Современная естественно-научная картина мира

Современное естествознание представляет окружающий мат. мир однородным, изотропным (все св-ва по разным направлениям одинаковы) и расширяющимся. Материя нах-ся в виде в-ва и в форме поля. По стр-ному распр-ию в-ва окр. мир делится на 3 области:

микромир;

макромир (человеческий уровень);

мегамир;

М/у стр-ми сущ-ет 4 фундаментальных видов вз-де-ий:

сильное вз-де-ие - внутриядерное вз-де-ие;

электромагнитное вз-де-ие (вз-де-ие м/у положительно заряженными частицами и отрицательно заряженными частицами);

слабое вз-де-ие;

гравитационное вз-де-ие;

Краткая характеристика микромира.

1. вакуум — физический объект, в котором происходит рождение и уничтожение частиц.

2. элементарная частица.

Адроны, литоны.

Клетка

Краткая хар-ка макромира.

Это, что мы можем потрогать. Самые минимальные объкты - это т.н. макротела. При опр-ых условиях однотипные атомы и молекулы могут собираться в огромные совокупности - макроскопические тела или веществом. Вещество - это вид материи, то, из чего состоит весь окр. мир. Вещества состоят из мельчайших частиц - атомов, молекул, ионов, элементарных частиц, которые имеют массу и нах-ся в постоянном движении и вз-де-ии. В-ва делятся на простые, сложные, чистые, неорганические и органические.

Простое в-во состоит из атомов или молекул, образованных атомами одного хим. элемента.

Сложным в-вом состоит из частиц, образованных атомами различных хим. элементов. Пример: H2O;

Чистое в-во - это в-во, состоящее из одинаковых частиц и обладающее опр-ми специфическими св-вами. Для этого исп-ют различные методы очистки: рекристаллизация, фильтрация, дистилляция.

Неорганические - это хим. соединения, образуемые всеми хим. элементами, кроме соединений углерода. В состав этих соединений могут входить совершенно разные хим. элементы. Огромное кол-во таких соединений получают в лабораториях и предприятиях.

Органические в-ва - это соединение углерода с некоторыми др. элементами. К соединениям углерода к неорганическим не относятся оксиды углерода, угольная кислота и её соли. Их относят к неорганическим соединениям. Органические в-ва обладают рядом св-в, отличающихся от неорганических в-в:

неустойчивы к де-ю высоких температур;

реакции с их участием протекают медленно и требуют особых условий;

К органическим соединениям относятся нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, лепиды, гормоны, витамины и др., играющее огромную роль в жизндее-ти и строении живых организмов. Сегодня известно около 10 млн. органических соединений естественного хар-ра.

Далее по уровню макротел идёт индивид. Одноклеточные состоят из ядра, цетоплазмы, множества органелл, мембран, макромолекул и т.д., что свидетельствует о сложном строении индивидуумов. Многоклеточные образованы из миллионов и миллиардов клеток, что гораздо сложнее одноклеточного индивидуума. И одноклеточные, и многоклеточные организмы обладают системной организацией и регуляцией и выступают как единое целое.

Индивид (индивидуум, особь) - элементарная, неделимая единица жизни на Земле. Если мы разделим индивид на части, что без потери индивидуальности это невозможно.

Следующий по стр-ной орг-ции макротел идёт вид. Сущность его явл-ся в том, что виды реальны, состоят из популяций, все особи вида имеют общую генетическую программу, которая возникла в ходе предшествующей эволюции. Критерии, позволяющие отличать один вид от другого:

морфологический критерий - хар-ка ос-тей строения и совокупность его признаков;

генетическая информация - каждый вид имеет свойственный ему набор хромосом;

экологогеографический критерий - включает в себя непосредственную среду обитания вида (экологическая ниша);

репродуктивная изоляция - нужна для хар-ки вида, который размножается половым путём, что охраняет вид от проникновения ген. информации извне;

Следующий уровень - это популяция.

Популяция - это совокупность особей одного вида, длительно населяющих опр-ное пространство, размножающихся путём свободного скрещивания и в той или иной степени изолированных друг от друга.

Популяция явл-ся элементарной биологической стр-рой, способной к эволюционным изменениям. Виды же - это качественные этапы развития.

Совокупность генотипов всех особей популяции образует генофонд.

Сообщество.

Популяции разных видов всегда образуют в биосфере Земли сложные сообщества - биоценозы.

Биоценоз - это совокупность растений, животных, грибов и прокариот, населяющих участок суши или водоёма и находящихся в опр-ых отношениях м/у собой. Экосистема - это взаимообсловленный комплекс живых и косных компонентов, связпнный м/у собой обменом веществ и энергией.

Биогеоценоз - это такая экосистема, внутри которой не проходят биогенетические микроклиматические, почвенные и гидрологические границы. Первичная основа - это продукты разложения генетического в-ва, автотрофы.

Следующее по стр-ной иерархии микромира - это биосфера.

Биосфера - это все живые организмы на Земле и среда их обитания.

Биосфера - это те части литосфера, атмосферы и гидросферы, которые в течение долгого времени подвергались возде-ю живых организмов.

Биогеоценозы, из которых состоит биосфера, взаимосвязаны круговоротам в-в и энергии. В составе биосферы есть и косные в-ва, которыми явл-ся почвы, илы и продные воды.

Краткая хар-ка мегамира.

Наименьшей единицей мегамира явл-ся планеты (от греч. блуждающая). планеты - это небесные тела, обращающиеся обычно вокруг звёзд, отражающие их свет и не имеющие соб-го видимого излучения. По размерам и массам они значительно меньше звёзд. Многие планеты имеют спутники, обращающиеся вокруг них.

Марс (Фобос и Деймос), Юпитер (16 спутников), Сатурн (17 спутников), УРан (16 спутников), Нептун (10 спутников), Плутон (Харон) (не признан планетой, но есть и астероиды поболее!), Седнай (ещё не успели включить).

Между орбитами Марса и Юпитера нах-ся более 5 тыс. малых планет. Солнечной системе также принадлежат кометы, астероиды и метеорные тела.

Размеры Солнечной системы составляют около 10 млрд. км (50-100 расстояний от Земли до Солнца). 10 % всех звёзд, полагают астрономы, обладают планетами.

Следующая по стр-ной иерархии - звёзды. Вещество в звезде нач-ся в состоянии плазмы. Звёзды имеют видимое излучение, хар-ся различными размерами, массами, светимостями и временами жизни. По массе есть звёзды 80 раз больше Солнца, а есть - 2 сотых доли. На поверхности Солнца температура 6000 кельвинов. Но на многих звёздах 50 тыс. Кельвинов. Возраст звёзд составляет от 100 млн. лет до 10 млрд. лет. Температура Солнца 10 в седьмой степени, а давление 10000 атмосфер. В звезде происходя термоядерные реакции слияния ядер водорода и превращения их в ядра гелия.

Звёзды очень удалены в пространстве друг от друга, они изолированны, что привело к тому, что расстояния кажутся огромными м/у звёздами, из-за чего за единицу измерения принят световой год - это расс-ие, которое свет, двигаясь со скоростью 300 тыс. км./сек проходит за год. 1 парсек равен 3,26 светового года.

Следующий стр-ный элемент мегамира - Галактики.

Звёзды связаны друг с другом силами тяготения и образуют системы, называемые галактиками. Рассчитано, что число звёзд в Галактиках составляет 10 в 12 степени штук. Разные Галактики имеют свою геометрическую форму:

элипсоидную;

спиральную;

неправильную;

Внутри Галактик звёзды распр-ны неравномерно, концентрируясь к центрам и образуя различные скопления. Пространство м/у звёздами в Галактиках и пространство м/у Галактиками заполнено в виде газа, пыли, элементарных частиц, электромагнитного излучения и гравитационных полей. Наша Галактика наз-ся Млечным Путём.

Следующий элемент - это метагалактика и вселенная.

Наиболее крупной стр-рой явл-ся метагалактика, которая объединеяет все известные сегодня Галактики и явл-ся видимой частью вселенной. Самые далёкие объекты метагалакити - это квазары.

Под Вселенной понимается окружающий нас известный или неизвестный мир, т.е. всё сущее.

Структурные уровни орг-ции материи. Система представляет собой совокупность элементов и связей м/у ними. Элемент означает минимальный и далее уже неделимый компонент в рамках системы. Совокупность связей м/у элементами образует стр-ру системы.

Устойчивые связи элементов опр-ют упорядоченность системы. Сущ-ют 2 типа связей м/у элементами системы: связи по горизонтали и связи по вертикали. Связи по вертикали — это связи координации м/у однопорядковыми элементами, эти связи носят корелирующий хар-р и ни одна часть системы не может измениться без того, чтобы не изменилась другая часть системы. Связи по вертикали — это связи субординации, т.е. свзи соподчинения элементов. Любая система имеет такие связи. Исходным пунктном всякого системного исследования явл-ся представление о целостности изучаемой системы. Целостность системы означает, что все её составные части, соединяясь вместе, образуют уникальное целое, обладающее новыми св-вами. В естеств. науках выделяются 2 больших класса мат. систем:

1. системы неживой природы:

   1. элементарные частицы;

   2. атомы;

   3. молекулы;

   4. поля;

   5. физический вакуум;

   6. макроскопические тела;

   7. планеты и планетные системы;

   8. звёзды и звёздные системы;

   9. системы галактик и метагалактика;

2. системы живой природы:

   1. системы доклеточного уровня (нуклеиновые кислоты и белки);

   2. клетки;

   3. надорганизменные стр-ры (виды, популяции и биоценозы);

   4. биосфера;

Концепции относительности пространства и времени.

(1) Понятие пространства и времени. То, что происходит в данное точке и в данный момент времени наз-ют элементарным событием. Совокупност всех возможных событий принято наз-ть миром. В мире каждому событию соответствует мировая точка. Последовательность событий — это мировая линия.Физический мир трехмерен, положение произвольной точки задаётся тремя числами, а время одним числом. Способ, посредством которого каждому событию ставится в соответствие набор 4-х чисел наз-ют системой отсчёта. При практическом построении нужно выбрать начало отсчёта и оси координат. К ним добавляют масштаб длины, а для измерения промежутков времени — эталонные часы. Пространоство и времени традиционно в философии и науке расс-ся как осн. формы сущ-ия материи. Хар-ками пространства считаются однородность и изотропность (независимость св-в от направления). Время также однородно (любой процесс может быть ч/з некоторый промежуток времени может быть повторён). С однородностью времени связно понятие симметрии мира. Для времени хар-на необратимость.

Эйнштейн в 1905 году показал, что закон постоянства распр-ия света в вакууме и принцип относительности совместимы. Это положение составляет основу спец. теории относительности. Он отметил, что класс. механика опиралась на 2 ничем не оправданные гипотезы:

1. промежуток времени м/у 2-мя событиями не зависит от состояния движения тела отсчёта;

2. пространственное расстояние м/у точками твердого тела не зависиот от состояния движения тела отсчёта.

Отсюда вытекало, что промежуток времени и расстояние имеют абсолютные значения. Эйнштейн преположил, что расс-ая возникшие противоречия, он предложил отказаться о неизменности и абсолютности св-в пространства и времени. Из спец. теори относительности следует, что длина тела и длительность происходящих в нём процессов явл-ся относительными величинами. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, а продольные размеры тела сокращаются. При переходе к скорости света Галилео Галилей создал преобразования, когда он работал с несветовыми скоростями, а Лоренц описал преобразования в случае приближенными с световыми скоростями (шар на скорости света будет выглядить для стороннего наблюдателя это будет сплюснутый элипсоид вращения). изменяется не только время и форма, но и масса: она неограниченно растёт и в пределе приближаетя к бесконечности, поэтому согласно теории относительности движение со скоростью, превышающей скорости света, невозможны. Эйнштейн пришёл к заключению, что масса тела есть мера содержащейся в нём энергии. Он формулирует важный вывод о том, что E=mc2. Когда речь идёт о больших скоростях, то говорят о релятивистской физике. Малые скорости — это нерелятивистская физика. Масса должна расс-ся как сосредоточение колоссального кол-ва энергии.

Парадокс близнецов. Согласно теории относительности Эйнштейна темп времени на космическом корабле замедляется и все процессы медленнее, чем на земле. Тогда космонавт, вернувшийся на Землю, окажется моложе своего брата-близнеца. Но возникает парадокс, которые заключается в следующем: относительно космонавта его брат-близнец тоже окажется моложе. Парадокс был разрешён Эйнштейном, когда учитывалось несиметричность задачи: скорость космонавта постоянно увеличивалась и он переходил из одно системы отсчёта в другую. Системы отсчёта, связанные с близнецами, неидентичные: одна из них инерциальная (Земля) и неинерциальная (корабль). Тогда с точки зрения космонавта его брат, оставшийся на Земле, к концу путешествия будет старше. Если бы не было замедления времени, то частицы бы не долетали до нужной точки: время их жизни очень маленькое.

Пространство — это 3-хмерный континуум. Континуум — это непрерывность данной точки. Но в класс. физике пространство и время расс-ся вне друг друга и от друг друга не зависят. Поэтому нельзя говорить «сейчас», если не оговорено «где».

Расс-ая идеи Эйнштейна и французского физика Пуанкаре, русский математик Меньковский в 1908 году ввёл 4-хмерный пространственно-временной континуум. В этом случае любое и физ. событие есть некая точка в 4-хмерном мире и опр-ся она будет 4-мя числами: 3-мя координатами и временем.

Общая теория относительности. Он задумался, что будет, если системы отсчёта будут изменятся: скорость будет меняться. Общая теория относительности была распр-на и на неинерциальные системы отсчёта, т.е. на системы, движущиеся с ускорением. Теория создавалась с 1905 года по 1917 год. «Если раньше считалось, что если убрать все мат. объекты, то пространство и время не исчезнет, а согласно теории относительности это произойдёт». В спец. теори относительности св-ва пространства и времени расс-ся без учёта гравитационных полей, т.к. они не явл-яс инерциальными. А общая теория относительности считает, что создающие поле тяготения массы искривляются пространство и меняют течение времени. Тяготение не причина кривизны пространства, а оно само и есть. Чем сильнее пол, тем медленнее течёт время по сравнению с течением времени вне поля. Кроме этого, тяготение зависит не только от распр-ия масс в пространстве, но и от их движения. Изменения гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света, и в общей теории относительности материя, расположение и движение тяготеющих масс влияют на св-ва пространства и времени. В масштабах метагалактики пространство и время изменяется (геометрия Меньковского-Риммана). При скоростях, приближающихся к скорости света, при сильном поле пространство переходит в сингулярное состояние, т.е. сжимается в точку.

Свет, обладая инертной массой, теряет энергию на преодоление гравитационного притяжения, испускающего его тела. А потеря светом энергии означает увеличение его длины волны. Этот эффект наз-ся гравитационным красным смещением. Такое смещение экспериментально наблюдается в спектральных линиях солнца. Это было доказано: двое часов поместили на разную высот в один метр, и, используя особо точные часы, увидели разницу во времени на этих часах (а может, часы китайские были!).

Поэтому Эйнштейн ввёл понятие массы тяготения и инертной массы, и для описания законов природы он сделал их эквивалентными.