Следует отметить, что микромир нельзя рассматривать как некий уменьшенный масштаб макропроцессов, т.к. явления микромира подчиняются другим закономерностям и изменяются на основе иных принципов.

Макромир характеризуется, прежде всего, огромными массами и относительно малыми скоростями движения, в микромире малые массы, но высокие скорости движения. Для макромира характерны большие расстояния вплоть до бесконечности, а взаимодействие в микромире имеют размеры сопоставимые с размером ядер. Время, в макромире порядок времени, единицы измерения известны, но в микромире мы имеем дело с планковскоми временами, которые очень малы, коротки. Когда рассматривают здесь времена надо рассматривать с позиции квантовой механики.

Метрическая система - десятичная система мер и весов, возникшая во Франции. Основной единицей этой системы является метр, приблизительно равный одной десятимиллионной части расстояния по меридиану от экватора до полюса, или около 39,37 дюйма.

Масштабы за пределом размера атома уже недоступны непосредственному измерению. То есть так, как здесь, метр приложить мы не можем, это уже какие-то косвенные измерения в рамках некоторых теоретических предположений. То есть мы предполагаем какую-то структуру пространства-времени на этих расстояниях, и вот потом, используя эти теоретические представления, мы энергию или передачу импульса переводим в расстояние.

И вот когда мы говорим о том, что достигаем какого-то расстояния, фактически реально это означает, что мы наблюдаем процесс с какой-то передачей импульса. И процесс с такой передачей импульса, по нашим теоретическим представлениям, отвечает тому, что мы достигаем каких-то расстояний. Так вот, после примерно 10 в минус 8-й, вся информация о пространстве-времени - это уже косвенная информация, мы ничего там непосредственно глазом или микроскопом увидеть не можем. Метрическая система - это общее название международной десятичной системы единиц, основными единицами которой являются метр и килограмм. При некоторых различиях в деталях элементы системы одинаковы во всем мире.

На больших расстояниях, когда величиной R_g / R можно пренебречь по сравнению с единицей, выражение для интервала переходит в интервал СТО, записанный в сферической системе координат, а именно

dS ² = c²dt ² - dR² - R²(dq ² + sin² q dj ² );(1)

Метрика Шварцшильда описывает в хорошем согласии с экспериментом три известных эффекта: смещение перигелия орбиты планеты, отклонение луча света Солнцем и гравитационное красное смещение спектральных линий. Однако теперь мы видим, что в малых (планковских) масштабах интервал (1) неизбежно должен иметь вид

dS ² = (1 - 2l²_пл / R²) c²dt ² - dR² / (1 - 2l²_пл / R²) - R ²(dq ² + sin² q dj ² );….(2)

Из (2) видно, что даже в микромире вплоть до расстояний 10 ^-30 см мы с большой точностью все еще можем пользоваться интервалом (1), т.е. вплоть до этих расстояний справедливы соотношения специальной теории относительности.

Для измерения макроскопических расстояний в настоящее время используется эталон метра, равный расстоянию, которое проходит луч света в вакууме за 1/299792458-ую долю секунды. Cледует отметить, что таким образом эталон метра привязан к эталону секунды. Такой стандарт, однако, непригоден в микромире, когда речь идет об измерении атомных расстояний: просто длина волны видимого света слишком велика для таких измерений. Поэтому здесь требуется иной эталон: не противоречащий, разумеется, основному определению метра, но удобный для практического измерения расстояний порядка межатомных.

Сейчас таким «опорным расстоянием» является постоянная кристаллической решетки (т.е., в данном случае - расстояние между ближайшими атомами в решетке) чистого кремния, которая равна a = 5,43102088х10^-10 м с точностью 0,03 ррm. Все бы хорошо, но только этот стандарт крайне трудно воспроизвести в лаборатории. В самом деле, во-первых, расстояние между атомами в решетке зависит от температуры и давления. В частности, это значение a отвечает температуре 22,500 °C (295,650 K), стабильной в пределах < 1 mK. Кроме того, для создания этого эталона необходим сверхчистый кремний: любые примеси и неоднородности будут искажать кристаллическую решетку вокруг себя. Именно поэтому продолжаются попытки найти иной эталон для измерения атомных расстояний, имеющий точность, сравнимую с «кремниевым» стандартом, и вдобавок не столь требовательный к внешним условиям.

Природа жидкости по Архимеду такова, «что из ее частиц, расположенных на одинаковом уровне и прилегающих друг к другу, менее сдавленные выталкиваются более сдавленными, и что каждая из ее частиц сдавливается жидкостью, находящейся над ней, по отвесу». Это определение позволяет Архимеду сформулировать основное положение: «Поверхность всякой жидкости, установившейся неподвижно, будет иметь форму шара, центр которого совпадает с центром Земли».

Таким образом, Архимед считает Землю шаром и поверхность тяжелой жидкости, находящейся в равновесии в поле тяжести Земли, сферической. Он доказывает далее, что тела одинакового удельного веса с жидкостью (он называет их «равнотяжелыми с жидкостью») погружаются настолько, что их поверхность совпадает с поверхностью жидкости. Более легкое тело погружается настолько, что объем жидкости, соответствующий погруженной части тела, имеет вес, равный весу всего тела. Путем логических рассуждений Архимед приходит к предположениям, содержащим формулировку его закона:

«Тела более легкие, чем жидкость, опущенные в эту жидкость насильственно, будут выталкиваться вверх с силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный объем с телом, будет тяжелее этого тела».

3. Дайте представление о модели гармонического осциллятора и использовании этой модели. Что такое «когерентность», «резонанс», «поляризация»?

Гармоническим осциллятором называется система, способная совершать гармонические колебания. В физике модель гармонического осциллятора играет важную роль, особенно при исследовании малых колебаний систем около положения устойчивого равновесия. Примером таких колебаний в квантовой механике являются колебания атомов в твердых телах, молекулах и т.д.

Важным отличием осциллятора является то, что движение частицы не ограничено какой-либо непроницаемой стенкой. Поэтому у осциллятора нет граничных условий, подобных граничным условиям потенциальной ямы. Единственным требованием, которое налагается на волновую функцию осциллятора, является требование её квадратичной интегрируемости.

Когерентность (от лат. cohaerens - находящийся в связи) - согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов. Если разность фаз 2 колебаний остается постоянной во времени или меняется по строго определенному закону, то колебания называются когерентными. Колебания, у которых разность фаз изменяется беспорядочно и быстро по сравнению с их периодом, называются некогерентными.

Резонанс - (от франц. resonance, от лат. resono - откликаюсь), резкое возрастание амплитуды установившихся вынужденных колебаний при приближении частоты внешнего гармонического воздействия к частоте одного из собственных колебаний системы.

Поляризация - это ориентированность колебаний световой волны в пространстве. Эти колебания перпендикулярны направлению движения луча света. Элементарная световая частица (квант света) представляет собой волну, которую можно сравнить для наглядности с волной, которая побежит по канату, если, закрепив один его конец, другой встряхнуть рукой. Направление колебаний каната может быть различным, смотря по тому, в каком направлении встряхивать канат. Точно так же и направление колебаний волны кванта может быть разным. Пучок света состоит из множества квантов. Если их колебания различны, такой свет не поляризован, если же все кванты имеют абсолютно одинаковую ориентацию, свет называют полностью поляризованным. Степень поляризации может быть различной в зависимости от того, какая доля квантов в нем обладает одинаковой ориентацией колебаний Мурахвери В. Поляризованный свет в природе. М.: Знание, 1971. С. 199..

4. В чем суть законов Кеплера? Поясните их связь с законом всемирного тяготения. Насколько применима модель, принятая Ньютоном? Что такое «лапласовский детерминизм»?

Первый закон Кеплера. Орбита каждой планеты есть эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце.

Второй закон Кеплера. Радиус-вектор планет за равные промежутки времени описывают равные площади.

Третий закон Кеплера. Квадраты периодов обращения двух планет относятся как кубы больших полуосей их орбит.

Законы Кеплера применимы не только к движению планет, но и к движению их естественных и искусственных спутников Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1998. С. 32..

Представления о незыблемости научных законов, о неограниченности их линейной экстраполяции в пространстве и во времени сохраняют статус признаков научности. Между тем их неявным основанием является концепция лапласовского детерминизма, применимая благодаря линейности математических уравнений, что связано с идеализирующими допущениями о неизменности исследуемых объектов и условий их существования. Связь между такими идеализирующими допущениями и методологическими принципами становится очевидна лишь в свете дальнейшего развития науки, но ее осознание требует дополнительных методологических усилий.

Идеал лапласовского детерминизма вдохновлял творцов теорий скрытых параметров десятилетия после создания квантовой механики и разработки концепции вероятностной причинности вплоть до осуществленного в самое последнее время экспериментального доказательства полноты квантовой механики.

Кеплеровские законы были уточнены и объяснены на основе закона всемирного тяготения Исааком Ньютоном. Закон же всемирного тяготения гласит:

Сила F взаимного притяжения между материальными точками массами m1 и m2, находящиеся на расстоянии r друг от друга, равна: F=Gm1m2/r^2, где G - гравитационная постоянная. Закон открыт Ньютоном также в XVII веке (понятно, что на основе законов Кеплера).

Таким образом в формулировке Ньютона законы Кеплера звучат так:

первый закон: под действием силы тяготения одно небесное тело может двигаться по отношению к другому по окружности, эллипсу, параболе и гиперболе. Надо сказать, что он справедлив для всех тел, между которыми действует взаимное притяжение.

формулирование второго закона Кеплера не дана, так как в этом не было необходимости.

третий закон Кеплера сформулирован Ньютоном так: квадраты сидерических периодов планет, умноженные на сумму масс Солнца и планеты, относятся как кубы больших полуосей орбит планет.

5. В каких единицах измеряются энергия, работа и мощность? Как эти величины связаны между собой и что они характеризуют? Что такое механический эквивалент теплоты? Какие виды энергии Вы знаете? В каких системах она сохраняется и как закон сохранения энергии связан со свойствами пространства-времени?

Энергия - скалярная физическая величина, являющаяся общей мерой различных форм движения материи. Иными словами энергия - это просто число, рассчитываемое по определенным правилам. И природа нашей Вселенной такова, что суммарная энергия замкнутой системы с течением времени не изменяется. Как показал Эйнштейн, полная энергия системы, имеющей массу М, равна Е=Мс², где с - скорость света в вакууме. Количество потребляемой энергии измеряется в ваттах (Вт).

Работа измеряется в Джоулях (Дж). 1 Дж- работа, совершаемая силой в 1Н на пути, равном 1 м, при условии, что направление силы и перемещения совпадают. [Дж]=[Н м].

Мощность измеряется в Ваттах (Вт). 1 Вт- мощность при совершенной работе в 1 Н за время 1 с. В кВА измеряется полная мощность, в кВт измеряется только активная мощность. Полная мощность - есть алгебраическая сумма активной и реактивной мощности.

Механический эквивалент теплоты - количество работы, энергетически эквивалентное единице количества теплоты. Механический эквивалент теплоты равен 4,1868 Дж/кал. В Международной системе единиц (СИ), в которой единицей количеств теплоты и работы является джоуль, механический эквивалент теплоты = 1.

Виды энергии.

Внутренняя энергия - это часть полной энергии системы, заключенная в самой системе веществе тел, образующих систему. Она подразделяется на несколько уровней в зависимости от характера процессов, приводящих к ее изменению.

Энергия органического топлива (нефти, природного газа, каменного угля, торфа и дерева), высвобождение которой и создало современную цивилизацию, представляет собой энергию химических связей органических молекул, запасенную в ходе процесса развития жизни на Земле за рошедшие сотни миллионов лет.

Энергия взаимодействия нуклонов (протонов и нейтронов) в ядрах атомов обусловлена сильным взаимодействием. Масса ядра всегда меньше суммы масс, входящих в него частиц. Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом.

Свойства симметрии пространства и времени подтверждают их единство. Действительно, изменение импульса, сохранение которого связано с однородностью пространства, согласно второму закону Ньютона определяется такой временной характеристикой, как импульс силы, равный произведению FхDt. С другой стороны, изменение энергии, сохранение которой связано с однородностью времени, определяется такой пространственной характеристикой, как работа А_1-2 = (F, Dr) Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000. С.37-42..

6. Как соединяются атомы в молекулы? Какие виды химической связи Вам известны, какова их энергетическая значимость? Какова роль энергии и энтропии в образовании молекул?

Если молекула состоит из одинаковых атомов (или атомов одного вида), электроотрицательность которых равна, то общие электронные пары будут находиться посередине между ядрами двух связывающихся атомов, поскольку ядра притягивают общие электронные пары с равной силой. В этом случае между атомами образуется ковалентная неполярная связь. Ковалентная неполярная связь образуется в таких молекулах как Н₂, О₂, N₂ и т.д.

Ковалентная неполярная связь образуется между атомами неметаллов с одинаковой электроотрицательностью (проще говоря, между одинаковыми атомами), общие электронные пары расположены посередине между ядрами двух атомов.

Если молекула состоит из атомов разных неметаллов, электроотрицательность которых различна, то общие электронные пары будут смещены в сторону ядра атома с большей электроотрицательностью, поскольку ядро более электроотрицательного атома сильнее притягивает общие электронные пары. В этом случае между атомами образуется ковалентная полярная связь. Молекула становится диполем - частицей с двумя полюсами: на одном конце некоторый положительный заряд, на другом - некоторый отрицательный. Ковалентная полярная связь образуется в таких молекулах как H₂O, HCl, CO₂, H₂S и т.д.

Особенностью биосистем является то, что в них практически нет обратимых процессов. Все процессы, которые в них протекают, носят необратимый характер, то есть сопровождаются увеличением энтропии. Следовательно, в биосистемах не вся затрачиваемая при данном процессе свободная энергия переходит в полезную работу. Часть ее рассеивается в виде тепла. Отношение количества совершенной работы к количеству затраченной на нее свободной энергии называется коэффициентом полезного действия биологического процесса. Так, мышечное сокращение совершается с КПД ~ 30%, гликолиз ~ 36% и т.д. Как видим, потери свободной энергии при этих процессах весьма велики. Встречаются, однако, и такие процессы, которые близки к обратимым, то есть КПД которых высок. Например, свечение некоторых тропических насекомых имеет КПД 98-99%, разряд электрических рыб - 98%. Причина такого высокоэффективного использования свободной энергии пока не совсем ясна. Таким образом, мы приходим к выводу, что, чем больше увеличение энтропии при данном процессе, тем более он необратим Рубин А.Б. Термодинамика биологических процессов. М.: Изд-во МГУ, 1984. С. 280. .

7. Опишите спектр электромагнитного излучения. Как были открыты инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи?

Весь спектр электромагнитного излучения включает в себя как рентгеновские лучи, ультрафиолетовые и видимые лучи, занимающие совсем небольшой диапазон, инфракрасный свет и волны, с которыми мы встречаемся ежедневно: ТВ, радио и электрические.

Открытие инфракрасного излучения произошло в 1800 г. Английский учёный В. Гершель обнаружил, что в полученном с помощью призмы в спектре Солнца за границей красного света (т. е. в невидимой части спектра) температура термометра повышается.

Термометр, помещённый за красной частью солнечного спектра, показал повышенную температуру по сравнению с контрольными термометрами.

Было доказано, что инфракрасное излучение подчиняется законам оптики и, следовательно, имеет ту же природу, что и видимый свет. В 1923 советский физик А. А. Глаголева-Аркадьева получила радиоволны с длиной волны приблизительно равной 80 мкм, т. е. соответствующие инфракрасному диапазону длин волн. Таким образом, экспериментально было доказано, что существует непрерывный переход от видимого излучения к инфракрасному излучению и радиоволновому и, следовательно, все они имеют электромагнитную природу.

Открытие ультрафиолетового излучения. В середине XIX века человек по имени Генрих Гейслер открыл, что когда электрический заряд под высоким напряжением проходит через вакуум в трубке, получался красивый световой эффект. Позднее сэр Уильям Крукс доказал, что причиной светового эффекта были электризованные частицы.

История открытия рентгеновских лучей начинается с того дня, когда физик Рентген прервал нормальное исследование катодных лучей, поскольку заметил, что экран, покрытый платиносинеродистым барием, на некотором расстоянии от экранирующего устройства светился во время разряда. Дальнейшее исследование (оно заняло семь изнурительных недель, в течение которых Рентген редко покидал лабораторию) показало, что причиной свечения являются прямые лучи, исходящие от катодно-лучевой трубки, что излучение дает тень, не может быть отклонено с помощью магнита и многое другое. До того как Рентген объявил о своем открытии, он пришел к убеждению, что этот эффект обусловлен не катодными лучами, а излучением, в некоторой степени напоминающим свет Войткович Г.В. Происхождение и химическая эволюция солнечной системы. М.: Наука, 1991. С. 110-112..

8. Поясните особую роль математики и моделирования в естествознании. Как осуществляется математическое моделирование биологической эволюции?

Моделирование это исследование каких-либо явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей; использование моделей для определения или уточнения характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых объектов. Моделирование одна из основных категорий теории познания: на идее моделирования по существу базируется любой метод научного исследования как теоретической (при котором используются различного рода знаковые, абстрактные модели), так и экспериментальный (использующий предметные модели). Построение моделей как одна из сторон диалектической пары противоположностей анализ-синтез имеет много аспектов, из которых некоторый выдвигается на первый план.

Согласно современным представлениям, жизнь на Земле возникла примерно 3,5 млрд. лет назад после предбиологической эволюции в форме прогенот, простейших одноклеточных бактериоподобных структур. Около 2 млрд. лет назад на эволюционном древе появились три ветви: безъядерных эубактерий и архибактерий, и эукариот, клетки которых имеют ядро. Эубактерии и архибактерии в дальнейшем совершенствовались только на метаболическом уровне, в то время как эукариоты развивались на уровне морфологическом и физиологическом

Проблема состоит в том, чтобы понять, каким образом в линии эукариот нарастала сложность, как и где эта сложность кодировалась, каковы механизмы, приведшие от простейших систем к очень сложным организмам.

Прогрессивная эволюция - это эволюция регуляторных генетических систем организмов. В основе кодирования генетической сложности лежит комбинаторный принцип, позволяющий очень экономно записывать в геномах огромное количество информации о генетических программах, выполняемых генными сетями. Комбинаторный принцип, буквально пронизывающий кодирование генетических программ функционирования высших эукариот, способен обеспечивать в ходе эволюции быстрое, скачкообразное появление новых морфотипов за счет переключения уже существующих программ онтогенеза Моисеев Н. Экология человечества глазами математика. М.: Молодая гвардия, 1988. С.55-59..

9. Дайте определение «экосистеме» и «трофическому уровню». Поясните, как происходит передача энергии вверх по трофическим уровням экосистем. Какие модели описывают отношения между трофическим уровнями в биоценозах?

Совокупность всех организмов и растений, обитающих в данной местности и зависящих друг от друга в различных отношениях, и окружающей эти организмы физической и химической среды называется экосистемой.

Разные уровни питания экосистемы называют трофическими уровнями (от греч. трофее - питание, пища). Первый трофический уровень образует продуценты (растения), второй - первичные консументы (растительноядные животные), третий - вторичные консументы (плотоядные, поедающие растительноядных) и т.д. Многие животные питаются более чем на одном трофическом уровне, поедая как растения, так и первичных консументов или как первичных консументов, так и вторичных консументов.

Таким образом, энергия солнечного света передается вверх по трофическим уровням пищевой сети экосистем. Но всякий раз, когда происходит превращении энергии - энергии солнечных лучей в химическую энергию органических веществ, этой последней - в энергию, необходимую для поддержания жизнедеятельности организма, - некоторая доля полезной энтропии, рассеивается в виде бесполезной тепловой энергии. Каждый организм использует какое-то количество энергии на поддержание собственного существования и на рост, оставляя все меньше энергии, доступной организмам следующего трофического уровня. Это означает, что на высших трофических уровнях количество ее невелико. Поэтому пищевые сети редко состоят более чем из 4-5 трофических уровней: растения, растительноядные животные и два или три уровня плотоядных.

Примеры. Пастбищная пищевая сеть: клевер (продуцент) - овца - волк. Планктонная пищевая сеть: водоросли - дафния - плотва - щука - скопа.

По мере повышения трофического уровня характерно увеличение размеров особей при одновременном уменьшении плотности популяции, скорости размножения и биомассы. Такие животные, как, например, волки или тигры, находятся на самой вершине пищевой сети, питаясь растительноядными или мелкими плотоядными животными. Волку иногда приходится преодолевать по 30 километров в день, чтобы добыть себе пищу, а площадь индивидуальной территории тигра может достигать 300 км². организмы, питающиеся на этих хищниках высшего порядка - паразитические черви и блохи, - фактически получают только жалкие крохи от «энергетического пирога» экосистемы Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2000. С.80-82..

10. Как происходит обмен веществ и энергией в живой клетке? Чем он отличается от обменных процессов в неживой природе? Как Вы представляете человека как предмета обществоведения и естествознания? Насколько можно применить естественнонаучные модели к общественным процессам?

Обмен веществ и энергии - основное свойство живого. В цитоплазме клеток органов и тканей постоянно идет процесс синтеза сложных высокомолекулярных соединений и одновременно с этим - их распад с выделением энергии и образованием простых низкомолекулярных веществ - диоксида углерода, воды, аммиака и др. Процесс синтеза органических веществ называется ассимиляцией или пластическим обменом. В ходе ассимиляции обновляются органоиды клетки и накапливается запас энергии. Распад структурных элементов клетки сопровождается выделением заключенной в химических связях энергии, а конечные продукты распада, вредные для организма, выводятся за пределы клетки и затем из организма.

Процесс распада органических веществ противоположен процессу ассимиляции и называется диссимиляцией. Подобного типа реакции идут с поглощением кислорода, поэтому расщепление органических веществ связано с окислением, а освобождающаяся при этом энергия идет на синтез АТФ, необходимой для ассимиляции.

Таким образом, ассимиляция и диссимиляция - это две противоположные, но взаимно связанные стороны единого процесса - обмена веществ. При нарушении ассимиляции и диссимиляции расстраивается весь обмен веществ. Непрерывный распад и окисление органических соединений возможны лишь тогда, когда количество этих веществ в клетках постоянно пополняется. Поэтому при разработке пищевых норм учитываются калорийность пищевых продуктов: белков, жиров, углеводов с тем расчетом, чтобы расход энергии не превышал потребления.

В неживой природе обменные процессы затухают, поскольку отдавая «большее», природа получает «меньшее», что обусловливает явление энтропии и регрессивную эволюцию. В живой природе и в обществе тот же самый процесс обмена выглядит иначе. Здесь ситуация такова, что отдавая «меньшее» необходимо получать «большее». Отсюда следует противоположный энтропии процесс, обусловливающий прогрессивную эволюцию Волькенштейн М.В. Энтропия и информация. М.: Наука, 1986. С. 90-92..

Список литературы

1. Войткович Г.В. Происхождение и химическая эволюция солнечной системы. М.: Наука, 1991.

2. Волькенштейн М.В. Энтропия и информация. М.: Наука, 1986.

3. Девис П. Суперсила - М.: Мир, 2001.

4. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2004.

5. Дубнищева Т.Я., Пигарев А.Ю. Современное естествознание. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2004.

6. Моисеев Н. Экология человечества глазами математика. М.: Молодая гвардия, 1988.

7. Мурахвери В. Поляризованный свет в природе. М.: Знание, 1971.

8. Рубин А.Б. Термодинамика биологических процессов. М.: Изд-во МГУ, 1984.

9. Яблоков А.В. Актуальные проблемы эволюционной теории. М.: Наука, 1966.