнительное повышение температуры, вероятно, вызвал распад короткоживущих радиоактивных изотопов.

По-видимому, первые возникшие расплавы представляли собой смесь жидких железа, никеля и серы. Расплав накапливался, а затем вследствие более высокой плотности просачивался вниз, постепенно формируя земное ядро. Таким образом, дифференциация (расслоение) вещества Земли могла начаться еще на стадии ее формирования. Ударная переработка поверхности и начавшаяся конвекция, несомненно, препятствовали этому процессу. Но определенная часть более тяжелого вещества все же успевала опустится под перемешиваемый слой. В свою очередь дифференциация по плотности приостанавливала конвекцию и сопровождалась дополнительным выделением тепла, ускоряя процесс формирования различных зон в Земле.

Предположительно ядро образовалось за несколько сот миллионов лет. При постепенном остывании планеты богатый никелем железоникелевый сплав, имеющий высокую температуру плавления, начал кристализовываться - так (возможно) зародилось твердое внутреннее ядро. К настоящему времени оно составляет 1,7% массы Земли. В расплавленном внешнем ядре сосредоточено около 30% земной массы.

Развитие других оболочек продолжалось гораздо дольше и в некотором отношении не закончилось до сих пор.

Литосфера сразу после своего образования имела небольшую толщину и была очень неустойчивой. Она снова поглощалась мантией, разрушалась в эпоху так называемой великой бомбардировки (от 4,2 до 3,9 млрд. лет назад), когда Земля, как и Луна, подвергалась ударам очень крупных и довольно многочисленных метеоритов. На Луне и сегодня можно увидеть свидетельства метеоритной бомбардировки - многочисленные кратеры и моря (области, заполненные излившейся магмой). На нашей планете активные тектонические процессы и воздействие атмосферы и гидросферы практически стерли следы этого периода.