Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Информатики,финансов и праваСтр 1 из 8Следующая ⇒
Информатики, финансов и права
Алексеев С.И.
Концепции современного естествознания
Москва 2003 УДК 5 ББК 20 А 474
Алексеев С.И. «Концепции современного естествознания »/ Мос- ковский международный институт эконометрики, информатики, финан- сов и права. –М., 2003. – 52 с.
Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образова- нию в области антикризисного управления в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специаль- ности 351000 «Антикризисное управление» и другим экономическим специальностям.
Ó Алексеев С.И., 2003 © Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права, 2003 СОДЕРЖАНИЕ
Введение........................................................................................................... 4
1. Единство науки и научный метод............................................................. 5
2. Естественнонаучный подход к изучению природы................................. 5
3. Дифференциация и интеграция знаний.................................................... 9
4. Механистическая картина мира.............................................................. 10
5. Электромагнитная картина мира............................................................. 12
6. Революция в естествознании XIX-XXв.в............................................. 14
7. Концепция относительности пространства и времени......................... 16
8. Концепция необратимости и термодинамика........................................ 17
9. Концепция синергетики............................................................................ 20
10. Концепция атомизма............................................................................... 21
11. Концепции биологических систем........................................................ 27
12. Концепции экологии............................................................................... 39
13. Концепции химических структур.......................................................... 45
14. Основные физические постоянные....................................................... 46
15. Приставки для образования кратных и дольных единиц.................... 46
16. Вопросы по курсу «Концепции современного естествознания»...... 47
17. Словарь терминов................................................................................... 49
18. Литература............................................................................................... 51
18.1 Основная литература......................................................................... 51
18.2 Дополнительная литература............................................................. 51 Введение
Курс «Концепции современного естесвознания» имеет важное зна- чение для формирования научного мировоззрения и общей культуры студентов. Современное представление об окружающей среде, фунда- ментальные законы, объясняющие гармоничность картины мира, раз- личные подходы к пониманию явлений природы в их историческом раз- витии, современный системный метод анализа действительности явля- ются предметом курса. Системный подход, получивший широкое распространение в по- следнее время, предполагает целостный охват изучаемых процессов и явлений в их взаимосвязи и взаимодействии с другими явлениями. Та- кой подход «стирает» грани между различными науками, способствуя сближению различных точек зрения гуманитариев и естествоиспытате- лей на одни и те же явления; позволяет сделать естественнонаучные ме- тоды общенаучными. Основой системного метода являются концепции эволюции и само- организации, позволяющих с единых позиций объяснить принципы ор- ганизации всего сущего на Земле, строение и динамику поведения раз- личных систем.
Ключевые термины
Картина мира Системный подход Единство науки и научный метод.
Научный метод представляет собой воплощение единства всех форм знаний. Познание в естественных, технических, социальных и гу- манитарных науках в целом совершается по некоторым общим принци- пам и правилам.Это свидетельствует, во-первых, о единстве всех наук, а во-вторых - об общем, едином источнике познания, которым служит ок- ружающий нас объективный реальный мир: природа и общество.
Методы познания ( по степени обоснованности )
Статистические Вероятностные Индуктивные Дедуктивные
Методы познания ( по механизмам обобщения )
Ключевые термины Научный метод Единство науки
Постановка задачи.
X ¢ ¢ (t ) =C X (0) = X 0
(1) Уравнение движения тела
(2) Начальная координата тела X ¢ (0) =V0
(3) Начальная скорость тела
Требуется определить: зависимость x=x (t)
Решение задачи.
Интегрируем правую и левую часть уравнения (1) по времени:
Левая часть: ò X ¢ ¢ (t )dt = X ¢ (t )
Правая часть: ò Cdt
= Ct
ство
Очевидно, что с точностью до константы C1 выполняется равен- X ¢ (t ) =Ct +C1 (4)
лить Используя уравнение (4) и начальное условие (2), можно опреде- C1: X ¢ (0) =V0 =C1 Тогда уравнение (4) примет вид X ¢ (t ) =V0 + Ct
(5) Аналогично, интегрируем правую и левую часть уравнения (5) по времени:
Левая часть: ò X ¢ (t )dt =
X (t )
2
Правая часть: ò (V0 + Ct )dt =V0t+Ct 2
Очевидно, что с точностью до константы C2 во выполняется равенст-
+ C2
(6)
лить Используя уравнение (6) и начальное условие (3), можно опреде- C2: X(0) = X0 =C2 Тогда уравнение (6) примет окончательный вид
X + V t + Ct2
2 (7)
Вывод - найденное решение (7) задачи позволяет однозначно определить координату движущегося тела в любой момент времени ( в
том числе при t < 0 ).
Этот вывод, полученный в результате решения частной задачи, положен в основу детерминистского подхода к описанию механических процесссов ( и не только механических ) и является одним из основных принципов построения классической ( механистической ) картины мира.
Характерные особенности механистической картины мира: a) Bсе состояния механического движения по отношению ко времени одинаковы ( следствие обратимости времени ). b) Все механические процессы являются детерминированными, т.е.точно и однозначно определенными предыдущим состоянием (слу- чайность при этом полностью исключается). c) Пространство и время независимы, имеют абсолютный характер и не связаны с движением тел.
Использование принципов механистической теории в других нау- ках привело к появлению фатализма- концепции неизбежности, пред- решенности всех событий в будущем.
Ключевые термины Обратимость времени Детерминированный процесс Независимый процесс Инерциальные системы Макромир Механистическая картина мира Концепция фатализма
Концепция синергетики
Немецкий физик Г. Хакен ( род. 1927г. ) назвал синергетикой процессы самоорганизации, происходящие в лазере (в переводе с древ- негреческого cинергетика означает совместное действие или взаимодей- ствие ).
Системах 1) Процессы самоорганизации идут только в открытых систе- мах, т.к. закрытые системы в соответствии с законами термодинамики имеют конечным итогом хаос (максимальный беспорядок ) или дезорга- низацию. 2) Система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия (в этой точке система имеет макси- мальный беспорядок ), из которой выход затруднен. 3) Упорядочивание структуры системы (организация нового по- рядка ) происходит засчет незначительных отклонений ( флуктуаций ) от первоначального состояния, возрастанию амплитуды флуктуаций с те- чением времени, постепенного расшатывания прежнего порядка и в ре- зультате установлению нового порядка ( принцип образования порядка через флуктуации ). Такой процесс методичной раскачки системы, со- провождающийся возрастанием амплитуды флуктуаций, свидетельству- ет о наличии в системе положительных обратных связей. 4) Отличительная черта математических моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации- их существенная не- линейность. Нелинейные математические уравнения являются более адекватными реальным системам.
Ключевые термины
Концепция атомизма.
Объяснения, при которых свойства сложных веществ или тел пы- таются свести к свойствам более простых элементов или составных час- тей, называют редукционистскими. Атомизмом принято считать подход к объяснению процессов, происходящих во Вселенной, связанный с поиском мельчайших недели- мых частиц, определяющих состав, свойства и структуру всего сущего. Долгое время такой частицей считался атом ( в переводе с грече- ского неделимый ), однако в начале ХХ века английские физики Э.Резерфорд и Ф.Содди, исследуя радиоактивные превращения химиче- ских элементов, доказали, что атом не является неделимым. Поиск первичных фундаментальных частиц, названных впоследст- вии элементарными, привел к открытию электрона (1897), протона (1919), фотона (1900 ), нейтрона (1932), позитрона (1932 ), нейтрино (1932 ), антипротона (1955 ), антинейтрона (1956), промежуточных бозонов (1983). В 1970-80г.г. речь идет уже о семействах «странных», «очарованных», «красивых» элементарных частиц. Общие сведения об элементарных частицах. Ядерная физика изучает структуру и свойства атомных ядер. Она исследует также взаимопревращения атомных ядер происходящие в ре- зультате как радиоактивных распадов, так и различных ядерных реак- ций. К ядерной физике тесно примыкают физика элементарных частиц, физика и техника ускорителей заряженных частиц, ядерная энергетика. Ядерно-физические исследования имеют огромное чисто научное значение, позволяя продвигаться в понимании строения материи, и в то же время чрезвычайно важны в практическом отношении (в энергетике, медицине и т. д.). Элементарные частицы - первичные, неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физи- ке этот термин обычно употребляется не в своём точном значении, а в менее строгом - для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона. К элементарным частицам относятся: протоны, нейтроны, электроны, фотоны, пи-мезоны, мюоны, тяжёлые лептоны, нейтрино трёх типов, странные частицы (К-мезоны), гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым очарованием, «очарованные» частицы, промежуточные векторные бозоны и т. п. - все- го более 350 частиц, в основном нестабильных. Их число продолжает расти по мере расширения наших знаний. Большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, по- скольку являются составными системами. Общее свойство всех этих частиц заключается в том, что они представляют собой специфические формы существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы. Массы большинства элементарных частиц имеют порядок величи- ны массы протона, равной ~1, 7*10 -24 г. Размеры протона, нейтрона, пи- мезона, и других адронов - порядка 10 -13 см, а электрона и мюона не определены, но меньше ~10 -16 см. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обуславливают квантовую специфику их поведе- ния. Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - способность испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. Характеристики элементарных частиц. В зависимости от време- ни жизни частицы делятся на стабильные (электрон, протон, фотон и нейтрино), квазистабильные (распадающиеся при электромагнитном и слабом взаимодействиях, время их жизни больше 10 -29 с) и резонансы (частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия, типичное время жизни ~10 -22-10 –24 с). Общими для всех элементарных частиц характеристиками явля- ются масса, время жизни, электрический заряд, спин и др.
Элементарные частицы - характеризуются моментом импульса. Согласно квантовой механике, момент импульса системы может прини- мать не любые, а дискретные значения, его скачки равняются постоян- ной Планка, поэтому его измеряют в единицах этой постоянной (дис- кретность возможных значений момента совершенно незаметна в обыч- ной жизни, поскольку постоянная Планка очень мала). Момент, изме- ренный в таких единицах, называется спином. Спин может принимать целые или полуцелые значения. В соответствии опять же с квантовой механикой проекция момента на какую-либо ось тоже имеет дискретные значения. Разумеется такая дискретность находится далеко за пределами измерительных возможностей обычной механики. Иное дело -объекты микромира, для них дискретность значений вектора момента и его про- екций играет существенную роль. Характеристики элементарных частиц, принимающие дискретные значения, принято называть квантовыми числами. Различают спиновое, орбитальное, магнитное и другие квантовые числа. Помимо указанных величин, элементарные частицы дополнитель- но характеризуются ещё рядом квантовых чисел, которые называются внутренними. Это барионный и лептонный заряды, чётность, а также кварковые ароматы - характеристики, определяющие тип кварка, такие как изоспин, странность, «очарование», «красота», цвет. Внутренние квантовые числа вводятся для того, чтобы формализовать закономерно- сти, экспериментально наблюдаемы в процессах, происходящих в мик- ромире. Истинно элементарные частицы. На сегодняшний день с теоре- тической точки зрения известны следующие истинно элементарные час- тицы (на данном этапе развития науки считающиеся неразложимыми)_ частицы: кварки и лептоны (эти разновидности относятся к частицам вещества), кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны), а также частицы Хиггса. Каждая из пар лептонов объединяется с соответствующей парой кварков в четвёрку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, отличаются лишь массы: второе тяжелее первого, третье тяжелее второго. Предполагается, что в природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц или при взаимодействии космических лучей в атмосфере. Кроме имеющих половинный спин частиц вещества, к истинно элементарным частицам относятся частицы со спином 1. Это кванты по- лей, создаваемых частицами вещества. Массивные W-бозоны являются переносчиками слабых взаимодействий между кварками и лептонами. Глюоны - переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и сами кварки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но проявляются на промежуточных стадиях некоторых реакций. Теория кварков и глюо- нов называется квантовой хромодинамикой. Частица с предполагаемым спином 2 - это гравитон, его существо- вание предсказано теоретически, но обнаружить его будет чрезвычайно трудно, так как он очень слабо взаимодействует с веществом. Наконец, к истинно элементарным частицам относятся частицы Хиггса, или Н-мезоны, и гравитино, они не обнаружены нба опыте, но их существование предполагается во многих современных теоретиче- ских моделях. Антивещество. У многих частиц существуют двойники в виде ан- тичастиц, с теми же массой, временем жизни, спином, но отличающиеся знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. (электрон-позитрон, протон-антипротон и др.). Существование античас- тиц было впервые предсказано в 1928 г. английским физиком- теоретиком П. Дираком. Из уравнения Дирака для релятивистского дви- жения электрона следовало второе решение для его двойника, имеющего ту же массу, но положительный электрический заряд. Характерная особенность поведения частиц и античастиц - их ан- нигиляция при столкновении. Типичный пример -взаимоуничтожение электрона и позитрона с выделением энергии при рождении двух фото- нов. В сильных и электромагнитных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами - все процессы, проте- кающие с первыми, возможны и аналогично для вторых. Подобно про- тонам и нейтронам их античастицы могут образовывать антиядра. В принципе можно представить себе и антиатомы, и даже большие скоп- ления антивещества. Классификация условно элементарных частиц. В соответствии с четырьмя видами фундаментальных взаимодействий различают соответ- ственно четыре вида элементарных частиц: адроны, участвующие во всех взаимодействиях, лептоны, не участвующие только в сильном (а нейтрино в электромагнитном), фотон, участвующий только в электромагнитном взаи- модействии, и гипотетический гравитон - переносчик гравитационного взаи- модействия. Адроны - общее название для частиц, наиболее активно участвую- щих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы - барионы и мезоны. Барионы - это адроны с полуцелым спином. Самые известные их них - протон и нейтрон. Одним из свойств барионов, отличающим их от других частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барион- ного разряда, введённого для описания опытного факты постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антиба- рионов. Мезоны - адроны с целым спином. Их барионный заряд равен ну- лю. Адронов насчитывается около 350. Большинство их них крайне не- стабильны и распадаются за время порядка 10 -23 с. Столь короткоживу- щие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рожде- ние обнаруживают по косвенным признакам. Например, изучают реак- цию ааннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения, обнаруживают, что при каком- то её значении выход адронов резко увеличился. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица. По- том она мгновенно распадается на другие адроны, которые и регистри- руются. Такие короткоживущие частицы называются резонансами. Большинство барионов и мезонов - резонансы.
Особенности элементарных частиц: 1) малые размеры и масса; 2) cпособность рождаться и уничтожаться ( аннигилировать ) при взаимодействии с другими частицами. Виды взаимодействий между элементарными частицами: 1) cильные; 2) электромагнитные; 3) слабые; 4) гравитационные. Выделены две большие группы элементарных частиц: адроны, ко- торые могут участвовать в сильном, электромагнитном и слабом взаи- модействии; и лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии. В эти группы попадают все элементарные час- тицы за исключением фотона. Кроме того у элементарных частиц выделяют индивидуальные характеристики: 1) массу частицы; 2) время жизни; 3) спин; 4) электрический заряд; 5) магнитный момент. По современным представлениям все адроны состоят из кварков - дробнозаряженных фундаментальных частиц и антикварков. У всех эле- ментарных частиц существуют античастицы, которые обладают проти- воположным электрическим зарядом и магнитным моментом по сравне- нию с соответствующей элементарной частицей. Современный подход к изучению строения материи основывается не на поиске последних, неделимых частиц, а на выявление их внутрен- них связей для объяснения целостных свойств макрообразований. Даль- нейший прогресс в познании фундаментальных свойств материи следует по-видимому ожидать в результате объединения концепций атомизма ( дискретности ), целостности ( системности ) и системного анализа.
Строение атома
Атом
Атомное ядро Атомная оболочка
нуклоны ( A )
Электроны протоны нейтроны ( A ) ( Z ) ( A-Z )
A K Обозначение атома: Z , где K- символ элемента; Z- заряд ядра ( число протонов в ядре); А- массовое число ( число нуклонов в ядре). Изотопы - разновидности атомов одного элемента, ядра которых содер- жат различное число нейтронов. Радиоактивный распад - превращение атомов в атомы других эле- ментов, сопровождающееся излучением 1. Условие стабильности ядер элементов: N»1+0.015*A2/3, A< 250 Z
4He 2. a- излучение: излучаются положительно заряженные ядра 2, которые могут отклоняться электрическим и магнитным полем. AK®A-4K +4 a Закон a- распада: Z 1 Z -2 2 2 226 Ra® 222Rn+4a Пример: 88 86 2 3. b-- излучение: излучаются электроны, которые могут отклоняться электрическим и магнитным полем. AK® AK+0e
Закон b-- распада: Z 1
Пример: 82 214 Bi + 0
4. b+ - излучение: излучаются позитроны, которые могут отклоняться электрическим и магнитным полем. AK ® AK + 0
Закон
b+ - распада: Z 1
+1e
30 Bi+ 0
5. g- излучение: излучаются g - кванты, которые не могут отклонять- ся электрическим и магнитным полем. При этом ядро атома из возбуж- денного состояния переходит в состояние с меньшей энергией, заряд яд- ра и массовое число не меняются. g-излучение сопутствует a- и b -распадам Ключевые термины Атомизм Элементарные частицы
Аннигиляция Типы фундаментальных взаимодействий
Тем Система без обратных связей
X (t) y(t) k y(t)=kx(t)
где х(t)- воздействие на систему; у(t)- отклик ( реакция системы ); k- коэффициент передачи системы. Если система линейна, то формы y(t) и x(t) одинаковы, - система функционирует как преобразователь воздействия без искажения его формы. При этом понятие формы может быть отнесено как к временной зависимости воздействия и отклика системы, так и к их законам распре- деления. В нелинейных системах формы y(t) и x(t) неодинаковы.
2. Система с положительной обратной связью ( ПОС ).
x(t) e(t) к y(t)
y(t)= k + x(t) + z(t) m
где х(t)- воздействие на систему- «входной сигнал » системы; у(t)- отклик ( реакция системы )- «выходной сигнал» системы; k - коэффициент передачи системы ( без обратной связи ); m -коэффициент обратной связи; z(t )- отклик системы по каналу обратной связи- «сигнал обратной связи» системы; k + - коэффициент передачи системы, охваченной положительной обратной связью. Определим связь коэффициентов передачи в системе без обратной связи и в системе с положительной обратной связью.
В системе c ПОС выполняются следующие соотношения:
e(t)=x(t)+z(t); y(t)=ke(t); z(t)=my(t),
откуда следует, что k + =
y(t ) x(t ) k = 1-mk. Полученное соотношение показывает, что в системах с положительной обратной связью коэффициент передачи системы возрастает по сравне- нию с коэффициентом передачи системы без обратной связи. Кроме того k + в предельном переходе ( m ®0 ) обращается в k. ( Принцип до- Таблица. Aминокислоты, входящие в состав белков.
Неполярные боковые цепи стремятся объединиться друг с другом и
при расправлении этой определенной цепи она вновь скрутится единствен- ным, присущим только ей образом. Если заменить хотя бы один атом или одну аминокислоту в полипептиде, получится молекула с другой структу- рой и другими свойствами. Образование структуры означает уменьшение энтропии, тогда как вне белковой структуры энтропия должна скомпенсировать это локальное уменьшение и возрасти. При образовании водородной связи происходит вы- деление энергии в окружающую среду, и она рассеивается. Водородная связь возникает между пептидными связями цепи: -N-H...O-C, и она оп- ределяет вторичную структуру белка. Эта конфигурация кажется хаотич- ным нагромождением атомов, но точное повторение ее формы в миллиар- дах молекул указывает на наличие упорядоченности. При выполнение определенных функций спираль изгибается, свора- чивается о образует глобулу (третичную структуру). При этом основную роль играет кулоновское взаимодействие между электрическими зарядами частей цепи, а также установление водородной связи между пептидными группами разных частей спирали. Спираль изгибается, часть энергии вы- деляется в окружающее пространство, и маловероятно, чтобы энергия вновь вернулась. Пример тому - денатурация белка при варке яйца, когда разрушаются все возникшие структуры. Важную роль играет гидрофобное взаимодействие частей цепей тре- тичной структуры. Аминокислотные остатки содержат массивные угле- водородные части, которые ведут себя подобно капелькам масла в воде. Образуются окружающие молекулы " ловушки", создается структура, и энтропия локально уменьшается. Естественное направление процессов оказывается таким, что маслоподобные части молекул оказываются скры- тыми от воды в глубинах структур белка, а водоподобные - обращаются к воде, растворителю. Простейшая животная клетка содержит всего 5000 различных видов белков. Одни из них похожи на волокна и служат материалом для кле- точных стенок, перегородок и мембран; другие - настолько гибки, что скручиваются в клубки, они очень активны и способны перемещаться, из них состоит почти все студнеобразное пространство клеток. Это актив- ные глобулярные белки. Они могут участвовать в химических реакциях, обеспечивающих рост. Такое сложное строение белков позволяет им осуществлять многообразные операции. Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-03-22; Просмотров: 918; Нарушение авторского права страницы