Основы естественно-научных знаний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Естественно-научная и гуманитарная культура

В системе естествознания объединяются естественные и гуманитарные научные дисциплины, соответственно в естествознании можно выделить естественно-научную и гуманитарную сферы культуры. Естественно-научная культура сформировалась в результате изучения природы как проявления материального мира. В ней изучается в первую очередь изучается состав и состояние природы, окружающей человека. Гуманитарная культура сформировалась в результате исследования духовной жизни общества, здесь изучаются его ценности, традиции, мораль, анализируются поступки и поведение человека, а также взаимодействие с природой, с окружающим миром, т.е. духовные явления.

Специфика естественно-научной сферы культуры состоит в высокой степени объективности. Знания о природе достоверны, фундаментальны, доказаны и перепроверены на многочисленных опытах. Это достаточно специализированные знания.

Специфика гуманитарной сферы культуры заключается в определённой субъективности оценок. Большое значение здесь имеют социальное положение индивида и групп индивидов; в рамках этой культуры формируются знания о системе ценностных зависимостей в обществе. Такие знания получаются путём диалектики, дедукции и индукции, анализа и синтеза определённых явлений и законов. Истинность этих знаний относительна.

Теория «Большого взрыва»

Вопрос о сущности жизни - один из центральных вопросов естествознания. Всеми признанной теории о происхождении жизни до сих пор нет. Согласно теории стационарного состояния Вселенная существовала извечно и лишь претерпевала изменения. Согласно другим теориям Вселенная могла возникнуть из сгустка нейронов в результате «Большого взрыва», или родиться в одной из четырёх известных чёрных дыр, или быть созданной Творцом.

В 1936 году большинство учёных приняли теорию расширяющейся Вселенной. Согласно ей, галактики или группы галактик разбегаются из какого-то одного центра - центра расширения. Поэтому у Вселенной должно быть начало, где она находилась в сверхплотном состоянии. О таком состоянии в книге «первичный атом» в 1951 году пишет автор гипотезы Большого взрыва Леметр. По его взглядам, первичная Вселенная была в виде ядра, которое при каких-то обстоятельствах начало делиться. Учёные утверждают, что Большой взрыв произошёл 13,7 млрд. лет назад. До этого Вселенная имела размер с электрон. образование элементов и веществ во Вселенной, как об этом свидетельствует концепция Большого взрыва, происходило последовательно. Физики считают, что одновременно с образованием частиц шло образование античастиц. Поэтому между ними интенсивно происходил процесс аннигиляции. Т.к. частиц было больше, чем античастиц, то современный мир оказался построен из первых. Из оставшихся барионом в нашей Галактике построены звёзды, планеты, межзвёздный газ и всё живое на Земле.

Вслед за барионной эрой наступила эра лептонная. В это время основной вклад в строительство вносили лёгкие частицы: электроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино, фотоны. Все эти процессы сопровождались понижением плотности и завершением процессов аннигиляции. Далее пришло время излучения. Оно продолжалось около 1 млн. лет. В данный отрезок времени основное значение в гравитации имело излучение. Вещество Вселенной тогда было в виде плазмы и эффективно поглощало, излучало и рассеивало фотоны.

К концу времени излучения энергия фотонов понизилась, и они уже не могли ионизировать вещество. В итоге вместо протонов и ядер гелия возникли атомы водорода и гелия. С этого момента начинается эра вещества, продолжающаяся по настоящее время.

происхождение хаос самоорганизация эквивалентность

Первая универсальная физико-космологическая картина мира (Аристотель)

Все накопленные веками знания о природе, систематизированы, логически предельно развиты в первой универсальной картине мира, которую создал в IV в. до н. э. древнегреческий философ Аристотель. В специальном трактате «О небе» Аристотель нарисовал свою натурфилософскую физическую, вернее, физико-космологическую картину мира. Под Вселенной Аристотель подразумевал всю существующую материю (состоявшую, по его теории, из четырех обычных элементов -- земли, воды, воздуха и огня и пятого -- небесного -- вечно движущегося эфира, который от обычной материи отличался еще и тем, что не имел ни легкости, ни тяжести). Аристотель критиковал Анаксагора за отождествление эфира с обычным материальным элементом -- огнем. Таким образом, Вселенная, по Аристотелю, существовала в единственном числе. В картине мира Аристотеля впервые была высказана идея взаимосвязанности свойств материи, пространства и времени. Вселенная представлялась конечной и ограничивалась сферой, за пределами которой не мыслилось ничего материального, а потому не могло быть и самого пространства, поскольку оно определялось как нечто, что было заполнено материей. За пределами материальной Вселенной не существовало и времени, которое Аристотель с гениальной простотой и четкостью определил как меру движения и связал с материей. В аристотелевской физико-космологической картины мира первым элементом было учение о пяти первичных формах материи с разделением их на «земные» и «небесную». Вторым элементом, или представлением о механизме осуществления всех процессов, выступали различные «естественные», врожденные движения первоэлементов и состоящих из них тел, причем эти движения объяснялись свойствами неразрывного комплекса -- пространства и материи. Третий элемент картины мира у Аристотеля имел явно астрономический, космологический характер -- модель Вселенной. Как физик-экспериментатор Аристотель выбрал более распространенную и подтверждавшуюся непосредственными ощущениями геоцентрическую модель -- в виде конструкции из гомоцентрических сфер. Лишь материал небесных тел и сфер предполагался у него особым, небесным (эфиром).

Вернадский В.И. Учение о биосфере

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни и впервые был введен в науку в 1875 г. Эдуардом Зюссом. Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами. Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б. Ламарк. Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов. Биосфера (в современном понимании) - своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В.И. Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И. Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ. В.И. Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом с ней связаны. Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные биокосные тела (почвы, наземные и подземные воды).

Гелиоцентризм и механистическая картина мира

Гелиоцентризм - представление о том, что центральным телом Солнечной системы является Солнце. Вселенная в современном понимании центра не имеет. Гелиоцентризм развит в книге Коперника «Об обращении небесных сфер». В первоначальном виде система Коперника сохраняла некоторые пережитки геоцентризма, представления о равномерном круговом движении планет и о наличии у Вселенной единого центра. Гелиоцентризм окончательно закрепился в результате трудов Ньютона. Изложенная теория Ньютона закрепилась под названием механическая картина мира. Сформулированная им теория основывалась на трёх законах:

Закон инерции

Закон ускоренного движения

Закон действия и противодействия

Основные принципы теории могут быть изложены в следующем виде:

Время при механическом движении обратимо

Все механические процессы жёстко детерминированы

Пространство и время никак не связаны с движением тел, друг с другом и имеют абсолютный характер

Закономерности других форм движения могут быть сведены к механической форме движения

Связь между материальными объектами, имеющими массу, осуществляется мгновенно

Исааком Ньютоном был открыт и математически сформулирован ещё один закон - закон всемирного тяготения. Он оказался универсальным. Согласно закону, сила взаимодействия между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Строение звёзд

Звезда -- раскалённый газовый шар, а основным свойством газа является стремление расшириться и занять любой предоставленный ему объём. Это стремление вызвано давлением газа и определяется его температурой и плотностью. В каждой точке внутри звезды действует сила давления газа, которая старается расширить звезду. Но в каждой же точке ей противодействует другая сила -- сила тяжести вышележащих слоев, пытающаяся сжать звезду. Однако ни расширения, ни сжатия не происходит, звезда устойчива. Это означает, что обе силы уравновешивают друг друга. А так как с глубиной вес вышележащих слоев увеличивается, то давление, а следовательно, и температура возрастают к центру звезды. Звезда излучает энергию, вырабатываемую в ее” недрах. Сколько энергии образуется в центре звезды, столько же должно излучаться её поверхностью, иначе равновесие нарушится. Таким образом, к давлению газа добавляется ещё и давление излучения. Лучи, испускаемые звездой, получают свою энергию в недрах, где располагается её источник, и продвигаются через всю толщу звезды наружу, оказывая давление на внешние слои. Определение химического состава и физических условий в центральных частях звёзд позволило решить вопрос об источниках звёздной энергии. При температуре 10--30 млн градусов и наличии большого числа ядер водорода протекают термоядерные реакции, в результате образуются ядра различных химических элементов. Не все возможные ядерные реакции годятся на роль источников звёздной энергии, а только такие, которые выделяют достаточно большую энергию и могут продолжаться в течение нескольких миллиардов лет жизни звезды. Строение звёзд зависит от массы. Если звезда в несколько раз массивнее Солнца, то глубоко в её недрах происходит интенсивное перемешивание вещества. Остальная часть звезды сохраняет при этом равновесие. По мере превращения водорода в гелий молекулярная масса вещества ядра возрастает, а его объём уменьшается. Внешние же области звезды при этом расширяются, она увеличивается в размерах, а температура её поверхности падает. Горячая звезда -- голубой гигант -- постепенно превращается в красный гигант. Строение красного гиганта уже иное. У красного гиганта два источника энергии. Над горящим ядром находится протяжённая оболочка. В дальнейшем ядерные реакции создают в центре массивной звезды всё более тяжёлые элементы, вплоть до железа. Синтез элементов тяжелее железа уже не приводит к выделению энергии. Лишённое источников энергии, ядро звезды быстро сжимается. Это может повлечь за собой взрыв -- вспышку сверхновой. Иногда при взрыве звезда полностью распадается, но чаще всего остаётся компактный объект -- нейтронная звезда или чёрная дыра. Вместе с оболочкой взрыв уносит в межзвёздную среду различные химические элементы, образовавшиеся в недрах звезды за время её жизни. Новое поколение звёзд, рождающихся из межзвёздного газа, будет содержать уже больше тяжёлых химических элементов.

Научный метод. Практические и теоретические аспекты

Одним из основных методов естествознания является научный метод познания, включающий в себя определённый ряд этапов изучения объектов: наблюдение, гипотезу, тест, эксперимент, сравнение и как его частный случай измерение, построение теории. Вся научная информация получается путём наблюдения за теми или иными предметами, явлениями, их свойствами и взаимодействиями с другими предметами и явлениями.

Наблюдение - способ получения информации о природе и об окружающем мире с помощью пяти органов чувств: зрения, слуха, обоняния, осязания и вкуса. Вся информация, полученная в ходе наблюдений, затем анализируется и приводит к определённым выводам, но для подтверждения достоверности самой информации, необходима объективная проверка, т.к. органы чувств могут обманывать и оценка, полученная в ходе наблюдений, может нести субъективный характер. Только пройдя проверку, информация и выводы становятся научными фактами, на основании которых можно выстраивать определённые гипотезы - предположительные суждения о каких-либо предметах и явлениях и закономерных связях явлений. При построении гипотезы формулируются предположения относительно причины наблюдаемых явлений.

Эксперимент - метод познания, при помощи которого в контролируемых и управляемых условиях исследуются предметы и явления. В ходе проведения эксперимента обязательно осуществляется контроль: изучаются две группы объектов: экспериментальная и контрольная.

Теория - обобщённый комплекс взглядов, представлений, идей, направленных на истолкование и объяснение определённого набора факторов или какого-либо явления. Теория - высшая, самая развитая форма организации научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и связях, существующих в определённой области действительности, которая является объектом данной теории.

Эволюция звёзд

В центре при выгорании водорода образуется гелий, он тяжелее водорода и потому накапливается в центре звёзд, что сопровождается из-за большого сжатия повышением температуры. При достижении температуры в центре звезды до 100 млн. градусов ядерный процесс будет определяться уже гелием. Его горение будет сопровождаться образованием углерода и кислорода. Поскольку они тяжелее гелия, то будут концентрироваться в центре звезды. Дальнейшая судьба звезды будет зависеть от её массы. Звёзды с массой, близкой к солнечной, преобразуются в белые карлики, которые затем миллионы лет остывают, превращаясь в холодные тела с очень большой плотностью В звёздах с массой, превышающей солнечную чуть более чем в 3 раза, после выгорания гелия температура в центре достигнет 3 млрд. градусов и начнёт выгорать углерод, накопившийся в центре как более тяжёлый элемент по сравнению с гелием. В дальнейшем в звезде будут накапливаться неон, магний, кремний, фосфор, сера и никель. Все эти элементы будут расположены слоями согласно их плотности и станут участвовать в ядерных реакциях. Именно так в звёздных «термоядерных печках» образовались упомянутые элементы во Вселенной. В конце концов, в центре звезды накапливается железо, и термоядерные реакции прекращаются, т.к. железо «не горит». Все остальные элементы дальше к периферии продолжают участвовать в термоядерном синтезе, и звезда выгорает, в ней образуется пустота. В какой-то момент времени давление изнутри, вследствие затухания термоядерных реакций, становится меньше внешнего гравитационного сжатия, и звезда коллапсирует. Создаётся колоссальное давление, внешняя оболочка ударяется о ядро, и вещество бывшей звезды разбрасывается в космосе. Это явление мы называем взрывом сверхновой. Все последующие после железа элементы таблицы Менделеева образуются в результате взрыва сверхновых из-за чрезвычайно высоких давлений в коллапсирующих звёздах. От таких звёзд остаются нейтронные звёзды размером в поперечника 15-30 км, состоящие из нейтронов и других частиц. Звёзды, масса которых существенно превышает массу Солнца (примерно в 10 раз), могут на определённом этапе своего развития коллапсировать с образованием «чёрной дыры». Это происходит следующим образом. По мере расходования энергетического материала звезда превращается в красного гиганта. И если до этого термоядерные реакции создавали внутри звезды высокое давление, уравновешивающее силу гравитационного сжатия, то после выгорания ядерного топлива внутри звезды внешние силы уже ничем не уравновешиваются и она коллапсирует. На месте звезды образуется «чёрная дыра», где мощнейшие силы гравитации настолько изменяют геометрию пространства, что фотоны не могут покинуть эту область, и потому информации о дальнейшем поведении «чёрной дыры» мы получить не в силах.

Эволюционные и революционные периоды развития естествознания

В истории естествознания четко выделяются эволюционные и революционные периоды развития. К великим научным революциям можно причислить коперниканскую революцию, ньютонианскую революцию, дарвиновскую революцию, революцию в естествознании на рубеже XIX--XX вв. и др. Революции в естествознании связаны с изменениями способа познания. Научная революция -- это закономерный и периодически повторяющийся в истории науки процесс качественного перехода от одного способа познания к другому. В ходе научной революции происходит, выделение качественно нового типа объектов, резкое изменение системы методологических установок познания, идеалов познания, критериев оценки результатов познания, имеет место критика старых и утверждение новых ценностей познания. Научная революция имеет свою структуру, основные этапы развития. Первый этап научной революции -- формирование непосредственных предпосылок нового способа познания в недрах старого. Проблемная ситуация развивается от осознания потребности в новом способе познания до формирования идеи о содержании его основания. Второй этап научной революции нацелен на непосредственное развитие оснований нового способа познания. Он начинается с выдвижения идеи, продолжается ее развитием вплоть до формулирования принципов фундаментальной теории и завершается выработкой методологических установок познания. Третий этап научной революции -- утверждение качественно нового способа познания. В реальной практике научного познания на данном этапе осуществляются проверка, применение, подтверждение новой фундаментальной теории, уточнение ее соответствия предшествующему теоретическому знанию и данным нового эмпирического базиса, а также новым методологическим установкам познания. Этапом утверждения оснований нового способа познания, превращения его в устойчивую стабильную делостность завершается период научной революции и начинается период эволюционного развития науки. На эволюционном этапе своего развития наука опирается на сложившийся в ходе научной революции новый способ познания, основания которого принимаются учеными уже без существенной критики как новый, мощный и действенный инструмент познания.

Принцип неопределённости. Понятие физического вакуума

Принцип неопределённости - фундаментальное положение квантовой теории, утверждающее, что физические величины, характеризующие физическую систему, не могут одновременно принимать точнее значения, одни величины будут более точным, чем другие. Этот принцип отражает двойственную, корпускулярно0волновую природу части материи.

Основные виды неопределённости:

Неопределённость, связанная со статистическим характером объективных законов природы. Она неустранима.

Неопределённость, являющаяся следствием недостаточно полной информативности. Может быть устранена или снижена путём расширения объёма информации.

В. Гейзенберг, анализируя возможность измерения координаты и импульса электрона, пришёл к заключению, что в квантовой механике существуют ограничения в возможности одновременного точного определения координаты частицы и величины её импульса, что связано с корпускулярно-волновой двойственностью свойств микрочастиц. Это утверждение получило название «принцип неопределённости Гейзенберга», т.е. если что то известно с большей вероятностью, то другое соответственно с меньшей. Его иногда называют соотношением неопределённостей. Из соотношения неопределённостей следует, что чем больше точность определения координаты частицы, тем меньше точность одновременного определения её скорости и наоборот. Соотношение неопределённостей проявляется только ввиду малого объёма их массы. Соотношение неопределённостей указывает, в какой мере в данном конкретном случае в данной системе можно пользоваться понятиями классической механики. Вакуумом называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой  вакуума служит абсолютное давление.

Основные этапы развития естествознания

Естествознание древнего мира, «натурфилософия», - на этой стадии сформировались общие представления об окружающем мире, как о чем-то целом. Отличительной чертой этой стадии являлось господство методов наблюдения, догадок. Мир состоит из простейших начал («стихий»), к которым чаще всего относили огонь, воздух, воду и землю. Для этого периода характерно возникновение и становление геоцентрической системы мира (Аристотель и Птолемей). Считается, что наука зародилась в Древней Греции на основе работ Аристотеля. «Аналитическая» стадия или стадия «классического естествознания» (XV-XVI в.в. н.э) Для нее характерно глубокое исследование отдельных явлений, активное использование эксперимента. На этой стадии произошло выделение отдельных точных наук - физика, химия, биология, география, геология и др. К отличительным особенностям аналитической стадии относятся:

Тенденция к непрерывной дифференциации наук;

Преобладание эмпирических знаний над теоретическими;

Опережающее, преимущественное исследование предметов Природы по отношению к изучению процессов;

Классическое естествознание заговорило языком математики;

Однако, Природа рассматривалась неизменной, вне эволюции.

У истоков современной науки стояли классики естествознания - Н.Коперник, Г.Галилей, И.Кеплер, Г.Декарт, И.Ньютон. Исходным пунктом этой стадии считается переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической. Доминирующей наукой этого периода стала классическая механика, утвердившая механическую картину мира; И. Ньютон сформулировал три основных закона движения и закон всемирного тяготения.

Четвертый этап - «интегрально-дифференциальная стадия» (конец XIX - середина ХХ в.в.); она характеризуется:

1. Обоснованием принципиальной целостности всего естествознания;

2. Усилением дифференциации наук и резким возрастанием объема эмпирических исследований;

3. Взаимным проникновением идей и методов различных наук; появлением «синтетических наук»;

4. Созданием универсальных теорий, выводящих все разнообразие природных явлений из одного или нескольких общетеоретических принципов, например, А.Эйнштейн «Общая теория относительности для непрерывного макромира». Наиболее значимые теории, составившие основу нового научного знания - это теории относительности и квантовая механика. Первая - новая общая теория пространства, времени и тяготения; вторая - обнаружила вероятностный характер законов микромира и корпускулярно-волновой дуализм материи. Пятый этап  (60 - 70 г.г. XX в. и по настоящее время). Человечество вступило в век сплошной информатизации, отличающийся ускоренными темпами развития и внедрения во все сферы народно-хозяйственной и социально-политической деятельности общества таких катализаторов прогресса, как ЭВМ, персональные компьютеры, лазерная техника и спутниковая связь. Информация предполагает в первую очередь повышение производительности труда, во-вторых, развитие научных исследований, повышение грамотности и уровня жизни населения; в-третьих, вступление в новую социально-экономическую формацию - информационно-сотовое общество. Проблемы, которые решает современное естествознание, можно условно разделить на три группы - «триады» - материя + энергия + информация.

Квантовая механика и строение атома

Квантовая механика - это теория, которая устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и их системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Модель атом Томсона. (1897) Атом имеет форму шара. По всему объему атома с постоянной плотностью распределен положительный заряд. Внутри (как изюм в кексе) расположены электроны. В целом атом электрически нейтрален. Когда электроны колеблются относительно центра сферы, атом излучает свет. Модель атома Резерфорда.(1906) Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой ядро находится в центре атома, а электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца. Заряды электронов уравновешиваются положительным зарядом ядра, и атом в целом остается электро-нейтральным.  Возникающая вследствие вращения электронов центробежная сила уравновешивается электростатическим притяжением электронов к противоположно заряженному ядру.

Зарождение науки в древней Греции. Донаучный период развития естествознания

Донаучный этап (до XV века). Для древнего человека окружающий мир ограничивался горизонтом конкретно-чувственного восприятия. Архаическое мышление было преимущественно "правополушарным". Наиболее полно умозрительное, недетализированное истолкование природы как целостности отражала древнегреческая натурфилософия. Её познавательные принципы: уподобление большого - малому, тождественность микро- и макромиров, выведение свойств предмета из свойств его частей. Человек - часть Вселенной (микрокосм). Главные методы: наблюдения, гипотезы, логические рассуждения. В VIII - XIV веках натурфилософия дала начало собственно науке - специфической сфере интеллектуальной человеческой деятельности.

Корпускулярно-волновой дуализм

Основы корпускулярной концепции описания природы были заложены ещё в VI-VII вв. до н.э. философами и учёными Древней Греции и Древнего Рима, которых назвали атомистами. Эти учёные выдвинули идею об атомистическом строении вещества, согласно которой всякое вещество в природе (материя) состоит из очень маленьких неделимых частиц, называемых атомами. И в более поздних трудах И. Ньютона отмечалось, что весь мир состоит из «твёрдых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц». На этой идее и базируется корпускулярная теория. Корпускулярная теория - используется при описании и исследовании таких материальных систем, как элементарные частицы и поля, атомы молекулы и т.д. Корпускулярная концепция применялась при описании света. Гораздо большая область применения у континуальной (кропускулярно-волновой) теории.

Согласно этой теории, многие природные явления имеют непрерывный, повторяющийся характер. К таким явлениям относятся волны: звуковые, световые и многие другие. По физической природе различают механические, электромагнитные, электромеханические, химические, термодинамические колебания (волны).

Корпускулярно-волновой дуализм - для описания сложных явлений и объектов целесообразно использовать как корпускулярные, так и волновые концепции. Например, при изучении света используются обе теории, ведь свет - одновременно и непрерывные электромагнитные волны, и дискретные частицы - фотоны.

Развитие представлений о движении

Движение (в широком плане) понимается как всякое изменение вообще. Представления о движении исторически развивались.  В античной натурфилософии сложилась идея безостановочной изменчивости вещей (Гераклит).  Аристотель рассматривал движение как атрибут материи и указывал на разнообразие форм движения. В классической механике признавалась единственная форма движения механическое движение.  Механическое движение описывалось с помощью координат, скорости и траектории. 

В Электромагнитной картине мира движение рассматривалось не только как перемещение электрических зарядов, но и как изменение поля (распространение волн).  Здесь уже исследуется химическая форма движения и биологическая форма движения.  В химии это третий концептуальный уровень и четвертый концептуальный уровень (эволюционная химия).  В современной научной картине мира универсальной формой движения рассматривается эволюция

Динамические законы Ньютона

Первый закон Ньютона: всякая материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит её изменить это состояние. Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью или инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют также законом инерции. Этот закон устанавливает связь между массой тела, силой и ускорением. Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой, пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки. Второй закон справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон можно получить из второго. Устанавливает связь между силой действия и силой противодействия. Третий закон Ньютона: всякое действие материальных точек друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, равны по модулю, противоположно направлены и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки. В качестве IV закона выступает закон всемирного тяготения. Два любых тела притягиваются друг к другу с силой пропорциональной массе сил и обратно пропорциональной квадрату расстояния между центрами тел.

Принцип универсального эволюционизма

Все существует в развитии. Развитие - это есть чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений. Законы природы по существу есть принципы отбора допустимых состояний их всех мыслимых. Случайность и неопределенность играет фундаментальную и неустранимую роль. Пути выхода из точки бифуркации непредсказуемы (прошлое влияет на будущее, но не предопределяет его). Природные системы являются устойчивыми и надежными в результате их постоянного обновления. Эволюция - это процесс длительных постепенных изменений, который в конечном итоге приводит к изменениям коренным, качественным.  Эволюционизм-- система взглядов в науке, подразумевающая всеобщее постепенное и закономерное развитие.  Идеи эволюционизма определили научную программу современности, которую называют универсальный эволюционизм. Его основные принципы таковы:

1.Все существует в развитии.

2.Развитие - это есть чередование медленных количественных и быстрых качественных изменений.

3. Законы природы по существу есть принципы отбора допустимых состояний их всех мыслимых.

4. Случайность и неопределенность играет фундаментальную и неустранимую роль.

5. Пути выхода из точки бифуркации непредсказуемы (прошлое влияет на будущее, но не предопределяет его).  Бифуркация -- разветвление в траектории движения.

6. Природные системы являются устойчивыми и надежными в результате их постоянного обновления.

Мир эволюционирует во всех смыслах.

Закон всемирного тяготения, Понятие гравитационного поля

Два любых тела притягиваются друг к другу с силой пропорциональной массе сил и обратно пропорциональной квадрату расстояния между центрами тел. Гравитационное поле - поле физическое, создаваемое любыми физическими объектами. К гравитационному полю можно также применить понятие силовых линий, где по их густоте  судят  о  величинах  действующих  сил.

Структурнее уровни организации материи. Микро- макро- и мегамиры

Микромир -- мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^-16 см. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы. Макромир -- мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах. В практической действительности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности. Мегамир -- мир объектов космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления. Структура микромира.

В результате научных открытий были опровергнуты традиционные представления классической физики об атомной структуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статуса структурно неделимого элемента материи..Новые открытия позволили:

1)  выявить существование в объективной реальности не только макро-, но и микромира;

2)  подтвердить представление об относительности истины, являющейся только ступенькой на пути познания фундаментальных свойств природы;

3)  доказать, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей.

Структура макромира. Центральным понятием макромира является понятие вещества- вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами -- удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий. Структура мегамира. Основными структурными элементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.

Численное решение уравнений движения. Детерминизм

Изложенная теория Ньютона закрепилась под названием механическая картина мира. Сформулированная им теория основывалась на трёх законах:

Закон инерции

Закон ускоренного движения

Закон действия и противодействия

Основные принципы теории могут быть изложены в следующем виде:

Время при механическом движении обратимо

Все механические процессы жёстко детерминированы

Пространство и время никак не связаны с движением тел, друг с другом и имеют абсолютный характер

Закономерности других форм движения могут быть сведены к механической форме движения

Связь между материальными объектами, имеющими массу, осуществляется мгновенно

Исааком Ньютоном был открыт и математически сформулирован ещё один закон - закон всемирного тяготения. Он оказался универсальным. Согласно закону, сила взаимодействия между двумя телами прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Все движения можно разделить на неускоренные и ускоренные. Неускоренные (равномерные и прямолинейные) описывают движение свободных невесомых тел в негравитационном пространстве в инерциальной системе отсчета. Гравитация всегда связана с ускоренными движениями. Поэтому представляет интерес рассмотреть общую теорию ускоренных движений.

Этот тип ускоренного движения назовем ньютоновским, так как он соответствует второму закону механики Ньютона. Ньютоновский тип ускоренного движения является весомостным. Объект ньютоновского ускоренного движения является весомым.

Уравнение ускоренного движения в общем можно записать в виде:

Назовем этот тип движения «даламберовским», так как именно Даламбер первым предпринял попытку описать движение тел в неинерциальной системе отсчета еще в середине XVIII века. Пространство, в котором можно ввести инерциальную систему отсчета, назовем галилеевым. А функционал назовем весомостно-галиеевым функционалом. Но рассмотренные два первых движения являются ключевыми в кинематике. В микро, макро и мегамеханики рассматривается два источника ускоренного движения. Это электромагнитные воздействия и гравитационные влияния.

Легко видеть, что электромагнитные воздействия характеризуются первым типом движений - ньютоновским типом движения. Электромагнитные воздействия сводятся к силам и создают весомостные движения. Наглядные примеры ньютоновских макродвижений - реактивное движение и движение под действием сил упругости, имеющие в своей основе электромагнетизм. А каков же тип движения гравитационный. Ньютон предположил, что и это движение является движением ньютоновского типа. Аналогично тому, как центростремительная сила веревки, приложенной к камню, вращает камень, так и некая центростремительная сила, которую он назвал силой всемирного тяготения, исходящая от Солнца и приложенная к планетам, вращает планеты вокруг Солнца в коперникианской модели Солнечной системы.

Самоорганизация как общая закономерность развития мира

Самоорганизация как общая закономерность развития мира. В определенной части своего смысла синергетика и такие понятия как самоорганизация, саморазвитие и эволюция имеют общность, которая позволяет указать их все в качестве результатов синергетического процесса. В особенности самоорганизация устойчиво ассоциируются сегодня с синергетикой. Однако такие ассоциации имеют двоякое значение. С одной стороны, эффект самоорганизации является существенным, но, тем не менее, одним из компонентов, характеризующих синергетику, с другой -- именно этот компонент придает выделенный смысл всему понятию синергетики и, как правило, является наиболее существенным и представляющим наибольший интерес. Синергетика -- научное направление, изучающее процессы образования и массовых взаимодействий объектов:

1) происходящие в открытых системах в неравновесных условиях;

2) сопровождающиеся интенсивным обменом веществом и энергией подсистем с системой и системы с окружающей средой;

3) характеризуемые самопроизвольностью поведения объектов, сочетающейся с их взаимосодействием и

4) имеющие результатом упорядочение, самоорганизацию, уменьшение энтропии, также эволюцию систем.

Синергетическая концепция самоорганизации. Объектами исследования являются открытые системы в неравновесном состоянии, характеризуемые интенсивным обменом веществом и энергией между подсистемами и между системой с ее окружением. Среда -- совокупность составляющих ее объектов, находящихся в динамике. Взаимодействие исследуемых объектов в среде характеризуется как близкодействие -- контактное взаимодействие. Среда объектов может быть реализована в физической, биологической и другой среде более низкого уровня, характеризуемой как газоподобная, однородная или сплошная. Различаются процессы организации, и самоорганизации Общим признаком для них является возрастание порядка вследствие протекания процессов, противоположных установлению термодинамического равновесия независимо взаимодействующих элементов среды. Результатом самоорганизации становится возникновение, взаимодействие, также взаимосодействие и регенерация динамических объектов более сложных в информационном смысле, чем элементы среды, из которых они возникают. Система и ее составляющие являются существенно динамическими образованиями. Направленность процессов самоорганизации обусловлена внутренними свойствами объектов в их индивидуальном и коллективном проявлении, а также воздействиями со стороны среды, в которую ''погружена'' система. Поведение элементов и системы в целом, существенным образом характеризуется спонтанностью -- акты поведения не являются строго детерминированными. Процессы самоорганизации происходят в среде наряду с другими процессами, в частности противоположной направленности, и могут в отдельные фазы существования системы как преобладать над последними, так и уступать им. При этом система в целом может иметь устойчивую тенденцию или претерпевать колебания к эволюции либо деградации и распаду. Самоорганизация может иметь в своей основе процесс преобразования или распада структуры, возникшей ранее в результате процесса организации.

Строение Солнечной системы. Солнечно-Земные связи

Вселенная -- это весь окружающий нас мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает вечно движущаяся материя. По мнению ученых, образовалась Вселенная в результате «Большого Взрыва» 17 млрд лет назад. Она состоит из скоплений звезд, планет, космической пыли и других космических тел. Эти тела образуют системы: планеты со спутниками, галактики, метагалактики.

Галактика -- обширная звездная система, которая состоит из множества звезд, звездных скоплений и ассоциаций, газовых и пылевых туманностей, а также отдельных атомов и частиц, рассеянных в межзвездном пространстве. Во Вселенной существует множество галактик различного размера и формы. Все звезды, видимые с Земли, входят в состав галактики Млечный Путь. Всего же Галактика Млечный Путь содержит около 100 млрд звезд. Наша галактика находится в постоянном вращении. Небесная сфера -- это воображаемая сфера сколь угодно большого радиуса, в центре которой находится наблюдатель. На небесную сферу проецируются звезды, Солнце, Луна, планеты.

Важнейшими линиями на небесной сфере являются: отвесная линия, зенит, надир, небесный экватор, эклиптика, небесный меридиан и др. Отвесная линия -- прямая, проходящая через центр небесной сферы и совпадающая с направлением нити отвеса в месте наблюдения. Для наблюдателя, находящегося на поверхности Земли, отвесная линия проходит через центр Земли и точку наблюдения. Большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна к отвесной линии, называется математическим горизонтом. Он делит поверхность небесной сферы на две половины: видимую для наблюдателя, с вершиной в зените, и невидимую, с вершиной в надире. Диаметр, вокруг которого происходит вращение небесной сферы, - ось мира. Она пересекается с поверхностью небесной сферы в двух точках - северном полюсе мира и южном полюсе мира.  Большой круг небесной сферы, плоскость которого перпендикулярна оси мира, носит название небесного экватора. Он делит поверхность небесной сферы на два полушария: северное, с вершиной в северном полюсе мира, и южное, с вершиной в южном полюсе мира. Большой круг небесной сферы, плоскость которого проходит через отвесную линию и ось мира, -- небесный меридиан. Он делит поверхность небесной сферы на два полушария - восточное и западное. Линия пересечения плоскости небесного меридиана и плоскости математического горизонта - полуденная линия. Эклиптика -- большой круг небесной сферы, по которому происходит видимое годичное движение Солнца, точнее -- его центра. Солнечно - Земные Связи (Физический аспект). Земля получает от Солнца не только свет и тепло, обеспечивающие необходимый уровень освещённости и среднюю температуру её поверхности, но и подвергается комбинированному воздействию ультрафиолетового и рентгеновского излучения, солнечного ветра, солнечных космических лучей. Вариации мощности этих факторов при изменении уровня солнечной активности вызывают цепочку взаимосвязанных явлений в межпланетном пространстве, в ионосфере, нейтральной атмосфере, биосфере, гидросфере и, возможно, литосфере Земли. Изучение этих явлений и составляет суть проблемы Солнечно-Земных связей. Строго говоря, Земля оказывает некоторое обратное воздействие на Солнце, однако оно ничтожно мало, так что обычно рассматривают только воздействие солнечной активности на Землю. Это воздействие сводится либо к переносу от Солнца к Земле энергии, выделяющейся в нестационарных процессах на Солнце, либо к перераспределению уже накопленной энергии в магнитосфере, ионосфере и нейтральной атмосфере Земли. Перераспределение энергии может происходить либо плавно, либо скачкообразно. Представления о Солнечно-Земных связях складывались постепенно, на основе отдельных догадок и открытий. Так, в конце XIX в. К. О. Биркелан впервые высказал предположение, что Солнце кроме волнового излучения испускает также и частицы. В 1915 г. А. Л. Чижевский обратил внимание на циклическую связь между развитием некоторых эпидемий и пятнообразовательной деятельностью Солнца. Последовательность событий в системе Солнце-Земля можно проследить, наблюдая цепочку явлений, сопровождающих мощную вспышку на Солнце - высшее проявление солнечной активности. Последствия вспышки начинают сказываться в околоземном пространстве почти одновременно с событиями на Солнце. В частности, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение вызывает дополнительную ионизацию верхней атмосферы, что приводит к ухудшению или даже полному прекращению радиосвязи на освещённой стороне Земли. Обычно мощная вспышка сопровождается испусканием большого количества ускоренных частиц - солнечных космических лучей. Вторжение СКЛ в ионосферу полярных широт вызывает дополнительную ионизацию и, соответственно, ухудшение радиосвязи на коротких волнах. Имеются данные о том, что СКЛ в значительной мере способствуют опустошению озонного слоя Земли. Усиленные потоки СКЛ представляют собой также один из главных источников радиационной опасности для экипажей и оборудования космических кораблей. Вспышка генерирует мощную ударную волну и выбрасывает в межпланетное пространство облако плазмы. Ударная волна и облако плазмы за 1.5-2 суток достигают Земли и вызывают магнитную бурю, понижение интенсивности галактических космических лучей, усиление полярных сияний, возмущения ионосферы и так далее. Имеются статистические данные о том, что через 2-4 суток после магнитной бури происходит заметная перестройка барического поля тропосферы. Это приводит к увеличению нестабильности атмосферы, нарушению характера циркуляции воздуха. Мировые магнитные бури представляют собой крайнюю степень возмущённости магнитосферы в целом. Большую роль в геомагнитных возмущениях играет межпланетное магнитное поле, особенно его южный компонент, перпендикулярный плоскости эклиптики. Со сменой знака радиального компонента межпланетного магнитного поля связаны асимметрия потоков СКЛ, вторгающихся в полярные области, изменение направления конвекции магнитосферной плазмы и ряд других явлений. Статистически установлена связь между уровнями солнечной и геомагнитной возмущённости и ходом ряда процессов в биосфере Земли.

Порядок и беспорядок в природе

Все материальные объекты во Вселенной подчиняются каким-либо законам. Такое положение вещей определяет порядок в природе, но невозможно свести всё только к закономерностям. Например, чувства, счастье, ревность и др. - невозможно адекватно описать с помощью законов физики, химии и математики. В мире много иррационального и неподвластного логике. Развитие науки показало, что в окружающем нас мире порядок и хаос неотделимы друг от друга. Наиболее беспорядочным и хаотичным является тепловое движение материи, при этом с понижением температуры порядок возрастает, и наоборот.

Звёздное небо - на первый взгляд образец хаоса: стоит поднять голову вверх ясной ночью, как увидишь великолепную россыпь звёзд, хаотически разбросанных во Вселенной. Но вместе с тем все мы знаем о структуре планетных систем, Солнечной системе, орбите движения планет и звёзд, невесомости, планетах-спутниках и прочих свидетельствах упорядоченности Вселенной. Воздействие на Землю таких природных факторов, как ветер, вода, солнечный свет, тоже несёт в себе и порядок, и хаос. С одной стороны их влияние и движение может проявляться стихийно, носить беспорядочный характер, с другой стороны, эти явления природы подчиняются законами химии, физики, экологии. Хаос и порядок присутствуют одновременно во всех предметах и явлениях природы.

Самоорганизация сложных систем

Синергетика - теория самоорганизации. Она возникла на основе современных глобальных тенденций объединении всех естественнонаучных дисциплин и занимается исследованием движущихся сил эволюции природы, вопросами самоорганизации сложных систем. Иллюстрацией процессов самоорганизации может быть представлена работа лазера, с помощью которого можно получить мощное световое излучение. При подаче энергии извне хаотические колебания его частиц становятся согласованными, в результате чего мощность излучения многократно усиливается, т.е. в данном случае возникают кооперативные процессы и происходит самоорганизация системы. Это направление по исследованию самоорганизации в лазере Герман Хакен назвал синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает совместное действие. Синергетика как новое направление возникла во второй половине двадцатого века. Она исходит из следующих основных положений:

Процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции, равноправны;

Процессы созидания имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются.

Объектами самоорганизации могут быть системы, отвечающие следующим требованиям:

Они должны быть открытыми, т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой;

Неравновесными, т.е. находиться далеко от термодинамического равновесия.

Изолированные системы в классической термодинамике - некоторая идеализация, таких систем, видимо, не существует.

Принцип относительности Галилея

Принцип инерции Галилея выделяет определенный класс систем отсчета, которые называют инерциальными. Инерциальными являются системы отсчета, в которых выполняется принцип инерции. Общепринятая формулировка первого закона Ньютона такова: "Существуют системы отсчета, относительно которых всякое тело сохраняет состояние своего движения, пока действие всех тел и полей на него компенсировано". Если мы имеем хотя бы одну такую инерциальную систему отсчета, то всякая другая система отсчета, которая движется относительно первой равномерно и прямолинейно, также является инерциальной. Все другие системы отсчета называются неинерциальными. Оговоримся, прежде всего, что под системой отсчета понимается тело отсчета, относительно которого рассматривается движение, связанная с телом отсчета система координат и заданный способ определения времени. Тот факт, что ускорения тел относительно обеих инерциальных систем отсчета одинаковы, позволяет сделать вывод о том, что законы механики, определяющие причинно-следственные связи движения тел, одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. И это составляет суть принципа относительности Галилея: "Во всех инерциальных системах отсчета все физические явления происходят одинаково". Рассмотрим теперь неинерциальные системы отсчета. Система отсчета, которая движется относительно инерциальной системы отсчета с ускорением, является неинерциальной. Как следует из принципа относительности Галилея, никакими опытами, проведенными в инерциальной системе отсчета, невозможно установить, покоится ли она или движется равномерно или прямолинейно, то есть движение инерциальной системы отсчета не влияет на ход протекающих в ней физических процессов. В неинерциальных системах отсчета это не так: всякое ускорение системы сказывается на происходящих в ней явлениях. Таким образом, на неинерциальные системы отсчета принцип относительности Галилея не распространяется, и законы Ньютона в них не выполняются.