21

ПОСОБИЕ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ТЕСТИРОВАНИЮ ПО КСЕ (Версия 1. от 23.10.11, сост. Гомбоева Л.В.).

Тестирование включает в себя 6 разделов:

Раздел 1. Эволюция научного метода и естествознания 2

Раздел 2. Порядок и беспорядок в природе 4

Раздел 3. Пространство время, симметрия 8

Раздел 4. Структурные уровни организации материи 11

Раздел 5. Биосфера и человек 13

Раздел 6. Панорама современного естествознания. 16

Краткие пояснения ко всем разделам, касающиеся общей истории естествознания:

В КСЕ выделяют 5 картин мира: античную, механистическую, электромагнитную, неклассическую, современную ( постнеклассическую).

1. В античности выделяют атомистическую, дискретную Демокрита (мир состоит из неделимых атомов и пустоты, в мире нет случайности – строгий детерминизм), и континуальную Аристотеля (пустоты нет, космос ограничен сферой неподвижных звезд, заполнен водой, воздухом,огнем, землей или эфиром, взаимодействие есть одностороннее воздействие одного тела на другое). .

2. Согласно механистической картине мира Ньютона (1642-1727), мир также состоит из атомов и пустоты, пространство и время носят абсолютный характер, т.е. они не зависят от находящейся в нем материи. Они бесконечны и безграничны. Это пустое вместилище тел. Есть только один вид материи вещество, и только один вид движения – механическое перемещение тел в пространстве Признавался принцип дальнодействия – скорость передачи взаимодействий бесконечна, взаимодействия распространяются в пустоте. Строгий детерминизм.

3. Согласно электромагнитной картине мира Максвелла (вторая половина 19 в.), помимо вещества есть еще другой вид материи - электромагнитное поле, которое отождествлялось в то время с эфиром Строгий детерминизм. Принцип близкодействия – скорость передачи взаимодействий ограничена.

4. Согласно неклассической квантово-полевой и релятивистской картине мира, сформированной в нач 20 в. на основе теории относительности Эйнштейна и квантовой механики. В квантовой механике признается случайность (мы можем знать положение частицы только с определенной долей вероятности), неопределенность (согласно принципу неопределенности Гейзенберга, чем точнее мы знаем одну характеристику, тем менее точно мы можем знать другую, сопряженную с ней величину. Такие сопряженные величины координата и импульс частицы, а также время и энергия) и дополнительность (противоположности не исключают, а дополняют друг друга). В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитном излучении продолжилось в рамках квантовой теории поля, основы которой были заложены великим немецким физиком Максом Планком. В рамках квантовой электродинамики принято рассматривать электромагнитное излучение как поток квантов света. Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон - квант электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие — это один из основных видов фундаментальных взаимодействий. Существует теория, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействие в одно - электрослабое. Так же развивается теория, объединяющая электромагнитное и гравитационное взаимодействие.Признается принцип корпускулярно-волнового дуализма – свойство быть волной и свойство быть частицей не исключает, а дополняет друг друга.

5. Согласно современной постнеклассической картине мира (вторая половина 20 в. по настоящий момент) мир развивается от простого к сложному путем самоорганизации Мир возник примерно 15 млрд лет назад из сингулярной точки в результате Большого взрыва. До этого не было ни пространства, ни времени. Сегодня различают 4 типа фундаментальных взаимодействий:

1. Сильное взаимодействие (короткодействующее, радиус действия около 10^-13 см) связывает между собой нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре; именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разру­шить. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии образуют особый класс и называются адронами. Адроны участвуют в сильном, слабом и ЭМ взаимодействии. Без сильных взаимодействий не сущ атомные ядра, а звезды и Солнце не могли ьы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.

2. Электромагнитное взаимодействие (дальнодействующее, радиус действия не ограничен) определяет взаимодействие между электронами и ядрами атомов или молекул; взаимодействующие частицы имеют электрические заряды; проявляется в химических связях, силах упругости, трения. Электромагнитное взаимодействие свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон. В процессе ЭМ взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является основным в химии и биологии. Квант эм поля – фотон.

3. Слабое взаимодействие (короткодействующее, радиус действия меньше 10^-15 см), в котором участвуют все эле­ментарные частицы, обусловливает взаимодействие нейтри­но с веществом. Оно простирается на расстояние порядка 10^-15-10^-22 см и связано главным образом с распадом частиц, например с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с соврем уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию. Слабое взаимодействие, или слабое ядерное взаимодействие — одно из четырех фундаментальных взаимодействий в природе. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвертого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного.

Свойства В слабом взаимодействии участвуют все фундаментальные фермионы (лептоны и кварки). Это единственное взаимодействие, в котором участвуют нейтрино (не считая гравитации, пренебрежимо малой в лабораторных условиях). Слабое взаимодействие позволяет лептонам, кваркам и их античастицам обмениваться энергией, массой, электрическим зарядом и квантовыми числами — то есть превращаться друг в друга.

Слабый распад. Процесс распада более массивной частицы на более легкие вследствие слабого взаимодействия называется слабым распадом. Типичным примером является бета-распад нейтрона.

4. Гравитационное взаимодействие — самое слабое, не учитывается в теории элементарных частиц; распространя­ется на все виды материи; имеет решающее значение, когда речь идет об очень больших массах. Гравитационное взаимод присуще всем без исключ частицам и полям.

Соотношение констант As:aE:aw:aG=1:1/137:10^-15:10^-39. Все четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира.

Раздел 1. Эволюция научного метода и естествознания

Гуманитарное знание отличается от естественнонаучного субъективностью, нестрогим образным языком, интересом к индивидуальным свойствам изучаемых предметов, ограниченностью применения принципов верификации и фальсификации. Среди приведенных характеристик использование нестрогого образного языка свойственно только гуманитарному знанию.

От истинной науки псевдонаука отличается тем, что она … не связана с получением достоверного знания;  невосприимчивостью к критике и восхвалением своих результатов

Гуманитарное знание отличается от естественнонаучного субъективностью, нестрогим образным языком, интересом к индивидуальным свойствам изучаемых предметов, ограниченностью применения принципов верификации и фальсификации. Среди приведенных характеристик использование нестрогого образного языка свойственно только гуманитарному знанию.

От истинной науки псевдонаука отличается невосприимчивостью к критике и восхвалением своих результатов.

Результатом процесса дифференциации научного знания является органическая химия, которая из всего многообразия химических веществ изучает органические соединения – углеводороды и их многочисленные производные.

Тема: Научный метод познания

Мысленное или реальное разложение объекта на составляющие части – это анализ, который проводится с целью более глубокого изучения той или иной стороны объекта. Процесс аналитического рассуждения от общего к частному или менее общему – метод дедукции. Изучение объекта путем создания и исследования его копии – это моделирование.

Точность заключается в том, что научное знание должно быть максимально приближено к объективной реальности. Системность проявляется в том, что в структуре знания прослеживается внутреннее единство и взаимосвязь всех составляющих частей. Независимость знания от индивидуальных особенностей ученого отражает его объективность.

Суть принципа верификации (верифицируемости) (от лат. verus – истинный,  facere – делать) заключается в том, что любая гипотеза, любое теоретическое положение должны быть проверены на практике. Согласно принципу фальсификации (фальсифицируемости) (от лат. falsificare – подделываю, фальшь), только то знание может претендовать на звание «научного», которое в принципе опровержимо. Суть принципа соответствия состоит в том, что никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к определенной области явлений. Новая теория не отбрасывает старую, а включает ее в себя для описания явлений в определенной ограниченной области.

В физике атомного ядра и элементарных частиц во второй половине XX века появилась гипотеза о существовании кварков. Эта гипотеза легла в основу современной модели (теории) строения атомного ядра. Сохранение энергии в процессах превращения элементарных частиц – это закон природы.

Абиогенный синтез в условиях ранней Земли – это исходная гипотеза в концепции (теории) биохимической эволюции А.И. Опарина – Дж. Холдейна. Сохранение и превращение энергии в процессах развития живых систем – это всеобщий закон природы. Возникновение жизни как результат биохимической эволюции – это одна из концепций (теорий) происхождения жизни, эмпирически наиболее подтвержденная.

Тема: Развитие представлений о материи

Понятие материи как субстанции, составляющей первооснову всего сущего, возникло как ответ на постановку Фалесом основного вопроса всей древнегреческой философии: «что есть всё?»

Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Таким образом, атомно-молекулярное учение с необходимостью предполагает, что все тела и вещества состоят из некоторых неделимых и неизменных частиц, то есть имеют дискретную структуру (согласно словарю Ожегова, дискретный – раздельный, состоящий из отдельных частей). Если бы вещество имело непрерывную структуру (как считал, например, Аристотель), его можно было бы бесконечно делить на все более мелкие фрагменты, нигде не встречая каких-либо естественных преград этому процессу. Основы атомно-молекулярного учения были заложены еще в XVII веке, в то время как периодический закон был открыт лишь во второй половине XIX века, а концепция корпускулярно-волнового дуализма – уже в XX веке.

Атомисты (Демокрит) считали пустоту самостоятельным элементом мироздания. Аристотель же учил, что материя непрерывна, бесконечно делима и заполняет Вселенную, не оставляя места пустоте. Похожая идея лежала в основе концепции мирового эфира – гипотетической всепроникающей упругой среды, которой заполнена Вселенная. В современной научной картине мира принято представление о такой форме материи, как физический вакуум, вездесущий, неустранимый и при этом имеющий сложную динамическую структуру и ненулевую энергию. Конечно, такую материальную среду никак нельзя считать абсолютной пустотой.

В современном естествознании признается существование нескольких заметно отличающихся по своим свойствам форм материи (вещество, поле, физический вакуум, «темная материя»…). Поэтому для современного ученого рабочим инструментом может служить лишь очень широкое определение материи, согласующееся с требованиями научного метода познания.

Эффект Доплера заключается в том, что длина волны (и соответственно частота) излучения, принимаемого наблюдателем от подвижного источника, изменяется по сравнению c длиной волны излучения того же источника, если бы он был неподвижен. Эффект имеет место для волн любой природы (электромагнитных, звуковых, других), а величина его пропорциональна скорости источника.

После открытия корпускулярно-волнового дуализма стало понятно, что корпускулярная и континуальная программы описания структуры материи не противоречат друг другу, а взаимно дополняют.

Тема: Развитие представлений о движении

Приведенные высказывания Аристотеля и Левкиппа не имеют отношения к идее вечности и неуничтожимости движения. Высказывание Галилея относится к одному движению (вращению) одного конкретного тела – Земли, и не может выражать общую концепцию. А вот высказывание Гераклита действительно иллюстрирует проповедовавшуюся им концепцию всеобщего движения как основы мировой гармонии. Войти в ту же самую реку действительно невозможно: в ней течет уже другая вода, по другому руслу, да и сам входящий уже не тот, каким он был в прошлый раз.

Представление о многообразии форм движения и их несводимости друг к другу впервые появилось в  электромагнитной научной картине мира. Противоположное представление – о сводимости всех форм движения к одной – характерно только для механической научной картины мира.

Механическое описание процессов как перемещения каких-то тел или частиц невозможно или неверно, например, в случаях, когда: 1) речь идет о качественных превращениях. Например, рассмотрение геологической эволюции планеты требует рассматривать не только механическое перемещение вещества в ее недрах и на поверхности, но и происходящие при этом химические реакции, изменение физического состояния вещества (плавление или кристаллизация), ядерные реакции и т.д.; 2) рассматриваются колебания электромагнитного или иных физических полей в условиях, благоприятствующих проявлению волновой стороны этих колебаний. Например, радужная пленка на поверхности лужи, в которую попало масло из автомобиля, объясняется интерференцией света (электромагнитной волны, проявляющей в данном случае именно волновую сторону своей природы), отражающегося от верхней и нижней поверхности масляной пленки; 3) рассматривается движение микрочастиц в условиях, требующих учитывать законы квантовой механики. Например, движение протона в ядре ограничено микроскопической областью с размерами порядка его длины волны (де Бройля). В этих условиях протон ведет себя уже не как частица, а как волна, и представление о траектории его движения неверно в принципе.

Об иерархии форм движения удобно судить по последовательности их возникновения по ходу эволюции Вселенной: физическая – химическая – биологическая – социальная. Каждая последующая возникает на базе предыдущей, но отличается от нее принципиально новыми, системными свойствами и потому не сводима к ней.

Тема: Развитие представлений о взаимодействии

Согласно теории Аристотеля, Вселенная плотно заполнена материей. По этой причине между любыми двумя телами обязательно найдется цепочка прилегающих друг к другу тел-посредников, по которой, как по эстафете, и передается воздействие одного тела на другое. Это – первоначальная форма концепции близкодействия. Концепция дальнодействия предполагает передачу взаимодействий через пустоту, существования которой Аристотель не признавал. Взаимодействие у Аристотеля не симметрично: в нем есть активная сторона, которая действует на пассивную, и пассивная (движимая) сторона, которая не оказывает никакого сопротивления. Наконец, приписывание Аристотелю квантово-полевого механизма было бы сильнейшим анахронизмом, поскольку Аристотель умер за 23 столетия до создания квантовой механики.

Из всех научных картин мира концепция дальнодействия была присуща только механической, все более поздние научные картины опираются на концепцию близкодействия. В первоначальном виде концепция близкодействия описана Аристотелем, который учил, что воздействие передается либо при непосредственном соприкосновении взаимодействующих тел, либо по цепочке расположенных между ними тел-посредников. Но Аристотель, в отличие от представителей любой научной картины мира, считал взаимодействующие тела неравноправными, выделяя среди них движущее (активное) и движимое (пассивное).

Зрительный образ на сетчатке глаза, на полупроводниковой матрице цифрового фотоаппарата или на другом аналогичном устройстве создает электромагнитное излучение. Поэтому, чтобы объект можно было увидеть, он должен поглощать, отражать, рассеивать или еще каким-то образом изменять падающие на него электромагнитные волны. Но это возможно только при условии, что объект способен принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

Современные представления о взаимодействии опираются на концепцию близкодействия, согласно которой взаимодействия передаются через материального посредника – то или иное физическое поле. При этом скорость передачи взаимодействия не может превышать скорость света. Поэтому если что-то случится с Солнцем, мы сможем это заметить лишь спустя время, необходимое свету, чтобы добраться от Солнца до Земли.

Молекулы стабильны благодаря электромагнитным взаимодействиям между входящими в их состав атомами. Силы электромагнитного происхождения обеспечивают взаимодействие между молекулами, которое стабилизирует макроскопические тела,  например столы и стулья. Однако те же силы электромагнитного происхождения стремятся разрушить атомное ядро, поскольку входящие в его состав протоны заряжены одноименно и отталкиваются друг от друга. Стабильность атомного ядра обеспечивается сильным взаимодействием. На космических же расстояниях из всех фундаментальных взаимодействий эффективно только гравитационное, которое и обеспечивает стабильность Солнечной системы.

Тема: Развитие научных исследовательских программ и картин мира (история естествознания, тенденции развития) Атомистическая исследовательская программа Левкиппа – Демокрита была основана на идеях о том, что весь материальный мир состоит из дискретных неделимых атомов, и все в мире сводится к перемещению атомов в пустоте.

Континуальная исследовательская программа Аристотеля была основана на идеях о том, что материя н

Согласно программе рационального объяснения мира, появившейся в Древней Греции, каждое событие имеет естественную причину, и мир познаваем человеческим разумом.

В электромагнитной картине мира по сравнению с механической новыми были представления о существовании второй формы материи – поля – и о механизме передачи взаимодействий через поля.

В квантово-полевой картине мира по сравнению спредыдущими появились представления о корпускулярно-волновом дуализме материальных объектов и фундаментальной роли случайности и статистических закономерностей.

В современной картине мира (вторая половина XX века по настоящее время), по сравнению спредыдущими, появились представления о развитии природных систем по пути самоорганизации и о существовании третьей формы материи – физическом вакууме.