ИТОГ-КСЕ-ДО в PDF раздача 2015.pdf

Если мы вспомним, что состояние равновесия отождествляется с понятием хаоса и симметрии, то очевидно, понятие асимметрии в живой природе приобретает особый смысл. Т.е. она (асимметрия) характеризуется низкой

энтропией, высокой упорядоченностью и нарушением термодинамического равновесия.

Асимметрия в живой природе рассматривается на двух уровнях:

1.Микроуровень – уровень биологических молекул. Здесь было обнаружено отличие живого от неживого. Исследования показали, что живые молекулы от неживых отличаются зеркальной симметрией (более подробно см. в УЕ 3.3.). Неживые молекулы могут быть как зеркально симметричны, так и зеркально асимметричны, как левая и правая перчатка. Неживые молекулы встречаются и в левом и в правом варианте одинаково часто. Живые молекулы могут быть только одной ориентации – левой или правой. Например, молекула ДНК имеет вид спирали, и эта спираль всегда правая. Следовательно, важнейшая способность живых организмов состоит в том, чтобы из симметричных молекул окружающей среды создавать только левые или правые молекулы.

Таким образом, сегодня принцип симметрии – это единственный принцип, благодаря которому есть возможность отличить вещество биогенного происхождения от вещества неживого. Парадокс: мы не можем ответить на вопрос, что такое жизнь, но имеем способ отличить живое от неживого.

2.Макроуровень – на уровне организмов, например, у человека левая и правая половина могут быть относительно симметричны, раковины моллюсков могут быть закручены в левую или в правую сторону и такие особи встречаются с одинаковой частотой. Кроме того, симметрия и асимметрия в живой природе тесно связаны – человек, например, хотя и внешне симметричен, внутренне асимметричен. Внешне симметричные полушария головного мозга резко различаются по функциям. Существует классификация асимметрии в биоло-

гии:

а) направленная асимметрия – когда какая–то структура развита на одной стороне больше, чем на другой. Например, сердце млекопитающих, клешни у краба;

б) антисимметрия – характеризуется большим развитием какой–либо структуры то на одной, то на другой стороне тела. Например, левши и правши в человеческом обществе.

в) флуктуирующая асимметрия – небольшие отклонения в развитии признаков на сторонах тела.

Иногда асимметричность в природе может проявляться своеобразно, например, встречаются насекомые сочетающие признаки и самца и самки: тело как бы разделено на две половинки – одна половина – самец, другая – самка.

Говоря о симметрии/асимметрии нельзя обойти вниманием и тот факт, что она характерна не только для явлений живой и неживой материальной приро-

67

объектов непосредственно человеческой духовной деятельности. Здесь не о симметрии или асимметрии, а о гармонии или красоте.

Узолотое сечение – соотношение его роста к расстоянию от

пупка до подошв ног: при рождении равно 2, а к 21 годам – 1,625, у женщин – . Многие женщины интуитивно пытаются приблизить это соотноше-

Вдни физиологи обнаружили, что волны электрической активности

проводились соревнования по написанию особой жесткой стихотворной формы

– секстины. Особенность этой стихотворной формы состоит в том, что она

фе последние рифмованные слова каждой строки должны быть одними и теми же, но менять свое расположение. В этой самой перестановке рифмованных слов и заключается суть симметрии секстины. Рассмотрим пример секстина Валерия Брюсова:

(

Симметрия здесь заключается в цикличности замен слов. При всей видимой изменчивости системы мы видим, как основные ее элементы, т.е. рифмованные слова, остаются в том или ином сочетании в каждой строфе – это и есть симметрия.

Таким образом, концепции симметрии тесно связана с концепциями системности и самоорганизации, а также эволюционизма, что позволяет считать ее одной из фундаментальных.

69

ВВЕДЕНИЕ В УЕ 2.4–2.5. Концепция структурности

Цель изучения

1.Познакомиться с концепцией структурности;

2.Ознакомиться структурным устройством Природы в микро–, макро– и мире.

Что Вы должны знать и уметь перед началом изучения

▪иметь базовые знания по физике, химии и астрономии;

▪иметь базовые знания по математике в объеме школьной программы.

В результате изучения Вы будете знать

▪организацию Природы в микро–, макро– и мире;

▪классификацию элементарных частиц и их свойства;

▪строение и эволюцию планет, звезд, галактик и Вселенной;

▪историческое развитие идей об организации Вселенной и ее эволюции.

Ход изучения

1.Прочитайте теоретическую часть УЕ 2.4–2.5.

2.Рассмотрите приведенные примеры (где приведены).

3.По ходу изучения отвечайте на вопросы (самоконтроль):

а) Особенности организации микромира. Принципиальные отличия микромира от мегамира?

б) Классификации частиц?

в) Современные представления об устройстве атома. Отличия от старых концепций строения атома.

г) Особенности развития планет и звезд: сходства и отличия. д) Основные слои Земли их состав и значение.

е) Что такое Главная последовательность?

ж) Суть теории Большого взрыва и ее доказательства. З) О чем говорит антропный принцип?

70

М2. УЕ 2.4-2.5. Естественнонаучная картина мира: основные концепции

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ УЕ 2.4–2.5. Концепция структурности

▪Адроны − это класс сильно взаимодействующих частиц (нейтроны и протоны).

▪Аннигиляция – взаимное уничтожение пары частица и парная ей античастица Физический вакуум - понимают полностью лишённое массы пространство. В физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей.

▪Атмосфера – газообразная оболочка, окружающая Землю и вращающаяся вместе с ней.

▪Барионы – тяжелые частицы (масса превышает тысячу масс электрона).

▪Галактики − четко ограниченные гравитационно–связанные звездные системы.

▪Гидросфера – водная оболочка Земли покрывает более 70% поверхности Земного шара.

▪Диаграмма Герцшпрунга-Рассела – график связи звезд с наблюдаемой температурой их поверхностей.

▪Космогония – это раздел астрономии, изучающий происхождение, структуру и развитие космических тел (планеты, звезды и т.д.) и их систем (галактик, метагалактики, Вселенной).

▪Лептоны – легкие частицы, участвующие в слабом взаимодействии (электрон и нейтрино).

▪Литосфера (кора) – твердая каменистая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть подстилающей ее верхней мантии Земли.

▪Мантия – вязкая оболочка из кремния, магния и железа, которая составляет большую часть Земли по массе и объему.

▪Мезоны – средние частицы (масса от одной до тысячи масс электрона);

▪Метагалактика − это доступная наблюдениям часть Вселенной. Метагалактика представляет собой упорядоченную систему галактик.

▪Метод изотопного (радиоактивного) датирования – метод оценки аб-

солютного возраста объектов по определению содержания в них изотопов радиоактивных веществ.

▪Реликтовое излучение − космическое микроволновое фоновое радиоизлучение.

▪Спин (англ. spin − вращение) − собственный момент импульса микрочастицы.

▪Фотон − квант электромагнитного поля, который участвует только в электромагнитном взаимодействии.

▪Эндогенные факторы изменения облика планет − это процессы в ядре планеты: перемещения участков коры, вулканические извержения, землетрясения, горообразование и т.п.

71

«Глядя на мир, нельзя не удивляться!» говорил Козьма Прутков. Во многом это связано с огромным разнообразием элементов в окружающей нас природе. Неудивительно, что для удобства изучения наука разделила природу на составляющие уровни. Критериями для выделения структурных уровней явились:

!пространственно–временные размеры;

!характерные важнейшие свойства и закономерности, характерные для объетов соответствующего уровня;

!степень относительной сложности, возникшей в процессе исторического развития материи в данной области мира.

Таким образом, было выделено три структурных уровня: мега–, макро– и микромир (см. рисунок). Для каждого из этих уровней организации материи характерны свои размеры и масса объектов.

I. Микромир – мир микрообъектов, предельно малых масштабов. Линейные размеры микромира не превышают 10–8 м, масса составляет не более 10–10 кг.

Время измеряется от бесконечности до 10–24 с. К микромиру относятся элементарные частицы, ядра атомов, атомы и молекулы.

Микромир описывается законами квантовой механики.

Для объектов микромира характерно сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие.

II. Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с

масштабами жизни на Земле. Макротела имеют линейные размеры в диапазоне

10–8 – 107 м и массу 10–10 – 1020 кг.

Пространство измеряется в миллиметрах, сантиметрах и километрах. Время измеряется в секундах, минутах, часах, годах.

К макромиру относятся вещества в различных агрегатных состояниях, живые организмы, человек и продукты его жизнедеятельности, мир устойчивый форм и соразмерных человеку величин.

Макромир описывается законами классической механики.

Для объектов макромира характерно гравитационное взаимодействие.

III. Мегамир – мир больших космических скоростей. Размеры мегамира превышают 107 м, масса тел более 1020 кг.

Пространство измеряется в астрономических единицах, световых годах и парсеках. Время измеряется в миллионах и миллиардах лет.

Мегамир образуют планеты, звезды, галактики, скопления галактик, то есть вся Вселенная в целом.

Мегамир описывается законами теории относительности и космологии.

72

Необходимо отметить, что приведенные здесь границы структурных уровней организации очень условны.

Каждый уровень материи обладает своими особенностями, однако все структурные уровни материи взаимодействуют между собой как часть и целое (они едины и не могут существовать друг без друга).

Приведем примеры подчиненности (иерархии) в природе (от меньшего к большему):

а) звезда – звездная система – Метагалактика – Вселенная; б) элементарные частицы – ядра атома – атомы – молекулы; в) кварк – протон – ядро – атом;

г) протон – ядро атома углерода – атом углерода – молекула сахара; д) элементарные частицы – атомы – молекулы – макротела.

I. МИКРОМИР

В микромире изучаются элементарные частицы, ядра атомов, атомы и молекулы.

Поля и частицы

Как было отмечено ранее, в современной картине мира выделяют: вещество (состоящее из элементарных частиц, атомов и молекул) и поле.

Взаимодействие между материальными объектами в природе обеспечивает поле или среда, в которой все происходит (ранее эта среда называлась эфир).

Посредством электромагнитного поля осуществляется взаимодействие между заряженными частицами. Источниками электромагнитного поля являются заряды и токи, распределенные в пространстве. Считается, что магнитное поле это составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты).

Электромагнитное поле в вакууме, то есть в свободном состоянии, не связанное с частицами вещества, существует в виде электромагнитных волн.

Электромагнитные волны (излучение) – распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей. Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью – скоростью света. В зависимости от длины волны электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и ультрафиолет), рентгеновское излучение и гамма-излучение.

Примерами электромагнитного излучения являются свет, лазер, радиоволны сотового телефона.

Элементарный значит далее неделимый. Демокрит считал, что весь мир состоит из неделимых атомов и в этом смысле, в античности, атом был элементарной частицей. Позднее оказалось, что он имеет сложную структуру, в частности, состоит из электронов и ядер. Потом было установлено, что ядра состоят

74

М2. УЕ 2.4-2.5. Естественнонаучная картина мира: основные концепции

из более простых частиц – нуклонов (протонов и нейтронов), которые в свою очередь состоят из других частиц. Поэтому элементарными частицами стали считать мельчайшие частицы материи, исключая атомы и их ядра.

На сегодняшний день открыты сотни элементарных частиц, что потребовало их классификации, которая была проведена на основании их основных характеристик.

Основные характеристики элементарных частиц: масса (А), заряд (Б),

среднее время жизни (В), спин (Г) и квантовые числа.

А) масса покоя большинства элементарных частиц очень мала (<10–24 г). Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, – фотоны. По массе частицы делятся на:

!лептоны – легкие частицы, участвующие в слабом взаимодействии (например: электрон и нейтрино);

!мезоны – средние частицы (несколько видов мезонов);

!барионы – тяжелые частицы (например: протон, нейтрон).

Б) электрический заряд. Элементарные частицы могут иметь положительный, отрицательный и нулевой заряд.

В1963 г. американский физик–теоретик М. Гелл–Манн выдвинул гипотезу

осуществовании частиц с дробным зарядом – кварков.

В) время жизни. Все элементарные частицы делятся на стабильные и нестабильные частицы. Например, у стабильных (электрон, протон, фотон и нейтрино) время жизни стремится к бесконечности, а у почти стабильного нейтрона при электромагнитном воздействии − 15,3 мин.

Важным свойством элементарных части является их взаимопревращаемость. Все частицы могут превращаться друг в друга, и в этом отношении ни одна частица не может быть выделена. Например, электрон, протон и нейтрино появляются в результате превращения нейтрона.

Поэтому на вопрос, не являются ли некоторые частицы более элементарными, чем другие, последует ответ: нет. Более справедливо утверждение, что

«все состоит из всего».

Однако появился целый ряд экспериментальных результатов, которые можно интерпретировать как наличие внутри, скажем, протона или нейтрона трех почти свободных объектов с дробным зарядом (2/3 либо 1/3), которые получили название кварков.

Современная физика выделяет 12 фундаментальных частиц и античастиц (6 кварков и 6 лептонов (в частности электрон и нейтрино)

Г) спин (англ. spin − вращение) − собственный момент импульса микрочастицы. Протон, нейтрон и электрон имеют спин, равный ½, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином равным 0,3/2,2.

Существует еще одна классификация элементарных частиц – по типу взаимодействия, в котором они участвуют:

75

!фотон − квант электромагнитного поля, который участвует только в электромагнитном взаимодействии.

!электроны, нейтрино и некоторые другие − лептоны, это частицы, не участвующие в сильным взаимодействии.

!третью часть элементарных частиц составляют адроны (адрос - крупный, сильный) − это класс сильно взаимодействующих частиц (нейтроны и протоны).

Внастоящее время истинно элементарными частицами (т.е. такими, которые нельзя составить ни из каких других, известных нам ныне, частиц)

являются: электрон, позитрон, все виды нейтрино, фотоны и кварки.

Почти каждой элементарной частице соответствует своя античастица. Античастица – элементарная частица, имеет те же значения массы и других физических характеристик частицы, которой она вроде бы соответствует, но отличающаяся от нее знаками электрического заряда, магнитного момента и др. Например, электрон несет отрицательный заряд, а парная ему частица позитрон

–положительный. Существую также частицы, которые не имеют античастиц, например, фотон.

При взаимодействии частицы с парной ей античастицей происходит их взаимная аннигиляция (уничтожение) – обе частицы прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц.

Основной метод изучения элементарных частиц состоит в том, что ядро– мишень бомбардируется мощным пучком протонов и электронов, а ученые ведут наблюдения за осколками ядра, образующимися в результате столкновения. Этот метод реализуется на «ускорителях элементарных частиц», например, на Большом адронном коллайдере.

Отдельного внимания заслуживает понятие физический вакуум, под которым в современной физике понимают полностью лишённое массы пространство. Даже если бы удалось получить это состояние на практике, оно не было бы абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что в согласии с принципом неопределённости в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят, так называемые, нулевые колебания полей. Обнаружить приборами физический вакуум и виртуальные частицы невозможно.

Атомы и молекулы

Атом представляет собой единую квантовомеханическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Атомы состоят из протонов и нейтронов (известных под общим названием барионов), а протоны и нейтроны состоят из кварков («предельных кирпичиков» материи).

76