Основы естествознания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Наука в контексте культуры. Типы культур

2. Наука в духовной культуре общества

3. Главная функция науки. Понятие истины

4. Элемент научной деятельности: субъект, объект, цель

5. Суть натурфилософии и современного позитивизма в методологии науки.

6. Образование Вселенной - космологическая модель Эйнштейна-Фридмана

7. Другие модели образования Вселенной

8. Образование Вселенной - теория Большого взрыва

9. Классификация элементарных частиц

10. Чёрные дыры

11. Теория образования жизни на Земле

12. Необходимые факторы возникновения жизни

13. Теория абиогенного происхождения жизни Опарина

14. Уровни организации жизни на Земле. Гетеротрофы и автотрофы

15. Химические понятия и определения

16. Аминокислоты. Теория химической эволюции в биогенезе

17. Теория молекулярной самоорганизации Эйгена

18. Биохимические составляющие живого вещества

19. Мономеры и макромеры. Белки

20. Нуклеиновые кислоты. Углеводы. Липиды

21. Роль воды для живых организмов

22. Клетка как элементарная частица молекулярной биологии

23. Строение клетки

24. Процессы в клетке

25. Фотосинтез

26. Деление клеток и образование организма

27. Генетический код

28. Понятие биосферы

29. Ноосфера

30. Роль естествознания в формировании профессиональных знаний



1. Наука в контексте культуры. Типы культур

Для каждого отдельного человека различение гуманитарного (от лат. humanitas - "человечность") и естественнонаучного, натурального (от лат. natura - "природа") проявляется, прежде всего, в выборе рода занятий, профессии и образа жизни. Для общества же проблема гуманитарного и естественнонаучного - это есть проблема совмещения двух типов культур - естественнонаучной и гуманитарной.

В самом общем смысле под культурой можно понимать совокупность созданных человеком материальных и духовных ценностей, а также саму способность человека эти ценности производить и использовать. Иными словами, культура есть некая надприродная реальность, создаваемая человеком в дополнение к естественно сложившейся природе, так сказать, "вторая природа" человека.

Отсюда под естественнонаучной культурой можно понимать сово-купность тех человеческих ценностей, которые являются прямым про-должением природы в жизнедеятельности человека. А под гуманитарной культурой можно понимать совокупность тех человеческих ценностей, источником которых является сама человеческая сущность в ее специфических проявлениях. С этой точки зрения, естественнонаучная куль-тура - это атомные реакторы, телевидение, выход человека в космос, расшифровка генетического кода, фундаментальные теории о природе и т.п., существенно определяющие мировоззрение человека. Гуманитарная же культура - это наука в ее сугубо человеческом способе осуществле-ния и существования, т.е. в виде понятий, суждений и умозаключений, литература, искусство, любовь и ненависть, добро и зло, прекрасное и безобразное и т.д.

Исходя из сказанного, нетрудно увидеть, что отношение между естественнонаучной культурой ("производство вещей") и гуманитарной культурой ("производство людей") есть отношение взаимного дополнения, как всякое отношение диалектических противоположностей. Но культура - многогранное явление, и одним из аспектов ее является наука.

Будем исходить из следующего понимания науки: наука есть специ-ализированная система идеальной, знаково-смысловой и вещественно-предметной деятельности людей, направленная на достижение максимально достоверного истинного знания о действительности. Впрочем, сам термин "наука" и означает "знание".

2. Наука в духовной культуре обществе

Наука - это одна из форм духовной культуры, которая направлена на изучение естественного мира и базируется на доказательстве. Такое определение, несомненно, вызовет некоторое недоумение: если наука представляет собой форму духовной культуры, направленную на освоение естественного, или природного мира, тогда получается, что гуманитарные науки не могут быть науками, ведь природа не является объектом их изучения. Остановимся на этом вопросе подробнее.

Всем известно, что науки делятся на естественные (или естествознание) и гуманитарные (также часто называемые социально-гуманитарными). Предметом естественных наук является природа, исследуемая астрономией, физикой, химией, биологией и другими дисциплинами; а предметом гуманитарных - человек и общество, изучаемые психологией, социологией, культурологией, историей и т.д.

Наука -- это лишь часть духовной культуры, одна из форм постижения бытия. Она так же является важнейшим элементом культуры, включает в себя как специфическую деятельность по получению нового знания, так и результат этой деятельности - сумму полученных к данному моменту научных знаний, образующих в совокупности научную картину мира. Непосредственные цели науки - описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности. Результат научной деятельности, как правило, представлен в виде теоретических описаний, схем технологических процессов, сводок экспериментальных данных, формул и т.д. В отличие от других видов деятельности, где результат известен заранее, наука дает приращение знания, т.е. ее результат принципиально нетрадиционен.предыдущего столетия, эпохи Нового времени, Средних веков или Древнего мира.

3. Главная функция науки. Понятие истины

Наумка -- сфера человеческой деятельности, направленная на выработку и теоретическую систематизацию объективных знаний о действительности \в т.ч. поиск истины\

Так, предметом науки является, как правило, естественный (природный, физический) мир, осваивая который, она стремится к высокой степени точности своих знаний, полагает необходимым все доказывать, а также экспериментировать, все глубже проникая в тайны природы, и извлекать из этого практическую пользу, увеличивая техническую мощь человека.

1) познавательная функция задана самой сутью науки, главное назначение которой - как раз познание природы, общества и человека, рационально-теоретическое постижение мира, открытие его законов и закономерностей, объяснение самых различных явлений и процессов, осуществление прогностической деятельности, то есть производство нового научного знания;

2) мировоззренческая функция, безусловно, тесно связана с первой, главная цель ее - разработка научного мировоззрения и научной картины мира, исследование рационалистических аспектов отношения человека к миру, обоснование научного миропонимания: ученые призваны разрабатывать мировоззренческие универсалии и ценностные ориентации, хотя, конечно, ведущую роль в этом деле играет философия;

3) производственная, технико-технологическая функция призвана для внедрения в производство нововведений инноваций, новых технологий, форм организации и др.

4) социальная сила - наиболее ярко это проявляется в тех многочисленных в наши дни ситуациях, когда данные и методы науки используются для разработки масштабных планов и программ социального экономического развития. При составлении каждой такой программы, определяющей, как правило, цели деятельности многих предприятий, учреждений и организаций, принципиально необходимо непосредственное участие учёных как носителей специальных знаний и методов из разных областей.

5) культурная, образовательная функция заключается главным образом в том, что наука является феноменом культуры, заметным фактором культурного развития людей и образования. Ей достижения идеи и рекомендации заметно воздействуют на весь учебно-воспитательный процесс, на содержание программ планов, учебников, на технологию, формы и методы обучения.

Безусловно, ведущая роль здесь принадлежит педагогической науке.

Вопрос о научной истине - это вопрос о качестве знаний. Науку интересует лишь истинное знание. Проблема истины связана с вопросом о существовании объективной истины, то есть истины, которая не зависит от вкусов и желаний, от человеческого сознания вообще. Истина достигается во взаимодействии субъекта и объекта: без объекта знание теряет свою содержательность, а без субъекта нет самого знания. Поэтому в трактовке истины можно выделить объективизм и субъективизм. Субъективизм - наиболее распространённая точка зрения. Её сторонники отмечают, что истина не существует вне человека. Из этого они делают вывод, что объективной истины не существует. Истина существует в понятиях и суждениях, следовательно, не может быть знания не зависящего от человека и человечества. Субъективисты понимают, что отрицание объективной истины ставит под сомнение существование любой истины. Если истина субъективна, то получается: сколько людей, столько и истин.

Объективисты абсолютизируют объективную истину. Для них истина существует вне человека и человечества. Истина и есть сама действительность, не зависящая от субъекта.

Но истина и действительность, - разные понятия. Действительность существует независимо от познающего субъекта. В самой реальности истин нет, а есть лишь предметы со своими свойствами. Она появляется в результате познания людьми этой реальности.

Истина объективна. Объект существует, не зависимо от человека, и любая теория отражает именно это свойство. Под объективной истиной понимают знание, продиктованное объектом. Истина не существует без человека и человечества. Поэтому истина- есть человеческое знание, но не сама реальность.

Истина никогда не даётся сразу и целиком. Существуют понятия абсолютной и относительной истины. Абсолютная истина - это знание, совпадающее с отображающим объектом. Достижение абсолютной истины - это идеал, а не реальный результат. Относительная истина - это знание, характеризующееся относительным соответствием своему объекту. Относительная истина представляет собой более или менее истинное знание. Относительная истина может уточняться и дополняться в процессе познания, поэтому она выступает как знание, подлежащее изменению. Абсолютная истина--знание неизменное. В ней нечего менять, так как её элементы соответствуют самому объекту.

1. Абс. и Отн. Истины как бы исключают друг друга, но на самом деле они взаимосвязаны. Путь к Абс. истине лежит через серию Отн. Истин. \ открытие атома\.

2. В каждой Отн. Истине есть частичка Абс. истины - это две тенденции в развитии знаний.

Достижима ли АБС. истина?

Существует мнение, что Абс. истина не достижима. Эта точка зрения усиливает позиции агностицизма.

В любой момент развития науки остаются вещи, не познанные людьми. Познание зависит от сложности познаваемого объекта. Познание идёт от простого к сложному: ВЫВОД: Абс. истина о мире в целом существует лишь в качестве предела и идеала, к которому стремится человечество.

4. Элемент научной деятельности: субъект, объект, цель

наука общество жизнь космологический

Субъект науки - ключевой ее элемент. В научной познавательной деятельности в качестве субъекта выступает индивид (ученый), научный коллектив и научное сообщество.

Цель научной деятельности - получение нового научного знания об объекте исследования. Конечная цель научного познания - выявление законов, в соответствии с которыми объекты могут быть преобразованы в человеческой деятельности в необходимый для общества продукт.

Объект (предмет, предметная область) - это то, что именно изучает данная наука или научная дисциплина. Иначе говоря, это все то, на что направлена мысль исследователя, все, что может быть описано, воспринято, названо, выражено в мышлении и т. п.

5. Суть натурфилософии и современного позитивизма в методологии науки

Древним ничего не оставалось, кроме как полагаться на самих себя, на свой страх и риск рисовать научную картину мира. Но как это можно сделать без приборов и предыдущего опыта? Возможно было только одно: придумать картину мира, изобрести ее мысленно, увидеть (усмотреть, узреть) ее с помощью ума, поэтому мы говорим, что древние греки рисовали научную картину мира умозрительно, то есть больше выдумывали, чем исследовали и экспериментировали. В силу этого в их картине мира присутствовало много фантастического или вымышленного, а сходство с реальностью было минимальным. И все же картина являлась красивой и величественной. Сравним научное понятие «картина мира» с настоящим живописным полотном. Когда мы смотрим на него, то несходство изображения с реальностью совсем не причиняет нам неудобства. Даже наоборот, мы восхищаемся замыслом художника, и скорее предпочли бы живописную картину фотографии, несмотря на то, что она точно отображает реальность.

Умозрительное создание картины мира называется натурфилософией (от лат. natura -- природа). Натурфилософия -- это философия природы или создание наиболее общих и умозрительных представлений, описывающих и объясняющих ее.

Однако кроме умозрительного объяснения мира натурфилософия характеризуется также тем, что пытается увидеть мир весь, целиком, не разбивая его на отдельные части или области. Нынешняя наука существует в виде огромного количества дисциплин (физики, астрономии, химии, биологии и других), каждая из которых изучает какую-либо одну область мироздания. В отличие от нее древняя натурфилософия не делилась на дисциплины, а была единой наукой, исследуя сразу все части и области мира. Ее интересовало и движение небесных тел, и устройство Земли, и жизнь растений и животных, и многое другое. Поэтому натурфилософы сильно отличались от современных ученых: они пытались мысленно охватить все и приобрести максимально широкие знания. Ни отдельных наук, ни специальных ученых в древности не было, а была только одна наука -- натурфилософия и одни ученые -- натурфилософы или просто философы.

Позитивимзм (фр. positivisme, от лат. positivus -- положительный) -- философское учение и направление в методологии науки, определяющее единственным источником истинного, действительного знания эмпирические исследования и отрицающее познавательную ценность философского исследования. Позитивизм -- основной тезис: все подлинное (позитивное) знание -- совокупный результат специальных наук. Позитивисты объединили логический и эмпирический методы в единый научный метод. Сущность единого для всех наук метода, обеспечивающего надежным и достоверным знанием закономерностей природы, была выражена в манифесте «Венского кружка», опубликованного в 1929 г.: «Мы охарактеризовали научное миропонимание в основном посредством двух определяющих моментов. Во-первых, оно является эмпиристским и позитивистским: существует только опытное познание, которое основывается на том, что нам непосредственно дано (das unmittelbar Gegebene). Тем самым устанавливается граница для содержания легитимной науки. Во-вторых, для научного миропонимания характерно применение определенного метода, а именно метода логического анализа»[1].

Основная цель позитивизма -- получение объективного знания.

Основоположником позитивизма является французский философ Огюст Конт (1830-е гг.). В программной книге «Дух позитивной философии» (1844) Конт представляет человечество как растущий организм, проходящий в своём развитии три стадии: детства, юношества и зрелости. Стадии истории человечества с позиции позитивизма

Теологическая -- люди в качестве объяснительной гипотезы используют понятие Бога, которому предписывают первопричины явлений и которого облекают в человекоподобный образ. Сама теологическая стадия распадается на три ступени.

Фетишизм вызван тем, что фантазия человека ещё слишком слаба, чтобы выйти за пределы явлений, поэтому человек поклоняется фетишам -- вещам, наделённым человеческим статусом.

Политеизм -- люди начинают облекать первопричины в человеческие образы и измышлять богов.

Монотеизм характеризуется тем, что первопричины структурируются, среди них выделяются главные и второстепенные, пока, наконец, не открывается главная первопричина -- Единый Бог. Эта ступень получает имя монотеизма.

Метафизическая -- люди по-прежнему стремятся постичь начало и назначение вещей, но место богов занимают абстрактные сущности. Место Единого Бога занимает Природа, которую Конт определяет как «смутный эквивалент универсальной связи». Именно в языке позитивистов метафизика приобретает негативный оттенок, поскольку сущности и пресловутая природа вещей оказываются плодом беспочвенной фантазии, пусть даже она и выражена в строгой логической форме.

Позитивная -- единственной формой знания становится научное знание. Человечество становится достаточно взрослым, чтобы мужественно признать относительность (релятивность) нашего познания. В этом аспекте позитивизм преодолевает характерный для Научной Революции эпохи барокко оптимизм. Второй важной чертой научного знания является эмпиризм -- строгое подчинение воображения наблюдению. Здесь Конт повторяет идею Бэкона о том, что фундаментом знания должен стать проверенный опыт. Учёные должны искать не сущность явлений, а их отношение, выражаемое с помощью законов -- постоянных отношений, существующих между фактами. Ещё одной чертой научного знания является прагматизм. Учёные перестают быть эрудитами и энциклопедистами. Одним словом, знание становится позитивным: полезным, точным, достоверным и утвердительным.

Неопозитивизм -- одно из распространенных направлений философии 20 в., совр. форма позитивизма. Н. считает, что знание о действительности дается лишь в повседневном или конкретно-научном мышлении, а философия возможна только как деятельность по анализу языка, в к-ром выражаются результаты этих видов мышления.

6. Образование Вселенной - космологическая модель Эйнштейна-Фридмана

Любая космологическая модель Вселенной опирается на определенную теорию гравитации. Таких теорий много, но лишь некоторые из них удовлетворяют наблюдаемым явлениям. Теория тяготения Ньютона не удовлетворяет им даже в пределах Солнечной системы. Лучше всех согласуется с наблюдениями общая теория относительности Эйнштейна, на основе которой русский метеоролог А.Фридман в 1922 и бельгийский аббат и математик Ж.Леметр в 1927 математически описали расширение Вселенной. Из космологического принципа, постулирующего пространственную однородность и изотропность мира, они получили модель Большого взрыва. Их вывод подтвердился, когда Хаббл обнаружил связь между расстоянием и скоростью разбегания галактик. Второе важное предсказание этой модели, сделанное Г.Гамовым, касалось реликтового излучения, наблюдаемого сейчас как остаток эпохи Большого взрыва. Другие космологические модели не могут так же естественно объяснить это изотропное фоновое излучение.

Горячий Большой взрыв.

Согласно космологической модели Фридмана - Леметра, Вселенная возникла в момент Большого взрыва - ок. 20 млрд. лет назад, и ее расширение продолжается до сих пор, постепенно замедляясь. В первое мгновение взрыва материя Вселенной имела бесконечные плотность и температуру; такое состояние называют сингулярностью.

Согласно общей теории относительности, гравитация не является реальной силой, а есть искривление пространства-времени: чем больше плотность материи, тем сильнее искривление. В момент начальной сингулярности искривление тоже было бесконечным. Можно выразить бесконечную кривизну пространства-времени другими словами, сказав, что в начальный момент материя и пространство одновременно взорвались везде во Вселенной. По мере увеличения объема пространства расширяющейся Вселенной плотность материи в ней падает. С.Хокинг и Р.Пенроуз доказали, что в прошлом непременно было сингулярное состояние, если общая теория относительности применима для описания физических процессов в очень ранней Вселенной.

Чтобы избежать катастрофической сингулярности в прошлом, требуется существенно изменить физику, например, предположив возможность самопроизвольного непрерывного рождения материи, как в теории стационарной Вселенной. Но астрономические наблюдения не дают для этого никаких оснований.

Чем более ранние события мы рассматриваем, тем меньше был их пространственный масштаб; по мере приближения к началу расширения горизонт наблюдателя сжимается (рис. 1). В самые первые мгновения масштаб так мал, что мы уже не в праве применять общую теорию относительности: для описания явлений в столь малых масштабах требуется квантовая механика (см. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА). Но квантовой теории гравитации пока не существует, поэтому никто не знает, как развивались события до момента 10-43 с, называемого планковским временем (в честь отца квантовой теории). В тот момент плотность материи достигала невероятного значения 1090 кг/см3, которое нельзя сравнить не только с плотностью окружающих нас тел (менее 10 г/см3), но даже с плотностью атомного ядра (ок. 1012 кг/см3) - наибольшей плотностью, доступной в лаборатории. Поэтому для современной физики началом расширения Вселенной служит планковское время.

Вот при таких условиях немыслимо высокой температуры и плотности состоялось рождение Вселенной. Причем это могло быть рождением в прямом смысле: некоторые космологи (скажем, Я.Б.Зельдович в СССР и Л.Паркер в США) считали, что частицы и гамма-фотоны были рождены в ту эпоху гравитационным полем. С точки зрения физики, этот процесс мог состояться, если сингулярность была анизотропной, т.е. гравитационное поле было неоднородным. В этом случае приливные гравитационные силы могли «вытащить» из вакуума реальные частицы, создав таким образом вещество Вселенной.

Изучая процессы, происходившие сразу после Большого взрыва, мы понимаем, что наши физические теории еще весьма несовершенны. Тепловая эволюция ранней Вселенной зависит от рождения массивных элементарных частиц - адронов, о которых ядерная физика знает еще мало. Многие из этих частиц нестабильны и короткоживущи. Швейцарский физик Р.Хагедорн считает, что может существовать великое множество адронов возрастающих масс, которые в изобилии могли формироваться при температуре порядка 1012 К, когда гигантская плотность излучения приводила к рождению адронных пар, состоящих из частицы и античастицы. Этот процесс должен был бы ограничить рост температуры в прошлом.

Согласно другой точке зрения, количество типов массивных элементарных частиц ограничено, поэтому температура и плотность в период адронной эры должны были достигать бесконечных значений. В принципе это можно было бы проверить: если бы составляющие адронов - кварки - были стабильными частицами, то некоторое количество кварков и антикварков должно было сохраниться от той горячей эпохи. Но поиск кварков оказался тщетным; скорее всего, они нестабильныПосле первой миллисекунды расширения Вселенной сильное (ядерное) взаимодействие перестало играть в ней определяющую роль: температура снизилась настолько, что атомные ядра перестали разрушаться. Дальнейшие физические процессы определялись слабым взаимодействием, ответственным за рождение легких частиц - лептонов (т.е. электронов, позитронов, мезонов и нейтрино) под действием теплового излучения. Когда в ходе расширения температура излучения понизилась примерно до 1010 К, лептонные пары перестали рождаться, почти все позитроны и электроны аннигилировали; остались лишь нейтрино и антинейтрино, фотоны и немного сохранившихся с предшествующей эпохи протонов и нейтронов. Так завершилась лептонная эра.

Следующая фаза расширения - фотонная эра - характеризуется абсолютным преобладанием теплового излучения. На каждый сохранившийся протон или электрон приходится по миллиарду фотонов. Вначале это были гамма-кванты, но по мере расширения Вселенной они теряли энергию и становились рентгеновскими, ультрафиолетовыми, оптическими, инфракрасными и, наконец, сейчас стали радиоквантами, которые мы принимаем как чернотельное фоновое (реликтовое) радиоизлучение.

7. Другие модели образования Вселенной Модель Леметра

Модель вселенной, которая начинается с Большого взрыва, сменяющегося затем статической фазой и последующим бесконечным расширением. Модель названа по имени Дж. Леметра (1894-1966), который в 1927 г. опубликовал работу по расширению Вселенной. Он первым предложил рассматривать процесс расширения Вселенной от состояния "первичного атома", в то время как Эйнштейн всё ещё был сторонником теории статической Вселенной

Модель Большого Взрыва

Гамов и его аспирант Ральф Алфер построили новую, более реалистичную версию этой модели. Вселенная Леметра родилась из взрыва гипотетического «первичного атома», который явно выходил за рамки представлений физиков о природе микромира. Процентный состав распределения химических элементов во Вселенной на основе леметровской модели (впервые эту работу в 1942 году проделал Чандрасекар) явно противоречил реальности.

В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15-20 миллиардов лет назад, когда все вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025 г/смЗ и температурой свыше 1016 К. Модель Большого Взрыва была предложена в 1948г. нашим соотечественником Г.А. Гамовым.

Огромное радиационное давление внутри сгустка привело к необычайно быстрому его расширению - Большому Взрыву. Составные части этого сгустка теперь образуют далекие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас. Мы наблюдаем их сейчас такими, какими они были примерно 10-14 млрд. лет назад. Таким образом, расширение Вселенной оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва.[1 с. 146-147]

Очень важными в становлении структурной организации Вселенной явились первые три минуты ее существования, когда температура снижалась до 109 К. В этот момент происходил процесс первичного нуклеосинтеза - образование ядер водорода и гелия с небольшой добавкой ядер дейтерия и лития. В результате сформировалась очень плотная плазма, состоявшая из ядер водорода, гелия (с добавкой ядер дейтерия и лития), электронов и фотонов. Положительно заряженные частицы (ядра водорода, гелия и др.) и отрицательно заряженные (электрон) обменивались между собой фотонами, которые в очень плотной плазме не могли пролететь достаточно далеко, не будучи поглощенными или отклоненными заряженными частицами. Пробег фотона от одного акта рассеяния до другого был крайне незначительным; т.е. имело место состояние термодинамического равновесия первичной плазмы и первичного излучения. В этот период Вселенная представляла собой горячий быстро расширяющийся (а значит, постепенно охлаждающийся) непрозрачный «огненный шар».

По мере охлаждения этого огненного шара до температуры около 4000 К (когда возраст Вселенной был около 400 тыс. лет, а размер в 1OOO раз меньше современного) электроны замедлились до скорости, которая позволила ядрам водорода и гелия захватывать их и образовать электрически нейтральные атомы. Этот процесс называется рекомбинацией протонов и нейтронов. Плазма из ионизированной превратилась в смесь нейтральных атомов водорода и гелия. При этом исчезли препятствия для свободного движения фотонов, которые перестали взаимодействовать с веществом и получили возможность свободного передвижения во Вселенной. Когда возраст Вселенной был 1 млн. лет, излучение отделилось от плазмы. Вселенная стала полностью прозрачной для излучения.

Из теории Гамова следовало, что все фотоны, которые освободились после рекомбинации протонов и нейтронов, никуда не исчезли и сохранились до наших дней. Но по мере расширения Вселенной их температура снижалась обратно пропорционально размерам Вселенной. К настоящему времени она должна составлять около 3 К. Эти фотоны должны равномерно заполнять все пространство и создавать особый космический фон электромагнитного излучения. Их число оказывается достаточно высоким: примерно 400-500 фотонов в 1 куб. см. Поскольку это излучение не генерируется космическими телами современной Вселенной, а сохранилось от ранних этапов ее эволюции, оно получило название «реликтового излучения». [3 с. 513 - 514]

Реликтовое излучение

Наиболее важным подтверждением теории Большого Взрыва является обнаружение реликтового излучения, как раз и связанного с существованием первоначального сверхплотного сгустка вещества и излучения. Название «реликтовое излучение» ввел отечественный астрофизик И.С. Шкловский (1916-1983). Первоначально оно обладало огромной энергией, но расширение и охлаждение сгустка привели к тому, что излучение также «остыло» и энергия квантов уменьшилась, т.е. возросла длина их волны. Это фоновое излучение и сейчас существует во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. В последние годы экспериментально обнаружена анизотропия (неравномерность) реликтового излучения, которую связывают с неоднородностями распределения материи и наличием слабых возмущений.

Сразу после рождения Вселенная продолжала расти и охлаждаться. Электромагнитное излучение после Большого Взрыва тоже изменяется - увеличивалась средняя длина волны излучения, и температура реликтового излучения уменьшалась. Таким образом, в расширяющемся пространстве температура излучения должна уменьшаться, что и подтверждает крайне низкая температура современного реликтового излучения.

По мере расширения изменяется и состав материи, наполняющей наш мир. Кварки объединяются в протоны и нейтроны, появляются также и античастицы. Однако природа «позаботилась» о том, чтобы частиц было немного больше, чем античастиц. Именно благодаря этой небольшой разнице и существует наш мир. А реликтовое излучение - это как раз последствие аннигиляции частиц и античастиц. В настоящее время считается, что сразу после Большого Взрыва началось сверхбыстрое инфляционное расширение, которое можно определить по флуктуации температуры открытых областей расширения. [1 с. 150 - 151]

Инфляция физического вакуума

Базовым понятием инфляционной космологии является заимствованное в квантовой теории поля понятие физического вакуума. Согласно инфляционной теории, Вселенная возникает из физического вакуума высочайшей плотности за счет фазового перехода первого рода.

Физический вакуум - форма материи, существующая наряду с веществом и полем. Она представляет собой не возбужденное состояние квантовых полей разных типов, которому соответствует минимальная энергия поля. В вакууме существуют реальные частицы, но в силу принципа неопределенности он характеризуется активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц и способностью находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и отрицательными давлениями. Возбужденное состояние физического вакуума называют «ложным вакуумом», который способен создать гигантскую силу космического отталкивания.

Эта сила и вызвала безудержное и стремительное раздува «пузырей пространства» (зародышей одной или нескольких вселенных), в которых потенциально сконцентрированы колоссальные запасы энергии. Подобное раздувание Вселенной осуществлялось по экспоненте. За первые 10-34 С. диаметр Вселенной увеличился по меньшей мере в 10100 раз. Скорость раздувания значительно превосходила световую, но это не противоречит закону теории относительности, так как раздувание не связано с установлением причинно-следственных связей в веществе. Данный тип раздувания был назван инфляцией. За этот мельчайший отрезок времени размер Вселенной увеличился больше, чем за все последующие 13,7 млрд. лет. В период квантовой космологии, т. е. с 10-43 с. по 10-34 С. произошло, по-видимому, и формирование пространственно-временных характеристик нашей Вселенной.

Модели струнной космологии, дополняя инфляционную космологию, показывают, что до начала расширения все пространственные измерения были совершенно равноправны, симметричны и плотно свернуты в многомерный (9 или более измерений) узел планковских размеров (l0-33 см). Но затем симметрия нарушается, три пространственных измерения отделяются от остальных и начинают расширяться по сценарию инфляционной космологии. Остальные же измерения остаются свернутыми.

Почему именно три измерения начали расширяться? Теория объясняет это закономерностями струн, их способностью наматываться или не наматываться вокруг циклического, свернутого измерения, а также наличием струн и антиструн. Намотанные в измерение струны сдерживают его расширение. Если встречаются струна и антиструна, то они аннигилируют и образуют не намотанную струну, которая перестает сдерживать измерение, и оно как пружина, может расширяться. При этом вероятность столкновения струн и антиструн в одномерном, двумерном и трехмерном пространствах достаточно велика, но она становится крайне незначительной при четырех и более измерениях. Анализ показывает, что сначала столкновения струн и антиструн происходили вокруг всех свернутых измерений, но когда аннигиляция ослабила сдерживающую силу сначала одного, затем второго и третьего измерения и они начали все больше расширяться, вероятность раскрытия других измерений резко уменьшилась. Струны пытались обмотать расширяющиеся измерения, но по мере расширения для этого требовалось все больше и больше энергии. Чем больше расширение, тем меньше препятствий для дальнейшего расширения. Так, расширение трех пространственных измерений, подстегивая само себя, приобретало инфляционный характер.

Но фаза инфляции не может быть длительной. Отрицательный (ложный) вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, следовательно, исчезает и инфляция. Вселенная переходит во власть обычного гравитационного притяжения. «Часы» Вселенной в этот момент показывали всего 10-34 с. Но благодаря полученному первоначальному импульсу, приобретенному в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжается.

В фазе инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но по окончании фазы огромные запасы энергии, сосредоточенные в холодном физическом вакууме, высвободились в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до температуры примерно 1029К . [3 с. 517 - 519]

Модель расширяющейся Вселенной

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 г. В основе этой модели лежат два предположения: свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность); наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии).

Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: принцип относительности, гласящий, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; экспериментально подтвержденное постоянство скорости света.

Из теории относительности следовало, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться или сжиматься. Первым это заметил в 1922 г. петербургский физик и математик Александр Александрович Фридман. На этот вывод не обращали внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 г. так называемого красного смещения.

Красное смещение - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Согласно обнаруженному ранее эффекту Доплера при удалении от нас какого-либо источника колебаний; воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т.е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т.е. о расширении Метагалактики - видимой части Вселенной.

Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении, по меньшей мере, нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой. [2 с. 63-64]

Модель де Ситтера

Модель расширяющейся Вселенной, предложенная в 1917 г., в которой не существует вещества или излучения. Эта нереалистичная гипотеза имела, тем не менее, исторически важное значение, поскольку в ней впервые выдвигалась идея о расширяющейся, а не статичной Вселенной. [6]

Отсутствие вещества было, конечно, слабым местом модели де Ситтера. Но было у нее и одно существенное достоинство. Согласно теории де Ситтера, чем дальше взгляд земного наблюдателя проникал в пространство, тем медленнее должны были ему казаться происходящие там процессы. Стоило же предпринять путешествие «в эти отдаленные области лени и неторопливости» на космическом корабле, как по мере нашего приближения мы увидели бы постепенное оживление хода времени. И к моменту нашего прибытия жизнь кипела бы там в обычном темпе. Это явление можно было истолковать, как предсказание будущего красного смещения. К сожалению, в те годы на это никто не обратил внимания. [5]

Модель Милна

Модель расширяющейся Вселенной без использования общей теории относительности, предложенная в 1948 г. Эдвардом Милном. Это расширяющаяся, изотропная и однородная Вселенная, не содержащая вещества. Она имеет отрицательную кривизну и незамкнута.

Модель Фридмана

Модель Вселенной, которая может коллапсировать внутрь себя. В 1922 г. советский математик А.А. Фридман, анализируя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, пришёл к выводу, что Вселенная не может находиться в стационарном состоянии -- она должна либо расширяться, либо пульсировать. Сначала эта работа (1922 и 1924 гг.) была полностью проигнорирована, но позже на неё обратили внимание в связи с моделью Вселенной Леметра. Вселенная Фридмана может быть замкнутой, если плотность вещества в ней достаточно велика, чтобы остановить расширение. Этот факт привёл к поиску так называемой недостающей массы. В дальнейшем выводы Фридмана получили подтверждение в астрономических наблюдениях, обнаруживших в спектрах галактик так называемое красное смещение спектральных линий, что соответствует взаимному удалению этих звездных систем.

Модель Эйнштейна-де Ситтера

Самая простая из современных космологических моделей, в которой Вселенная имеет нулевое давление, нулевую кривизну (т.е. плоскую геометрию) и бесконечную протяженность, а ее расширение не ограничено в пространстве и во времени. Предложенная в 1932 г., эта модель является частным случаем (при нулевой кривизне) более общей вселенной Фридмана. [6]

8. выше

9. Классификация элементарных частиц

По величине спина:

Все элементарные частицы делятся на два класса:

бозоны -- частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны).

фермионы -- частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

По видам взаимодействий

Элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы

адроны -- частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

мезоны -- адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами;

барионы -- адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, -- протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

лептоны -- фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10?18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

кварки -- дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

калибровочные бозоны -- частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

фотон -- частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

восемь глюонов -- частиц, переносящих сильное взаимодействие;

три промежуточных векторных бозона W+, W? и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

гравитон -- гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны -- это кванты разных типов взаимодействий.

Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

10. Чёрные дыры

Чёрная дырам -- область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света).

Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер -- гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда.

Теоретически возможность существования таких областей пространства-времени следует из некоторых точных решений уравнений Эйнштейна, первое[1] из которых было получено Карлом Шварцшильдом в 1915 году. Точный изобретатель термина неизвестен[2], но само обозначение было популяризовано Джоном Арчибальдом Уилером и впервые публично употреблено в популярной лекции «Наша Вселенная: известное и неизвестное» (англ. Our Universe: the Known and Unknown) 29 декабря 1967 года[3]. Ранее подобные астрофизические объекты называли «сколлапсировавшие звёзды» или «коллапсары» (от англ. collapsed stars), а также «застывшие звёзды» (англ. frozen stars).

Кроме того, чёрными дырами часто называют объекты, не строго соответствующие данному выше определению, а лишь приближающиеся по своим свойствам к такой чёрной дыре -- например, это могут быть коллапсирующие звёзды на поздних стадиях коллапса. В современной астрофизике этому различию не придаётся большого значения[6], так как наблюдательные проявления «почти сколлапсировавшей» («замороженной») звезды и «настоящей» («извечной») чёрной дыры практически одинаковы. Это происходит потому, что отличия физических полей вокруг коллапсара от таковых для «извечной» чёрной дыры уменьшаются по степенным законам с характерным временем порядка гравитационного радиуса, делённого на скорость света[7].

Для возникновения черной дыры необходимо, чтобы масса сжалась до таких размеров, при которых вторая космическая скорость становится равной скорости света. Этот размер носит название гравитационного радиуса и зависит от массы тела. Величина его очень мала даже для масс небесных тел. Так, для Земли гравитационный радиус приблизительно равен 1 см, для Солнца - 3 км.

Для того чтобы преодолеть тяготение и вырваться из черной дыры, потребовалась бы вторая космическая скорость, большая световой. Согласно теории относительности, никакое тело не может развить скорость большую, чем скорость света. Вот почему из черной дыры ничто не может вылететь, не может поступать наружу никакая информация. После того как любые тела, любое вещество или излучение упадут под действием тяготения в черную дыру, наблюдатель никогда не узнает, что произошло с ними в дальнейшем. Вблизи черных дыр, как утверждают ученые, должны резко изменяться свойства пространства и времени.

Если черная дыра возникает в результате сжатия вращающегося тела, то вблизи ее границы все тела вовлекаются во вращательное движение вокруг нее.

Ученые считают, что черные дыры могут возникать в конце эволюции достаточно массивных звезд. После исчерпания запасов ядерного горючего звезда теряет устойчивость и под действием собственной гравитации начинает быстро сжиматься. Происходит так называемый гравитационный коллапс. В это время возможны различные катастрофические явления.

Они приводят к сбросу части внешних оболочек звезды. Но центральное ядро, если оно достаточно массивно, может сжаться до размеров гравитационного радиуса и превратиться в черную дыру.

Поиски черных дыр во Вселенной проводятся по их сильному полю тяготения, по тем эффектам, которые возникают при падении в этом поле окружающего вещества.

Наиболее сильно эффекты проявляются тогда, когда черная дыра входит в состав двойной звездной системы (см. Рентгеновская астрономия), в которой одна звезда -- яркий гигант, а второй компонент -- черная дыра. В этом случае газ из оболочки звезды-гиганта течет к черной дыре, закручивается вокруг нее, образуя диск. Слои газа в диске трутся друг о друга, по спиральным орбитам медленно приближаются к черной дыре и в конце концов падают в нее. Но еще до этого падения у границы черной дыры газ разогревается трением до температуры в миллионы градусов и излучает в рентгеновском диапазоне (см. Электромагнитное излучение небесных тел). По этому рентгеновскому излучению астрономы пытаются обнаружить черные дыры в двойных звездных системах.

Весьма вероятно, что рентгеновский источник в созвездии Лебедя -- Лебедь-Х-1 является такой черной дырой.

Возможно, что очень массивные черные дыры возникают в центрах компактных звездных скоплений , в центрах галактик и квазарах. Не исключено также, что черные дыры могли возникать в далеком прошлом, в самом начале расширения Вселенной. В этом случае возможно образование и очень маленьких черных дыр с массой гораздо меньшей, чем масса небесных тел. Этот вывод особенно интересен потому, что вблизи таких маленьких черных дыр поле тяготения может вызывать специфические квантовые процессы «рождения» частиц из вакуума. С помощью потока этих частиц можно обнаружить маленькие черные дыры во Вселенной. Квантовые процессы рождения частиц приводят к медленному уменьшению массы черных дыр, к их «испарению».

11. Теория образования жизни на Земле Концепции происхождения жизни

а) Идея самопроизвольного происхождения.

Вначале в науке вообще не существовало проблемы возникновения жизни, потому что учеными античного мира допускалась возможность постоянного зарождения живого из неживого. Великий Аристотель (4-ый в. до Р. Х.) не сомневался в самозарождении лягушек. Философ Плотин в 3-ем веке до новой эры утверждал, что живые существа самозарождаются в земле в процессе гниения. Эта идея самопроизвольного зарождения организмов, видимо, представлялась многим поколениям наших далеких предков очень убедительной, так как просуществовала, не меняясь, долгие века, вплоть до 17-го века .

б) Идея происхождения жизни по принципу «живое - от живого».

В 17-ом веке опыты тосканского врача Франческо Реди показали, что без мух черви в гниющем мясе не обнаружатся, а если прокипятить органические растворы, то микроорганизмы в них вообще зарождаться не смогут. И только в 60-х гг. 19-го века французский ученый Луи Пастер в своих опытах продемонстрировал, что микроорганизмы появляются в органических растворах только потому, что туда раньше был занесен зародыш.

Таким образом, опыты Пастера имели двоякое значение -

Доказали несостоятельность концепции самопроизвольного зарождения жизни.

Обосновали идею о том, что все современное живое происходит только от живого.

в) Идея космического происхождения жизни.

Примерно в тот же период, когда Пастер продемонстрировал свои опыты, немецкий ученый Г. Рихтер разработал теорию занесения живых существ на Землю из космоса. Он утверждал, что зародыши могли попасть на Землю вместе с космической пылью и метеоритами и положить начало эволюции живого, которая породила все многообразие земной жизни. Эта концепция называлась концепцией панспермии. Ее разделяли такие ученые, как Г. Гельмгольц, У. Томпсон, что способствовало ее широкому распространению в научных кругах. Но она не получила научного доказательства, так как примитивные организмы или зародыши должны были бы погибнуть под действием ультрафиолетовых лучей и космического излучения.

г) Гипотеза А. И. Опарина.

В 1924 году вышла в свет книга «Происхождение жизни» советского ученого А. И. Опарина, где он экспериментально доказал, что органические вещества могут образовываться абиогенным путем при действии электрических зарядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси, содержащие пары воды, аммиака, метана и др. Под влиянием различных факторов природы эволюция углеводородов привела к образованию аминокислот, нуклеидов и их полимеров, которые по мере увеличения концентрации органических веществ в первичном бульоне гидросферы способствовали образованию коллоидных систем, так называемых коацерватов, которые, выделяясь из окружающей среды и имея неодинаковую внутреннюю структуру, по-разному реагировали на внешнюю среду. Превращению углеродистых соединений в химический период эволюции способствовала атмосфера с ее восстановительными свойствами, которая потом стала приобретать окислительные свойства, что свойственно атмосфере и в настоящее время .

Гипотеза Опарина способствовала конкретному изучению происхождения простейших форм жизни. Она положила начало физико-химическому моделированию процессов образования молекул аминокислот, нуклеиновых оснований, углеводородов в условиях предполагаемой первичной атмосферы Земли.

д) Современные концепции происхождения жизни.

Сегодня проблема происхождения жизни исследуется широким фронтом различных наук. В зависимости от того, какое наиболее фундаментальное свойство живого исследуется и преобладает в данном изучении (вещество, информация, энергия), все современные концепции происхождения жизни можно разделить условно на:

Концепцию субстратного происхождения жизни (ее придерживаются биохимики во главе с А. И. Опариным).

Концепцию энергетического происхождения. Она разрабатывается ведущими учеными-синергетиками И. Пригожиным, М. Эйгеном.

Концепцию информационного происхождения. Ее развивали А. Н. Колмогоров, А. А. Ляпунов, Д. С. Чернавский.

Концепция генного происхождения.

12. Необходимые факторы возникновения жизни

Для возникновения жизни на Земле важна первичная атмосфера (планеты). Первичная атмосфера Земли содержала метан, аммиак, водяной пар и водород. Именно воздействуя на смесь этих газов электрическими зарядами и ультрафиолетовым излучением, ученым удалось получить сложные органические вещества, входящие в состав живых белков. Элементарными «кирпичиками» живого являются такие химические элементы как углерод, кислород, азот и водород. В живой клетке по весу содержится 70 процентов кислорода, 17 процентов углерода, 10 процентов водорода, 3 процента азота, затем идут фосфор, калий, хлор, сера, кальций, натрий, магний, железо. Итак, первый шаг на пути к возникновению жизни заключается в образовании органических веществ из неорганических. Он связан с наличием химического «сырья», синтез которого может произойти при определенном излучении, давлении, температуре, влажности. Возникновению простейших живых организмов предшествовала длительная химическая эволюция. Из сравнительно небольшого числа соединений (в результате естественного отбора) возникли вещества со свойствами, пригодными для жизни. Соединения, возникшие на основе углерода, образовали «первичный бульон» гидросферы. По мнению ученых, содержащие азот и углерод вещества возникли в расплавленных глубинах Земли и выносились на поверхность при вулканической деятельности. Второй шаг в возникновении соединений связан с возникновением в первичном океане Земли упорядоченных сложных веществ - биополимеров: нуклеиновых кислот, белков. Как осуществлялось формирование биополимеров?