- •Концепции современного естествознания Лекция 1. Тема: Введение в дисциплину.
- •1. Естествознание. Определение и содержание понятия. Задачи естествознания
- •2. Взаимосвязь естественных наук. Редукционизм и холизм.
- •3. Фундаментальные и прикладные науки. Технологии
- •4. Тезис о двух культурах.
- •Лекция 2. История развития естествознания
- •1. Этапы (стадии) познания природы
- •2. Глобальные естественнонаучные революции
- •Роль космологии в естественнонаучных революциях
- •Концепции современного естествознания Лекция 3. Методология научных исследований
- •1. Понятие методологии и метода
- •2. Методы научного познания 2.1. Общенаучные методы
- •2. Методы эмпирического и теоретического познания
- •3. Формы научного знания
- •4. Процесс научного познания
- •5. Критерии истинности научного знания
- •Лекция 4. Механика и методология Ньютона
- •1. Движение - одна из основных проблем естествознания
- •2. Механика Галилея как основа механики Ньютона
- •3. Механика Ньютона
- •4. Ньютоновская методология исследований
- •5. Оптика Ньютона – предвосхищение современной концепции о двойственной природе света
- •Лекция 5. Механическая картина мира (мкм)
- •1. Понятие научной картины мира
- •2. Формирование механической картины мира (мкм)
- •3. Основные понятия и законы мкм
- •4. Основные принципы мкм
- •Лекция 6. Термодинамическая картина мира (I)
- •1. Промышленная революция и развитие теории теплоты
- •2. Работа в механике. Закон сохранения и превращения энергии в механике
- •3. Теплородная и кинетическая теория теплоты
- •4. Термодинамика и статистическая физика
- •Лекция 7. Термодинамическая картина мира (II). Второе начало термодинамики
- •1. Идеальный цикл Карно.
- •2. Энтропия. Термодинамическая трактовка.
- •3. Энтропия. Вероятностная трактовка.
- •Лекция 8. Термодинамическая картина мира (III). Стрела времени
- •1. Вероятность как атрибут больших систем.
- •2. Стрела времени
- •3. Проблема тепловой смерти Вселенной и флуктуационная гипотеза Больцмана.
- •Лекция 9. Электромагнитная картина мира (эмкм)
- •1. Основные экспериментальные законы электромагнетизма.
- •2. Теория электромагнитного поля д. Максвелла
- •3. Электронная теория Лоренца.
- •Лекция 10. Специальная теория относительности. Основные идеи общей теории относительности
- •1. Проблема равноправия инерциальных систем отсчета и мирового эфира.
- •2. Постулаты и основные следствия сто
- •3. Относительность промежутка времени:
- •3. Основные идеи общей теории относительности.
- •1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.
- •2. Луч света, обладающий инертной, а, следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения.
- •3. Частота света под действием поля тяготения должна смещаться в сторону более низких значений.
- •4. Основные понятия и принципы эмкм
- •Лекция 11. Квантово-полевая картина мира (кпкм)
- •1. Формирование идеи квантования физических величин
- •2. Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества.
- •3. Соотношения неопределенностей Гейзенберга
- •4. Основные понятия и принципы кпкм
- •Лекция 12. Многообразие и единство мира
- •1. Структурные уровни материи
- •2. Элементарные частицы, фундаментальные частицы и частицы – переносчики фундаментальных взаимодействий
- •3. Атомное ядро
- •4. Молекулы и реакционная способность веществ.
- •5. Макроскопические тела. Фазовые переходы.
- •Лекция 13. Мегамир, основные космологические и космогонические представления (I)
- •1. Основные представления о мегамире
- •2. Солнечная система
- •3. Гипотезы о происхождении планет Солнечной системы
- •Лекция 14. Мегамир. Основные космогонические представления (II)
- •1. Звезды, их характеристики, источники энергии
- •2. Галактики и метагалактики
- •3. Структура и геометрия Вселенной
- •Лекция 15. Мегамир, основные космогонические представления (III)
- •1. Эволюция звезд
- •2. Возникновение Вселенной. Теория Большого Взрыва
- •3. Антропный принцип.
- •Лекция 16. Химическая эволюция Земли
- •1. Химическая эволюция Земли
- •2. Понятие самоорганизации в химии.
- •3. Общая теория химической эволюции и биогенеза
- •Лекция 17. Специфика живого
- •1. Предмет изучения, задачи и методы биологии
- •2. Специфика и системность живого
- •3.Уровни организации живых систем
- •Лекция 18. Термодинамика живых систем. Жизнь как информационный процесс.
- •1. Термодинамика живых систем
- •2.Управление и регулирование в живых системах 2.1 Задачи управления и регулирования
- •2.2 Информационные связи внутри организма
- •2.3 Цели и специфика управления в живых системах
- •Лекция 19. Концепция эволюции в биологии
- •1. Эволюционная теория Дарвина – Уоллеса
- •2 Современная (синтетическая) теория эволюции
- •Лекция 20. Человек
- •1. Место человека в системе животного мира и антропогенез
- •2. Основные этапы развития человека разумного
- •3. Дифференциация на расы. Расы и этносы
- •4. Эколого-эволюционные возможности человека
- •5. Биосоциальные основы поведения
- •Лекция 21. Биосфера и цивилизация
- •1. Биосфера и место человека в биосфере
- •2. Антропогенный фактор и глобальные экологические проблемы
- •3. Негэнтропийный взгляд на экологические проблемы
- •Лекция 22. Основные концепции и перспективы биотехнологии
- •1. Микробиология
- •2. Инженерная энзимология
- •3. Перспективы биотехнологии и проблемы биологической безопасности. Биоэтика
- •3.1. Генная и клеточная инженерия
- •3.2. Евгеника
- •3.3. Клонирование
- •3.4. Расшифровка генома человека
- •3.5. Биоэтика
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Лекция 23. Принципы симметрии в научной картине мира
- •1. Понятие симметрии
- •2. Симметрия пространства – времени и законы сохранения
- •3. Симметрия и асимметрия живого
- •4. Нарушение симметрии как источник самоорганизации
- •Лекция 24. Эволюционно-синергетическая парадигма
- •1. Концепция самоорганизации в науке
- •2. Основные понятия и принципы синергетики
- •Лекция 25. Эволюционно-синергетическая парадигма (продолжение)
- •1. Примеры самоорганизации в неживой природе
- •2. Самоорганизация в социальных системах
- •Лекция 26. Естествознание в мировой культуре
- •1. Проблема двух культур
- •2. Перспективы интеграции знаний в науке будущего
- •Рабочая программа по учебной дисциплине "Концепции современного естествознания" для направлений 521500, 521600, 522000, специальностей 060300,060400,060800,0,6100, 061400
- •1. Цели и задачи курса
- •2. Требования к знаниям
- •3. Структура и объем курса
- •4. Содержание дисциплины
- •Тема 1. Две культуры как отражение двух типов мышления
- •Тема 2. Физика глазами гуманитария. Физические картины мира.
- •Тема 3. Физика как целое.
- •Тема 4. Жизнь. Биологическая картина мира.
- •Тема 5. Биосфера и цивилизация
- •Тема 6. Основные концепции и перспективы биологии
- •Тема 7. Эволюционно-синергетическая парадигма
- •5. Перечень лабораторных работ (по 4 час.)
- •6. Перечень практических и семинарских занятий
- •7. Расчет часов по темам (для 522000, 061400)
- •8. Методические рекомендации
- •9. Литература
- •4.1 Основная
- •4.2 Дополнительная
- •Лабораторная работа №1. Фрактальные структуры в окружающем мире
- •1. Теоретический материал
- •1.1 Фрактальные структуры
- •1.2 Фрактальная размерность
- •1.3. Фрактальные кластеры
- •2. Порядок выполнения работы
- •Наверх Лабораторная работа №2. Дискретные модели динамических систем. Клеточные автоматы
- •1. Теоретический материал
- •1.1. Представление сложных динамических процессов в виде дискретных систем
- •1.2. Моделирование процесса роста с помощью клеточного автомата
- •2. Выполнение лабораторной работы
Лекция 11. Квантово-полевая картина мира (кпкм)
1. Формирование идеи квантования физических величин 2. Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества 3. Соотношения неопределенностей Гейзенберга 4. Основные понятия и принципы КПКМ Контрольные вопросы Литература |
В основе современной КПКМ лежит новая физическая теория – квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов. Это – четвертая (после механики, электродинамики и теории относительности) фундаментальная физическая теория. Она является базой для развития современного естествознания.
В основе квантовой механики лежат фундаментальные идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме (единстве корпускулярного и континуального подхода к описанию мира).
1. Формирование идеи квантования физических величин
Определение: физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, называются квантованными. А само их выражение через квантовые числа называется квантованием. Сама идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце 19-го – начале 20-го века. Рассмотрим основные из них.
Открытие электрона. В 1897 г. был открыт электрон. Его заряд оказался наименьшим, элементарным. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов. Таким образом, заряд дискретен, а равенство q=±ne представляет собой форму квантования электрического заряда.
Тепловое излучение. Во второй половине 19 в. в результате исследования теплового излучения был открыт ряд законов: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Однако из теории, основанной на традиционных представлениях об электромагнитных излучениях, следовало, что энергия теплового излучения на всех частотах (во всем интервале длин волн) равнялась бесконечности, что противоречило закону сохранения энергии. Особенно ярко это противоречие проявлялось в области коротких длин волн, поэтому оно получило название «ультрафиолетовой катастрофы».
В 1900 г. Макс Планк (1858-1947) для выхода из этой ситуации предложил следующую гипотезу (впоследствии названную квантовой гипотезой Планка): электромагнитное излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Гипотеза Планка фактически стала началом новой физики – квантовой физики (старая при этом получила название классической). Согласно этим представлениям энергия кванта e = h×n, где n - частота, а h – постоянная Планка, равная 6,626×10-34 Дж×с. Она является фундаментальной физической константой (квант действия).
Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, она может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии W =n×h×n, где n = 1,2,3… - целые числа.
В конце 19 в. в результате экспериментов были установлены законы фотоэффекта – явления выбивания электронов из вещества под действием света: 1) независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света, а зависимость ее только от частоты световой волны и 2) наличие для каждого вещества «красной» границы фотоэффекта, т.е. минимальной частоты, при которой фотоэффект еще возможен. Эти законы не могли быть объяснены на основе представлений ЭМКМ.
В 1905 г. А. Эйнштейн, приняв гипотезу Планка, расширил ее, предположив, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами (названными впоследствии фотонами). Таким образом, свет представляет собой поток световых частиц – фотонов. Как видно, это возвращает нас к корпускулярным воззрениям Ньютона, но на новом уровне.
Энергия фотона e = h×n = mc2, импульс P = mc = hn/c = h/l. Эти соотношения означали, что масса покоя фотона m0 = 0 (покоящийся фотон не существует), а скорость его равна скорости света. Масса движения фотона m = hn/c2 = P/c. На основе фотонных представлений и закона сохранения и превращения энергии Эйнштейн записывает основное уравнение фотоэффекта hn = A + Ek (энергия фотона расходуется на работу выхода электрона из атома и придание ему кинетической энергии.
К началу документа