История и методология науки
 Скачать 1.6 Mb.
|
|
первое начало термодинамики , в соответствии с которым любое изолированное тело стремится сохранить свою внутреннюю энергию. 53 Широкое признание в научном мире этот закон получил благодаря деятельности знаменитого физика и физиолога Германа Людвига Фердинанда фон Гельмгольца (1821-1894), показавшего на основании этого закона принципиальную невозможность вечного двигателя. В оформлении теоретической основы термодинамики велика заслуга Сади Карно (1796-1832), разработавшего принципиальную схему тепловой машины, а также Рудольфа Эмануэля Клаузиуса (1822-1888), с именем которого связано понятия энтропии, открытие второго закона термодинамики, создание молекулярно-кинетической теории газов. Основания молекулярно-кинетической теории были заложены формальным описанием закономерностей поведения «идеального газа». Общий закон тепловых процессов в идеальных газах устанавливал взаимную связь массы газа, его температуры, давления и объема (уравнение Клапейрона – Менделеева). В молекулярно-кинетической теории устанавливалось, что теплота не что иное, как связанная с мельчайшими частицами вещества энергия их движения Хаотическое движение молекул газа или жидкости было сведено к понятию теплового движения, которое и определяет все тепловые свойства тел. Было введено понятие внутренней энергии тела, обусловленной тепловым движением составляющих его атомов и молекул, которая пропорциональна температуре тела. Под количеством теплоты стали понимать энергию, получаемую телом или отдаваемую им в окружающую среду. В замкнутой системе, которая не имеет с окружающей средой ни теплового, ни механического взаимодействия, все протекающие в системе процессы регулируются внутренней энергией. Полное изменение энергии тела складывается из приращения количества теплоты и совершаемой работы. При этом работа не является функцией состояния тела (как в механике, например, потенциальная и кинетическая энергия), а характеризует происходящий с 53 В современных учебниках первое начало термодинамики звучит так: для изолированного тела имеет место закон сохранения внутренней энергии. Ипатова И.П., Мастеров В.Ф., Уханов Ю.И. Курс физики: в 2.т. Т.I: Механика. Термодинамика. СПб: Изд-во СПбГПУ, 2003, с.279. 125 телом процесс, затрагивающий изменение его внутренней энергии, и зависит от способа перехода в другое тепловое состояние. Представление о термодинамическом равновесии и понятие энтропии (греч. έντροπία - поворот, превращение), отражающее количественную меру необратимости протекающих тепловых процессов, привели к открытию новой закономерности тепловых процессов. По определению Клаузиуса, элементарная энтропия – это отношение количества теплоты (в калориях) к соответствующей температуре ( Q ). Полная энтропия равна сумме таких элементов. При смешивании жидкостей или газов с различной температурой, их общая температура снижается, а суммарная энтропия увеличивается. 54 В 1865г. Клаузиус формулирует новый закон термодинамики для равновесных систем: при всех процессах суммарная энтропия системы возрастает . Эта закономерность касается полных систем, включающих не только данное тело, но и его окружение (например, вода + окружающий воздух). Тенденция к возрастанию энтропии определяет направление многообразных процессов в природе, указывая направление потока тепла, химической реакции, движения сжатого газа при наличии свободного пространства. Это положение Клаузиуса получило название второго начала термодинамики. Физика XIXв. установила, что в телах скрыта огромная тепловая энергия. Инженеры и ученые XIXв. пытались изобрести машину, которая бы отбирала тепловую энергию от окружающей среды и всю ее превращала в работу. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя второго рода. Первый закон термодинамики не ограничивал возможностей превращения тепла в механическую работу. Однако сформулированное в середине века второе начало термодинамики говорило о принципиальной невозможности такой машины из-за возрастания энтропии. Механическая работа может переходить в тепло (например, в результате трения), но обратный процесс превращения тепла в механическую работу в замкнутой системе невозможен, поскольку макроскопическое тело всегда переходит в более вероятное состояние, в частности менее нагретое. Так, например, невозможно получить горячий пар, просто разделяя холодную и горячую компоненты воды. В реальной ситуации потоки холодной и горячей воды смешиваются, 54 В современной физике энтропия – функция состояния термодинамической системы, изменение которой в равновесном процессе равно отношению количества теплоты, сообщённого системе или отведённого от неё, к термодинамической температуре системы. 126 температура выравнивается, происходит отдача тепла в окружающее пространство, а не наоборот. Сади Карно впервые обратил внимание на то обстоятельство, что запрет второго закона термодинамики относится к замкнутой системе, состоящей из непосредственно контактирующих тел с различной температурой. Если же между горячим и холодным телом поместить разъединяющее их третье тело, можно осуществить и превращение тепла в работу, и перенос тепла от холодного тела к горячему. Принципиальная схема тепловой машины Карно включала три тела: нагреватель (тело с высокой температурой), холодильник (тело с низкой температурой) и рабочее тело, которое при неизменной внутренней энергии обеспечивает постоянный круговой процесс теплообмена. Такой круговой процесс получил название термодинамического цикла. Цикл Карно состоял из процессов изотермического и адиабатического расширения и сжатия идеального газа. В физике тепловых процессов идеальный цикл Карно играет очень важную роль, указывая пределы превращения тепловой энергии в механическую работу. Коэффициент полезного действия цикла Карно максимален для тепловых машин и определяется только разностью температур холодильника и нагревателя. Запас энергии, который в принципе можно превратить в полезную работу, назвали свободной энергией. В самопроизвольно протекающих процессах свободная энергия непрерывно уменьшается, а суммарная энтропия возрастает. Этому способствует и человечество, сжигая ежеминутно миллионы тонн угля и нефти. В области термодинамики при исследовании поведения больших масс газа формируется представление о статистических закономерностях. До сих пор физика оперировала только понятием динамического закона, сформулированного в классической механике. Исследования массы газа и жидкости в рамках молекулярно-кинетической теории показали, что для совокупности частиц нельзя определить точное движение одной частицы, но можно установить диапазон ее возможного движения, который выражается законом распределения. Один из первых статистических законов распределения молекул газа по скоростям получил Джеймс Клерк Максвелл (1831-1867) для азота при температурах 20С и 500С. В дальнейшем представление о статистическом законе обобщается, под ним понимается описание поведения большой массы частиц в целом. 55 Статистический закон 55 В одном из своих выступлений Максвелл подчеркивает, что с давних времен существуют и противостоят друг другу две теории строения вещества: теория «заполненности» Вселенной (в основе – непрерывность материи) и атомистическая теория (в основе – дискретность, прерывность материи). Развитие методов 127 в отличие от необходимости динамического закона, имеет вероятностный характер, поскольку только приписывает определенную вероятность каждому из возможных видов случайного поведения частиц, составляющих большую массу. В разработке статистической термодинамики большую роль сыграли труды австрийского физика Людвига Больцмана (1844-1906), которому столь часто приходилось отражать нападки со стороны противников молекулярно- кинетической теории, что одну из своих статей он завершил словами в отношении молекул «И все-таки они движутся», перефразировав знаменитую фразу Галилея. 56 Сегодня не вызывает сомнений, что тепловая, или внутренняя энергия тела пропорциональна температуре, а температура, характеризующая состояние движения частиц должна быть пропорциональна средней кинетической энергии одной частицы. Коэффициент пропорциональности, связывающий среднюю энергию одной частицы с температурой тела, называется постоянной Больцмана (k =1,38 ·10 23 Вт·сек К). На могильной плите Больцмана выгравирована формула, которая раскрывает смысл понятия энтропия: S k ln w . Согласно этой формуле энтропия пропорциональна натуральному логарифму термодинамической вероятности. Иными словами, все физические процессы идут в направлении постепенного перехода от упорядоченного к неупорядоченному состоянию (от состояния с меньшей вероятностью - к состоянию с большей вероятностью). Любой самопроизвольный процесс протекает таким образом, что конечное состояние имеет большую вероятность, чем начальное. Например, низкая температура тела более вероятна, чем высокая в самопроизвольном процессе, чайник скорее остынет, чем нагреется без дополнительных затрат энергии. В современной физике принцип возрастания энтропии имеет такой же общий характер, как и закон сохранения энергии. Однако до сих пор выявляются границы его применимости, выдвигаются возражения, что все дифференциального исчисления связано с учением о непрерывности и являются адекватным выражением отношений непрерывного количества. Теория атомов и пустоты приводит к представлению о конечных силах и отношениях, на основании которого возникает понятие динамической закономерности, а универсальным принципом выступает дальнодействие, наиболее характерное для гравитационных взаимодействий. «Однако в применении динамических принципов к движению громадного числа атомов ограниченность наших способностей вынуждает нас отбросить попытку исследовать точную историю каждого атома и удовлетвориться подсчетом среднего положения группы атомов, достаточно большой, чтобы быть видимой. Этот метод оперирования группами атомов, который я могу назвать статистическим методом, и который при современном состоянии нашего знания является единственно плодотворным методом изучения свойств реальных тел, … включает отказ от чисто динамических принципов и принятие математических методов, относящихся к теории вероятностей». Максвелл Дж.К. Статьи и речи. М.,1968. Цит. по: Концепции современного естествознания. Хрестоматия. Под ред. А.П. Мозелова. Кн. 2. СПб., 2003 56 Г.Линднер. Картины современной физики. С.59. 128 наши знания о термодинамическом равновесии справедливы для ограниченных систем. Применимы ли принципы термодинамики к очень протяженным системам, в частности к практически бесконечной Вселенной? Такие сомнения высказывал уже Больцман. Важнейшим достижением физики XIXв. было создание теории электромагнитных взаимодействий Майклом Фарадеем (1791-1867) и Джеймсом Клерком Максвеллом. Этому предшествовали исследования Анри Ампера, который в 1820г. сформулировал главную идею теории электричества и магнетизма, сведя все наблюдаемые электрические и магнитные явления к единой причине – взаимодействию двух элементов тока. Ампер доказал, что вокруг проводника с током образуется магнитное поле, объяснив причину эффекта, обнаруженного Эрстедом (отклонение магнитной стрелки вблизи проводника с током). В 1820г. на заседаниях Парижской Академии наук Андре Мари Ампер прочитал серию докладов по электромагнетизму, где провел различие между статическим электричеством, которое не влияет на магнитную стрелку, и электричеством в движении, обозначил новый круг электромагнитных явлений, ввел понятие электродинамических сил. Его слушали молодые физики Био, Савара, а также семидесятилетний Лаплас. Установив связь между различными видами электричества и магнетизма, Ампер высказал идею об универсальном механизме передачи электромагнитных взаимодействий посредством поля, полагая, что в основе электрических и магнитных явлений лежат не заряды и частицы, а пространство между ними. 57 А.Эйнштейн считал введение в систему науки понятие электромагнитного поля самым важным открытием со времен Ньютона. Великий ученый XIXв. Майкл Фарадей был сыном кузнеца и учеником переплетчика, не имел университетского образования. Он поражал всех своей жизнерадостностью и чрезвычайной аккуратностью. Результаты своих опытов Фарадей подробно записывал в дневник. Запись знаменитого опыта о 57 Первое открытие Ампера заключалось в обнаружении взаимного притяжения и отталкивания проводников с током, в зависимости от того, совпадают ли направления электрического тока в них или противоположны. Второе открытие было связано с изобретением соленоида. Демонстрируя свои идеи Ампер свернул провод в спираль и, пропустив по нему ток, обнаружил, что получившийся соленоид по своим свойствам ничем не отличается от магнита. Каждый магнит, утверждал Ампер, представляет собой множество естественных соленоидов, по которым текут крошечные круговые токи. Известный гальванический ток, циркулирующий в каждой частице вещества, создает ее природный магнетизм, поэтому только электрический ток определяет все магнитные свойства тел. Пока оси этих круговых токов ориентированы беспорядочно, магнитные свойства не проявляются. Стоит всем осям выстроиться в определенном направлении по какой-либо причине, стать параллельными, тело и вещество (например, железо) становится магнитом. С этого момента французы стали называть этого ученого «наш Великий Ампер». А в современной науки и технике имя Ампера увековечено в единицах измерения силы тока. 129 возникновении электрической волны при движении магнита появилась в дневнике Фарадея 17 октября 1831г. Так было открыто явление электромагнитной индукции, а железное кольцо с двумя обмотками стало прообразом будущих трансформаторов. Поставив обратную задачу: получить ток из обыкновенного магнита и мотка проволоки, он создает новый вид источников тока. Установив между полюсами большого магнита Королевского общества вращающийся медный диск и соединив его скользящими контактами с гальванометром, Фарадей получил источник переменного тока, создав первую динамо-машину, или первый генератор переменного электрического тока . Открытие Фарадея послужили началом исследований нового вида машинного электричества и новой области техники – электротехники, которая и законами, и материалами сильно отличалась от механики. Идеи и опыты Фарадея не были оформлены математически. Общее правило, определяющее направление индуцированных токов ему сформулировать не удалось. Эту теоретическую задачу решил в 1834г. молодой профессор Петербургского университета Эмиль Христианович Ленц. После блестящих экспериментов он сформулировал обобщенный закон индукции, который в современном виде звучит так: индуцированное напряжение равно скорости изменения магнитного потока В своем знаменитом докладе Петербургской Академии наук Ленц писал, что все без исключения опыты электродинамического распространения (индукционных токов) могут быть очень простым способом сведены обратно к законам электродинамических движений, так что если эти законы известны, то и все явления индукционных токов могут быть выведены из них. Его вывод звучал так: «каждому явлению движения под действием электромагнитных сил должен соответствовать определенный случай электромагнитной индукции». Другими словами, каждому электромагнитному явлению соответствует определенное магнитоэлектрическое явление. Ленц вместе с Б.С.Якоби установил, что любая магнитоэлектрическая машина, которая служит для производства электрического тока, может быть использована в качестве электродвигателя, если через ее якорь (или арматуру), пропускать ток от постоянного источника. Первое практическое испытание электрического двигателя, сконструированного и построенного в России Борисом Семеновичем Якоби, состоялось в 1839г. на Неве. Шлюпка, снаряженная 130 новым устройством и колесом, пошла против течения под дружные аплодисменты. 58 Попытку обобщить опытные данные и создать математический фундамент теории электромагнитных явлений в середине века предприняли сразу несколько ученых: Франц Нейман, Густав Теодор Фехнер, Вильгельм Эдуард Вебер. Но удалось это только Максвеллу. Теоретическое предсказание Максвелла о распространении электромагнитных волн экспериментально было подтверждено в 1888г. Генрихом Герцем, создавшим первый колебательный контур с антенной. Используя уравнения Максвелла, Герц рассчитал поле излучения антенны. Было установлено, что электромагнитное поле является носителем энергии. В исследованиях Джоуля и Ленца была установлена связь между электрическими и тепловыми явлениями. Таким образом, к концу XIXв. физика оформляется как область экспериментальных и теоретических исследований материальных процессов в природе, в основании которых лежат разнообразные взаимодействия: механические, тепловые, гравитационные, электромагнитные. Проблема описания единства электромагнитных явлений создает предпосылки формирования теоретической науки. Фундаментальным становится понятие электродинамические силы, введенное Фарадеем. Эти силы объясняются с помощью магнитного поля, которое в свою очередь рассматривается как результат изменения электрического поля. Целью физической науки становится создание единой теории наблюдаемых взаимодействий. Максвелл формулирует главную цель точной науки – «свести проблемы естествознания к определению величин при помощи действий над числами». В теории Максвелла представлена геометрическая модель электрических и магнитных сил, учитывающая направление этих сил. Основными элементами выступают не частицы или заряды, а напряженности магнитного и электрического полей, которые представлены функциями четырех независимых переменных: трех координат и времени. Максвелл ввел понятие тока смещения, равного производной по времени от индукции электрического поля. Считая ток смещения такой же реальностью, как и ток проводимости, Максвелл полагал, что именно токи смещения создают магнитное поле. Еще одна идея Максвелла была связана с 58 Однако проанализировав экономическую эффективность своего двигателя, Якоби пришел к выводу, что его применение в существующих условиях нецелесообразно. Паровые машины были эффективнее. С именем Якоби связано открытие гальванопластики, а также изобретение кабельной телеграфной линии. Первые телеграфные линии соединяли Зимний Дворец и Главный штаб, Зимний Дворец – Главное управление путей сообщения и публичных зданий, Петербург – Царское село. Способ электрического подрыва мин, изобретенный Якоби, применялся в Крымскую войну. 131 размерами молекул. Сначала он представлял молекулы как упругие тела, но позже пришел к выводу, что можно не вводить в расчеты конечные размеры молекул, а рассматривать их как центры, отталкивающиеся друг от друга пропорционально пятой степени расстояния. Конец века в развитии физики завершается открытием электрона (Дж.Дж. Томсон – 1897г.) и Х-лучей, обладающих сильной проникающей способностью (Рентген – 1895г.). Этому предшествовало экспериментальное изучение газоразрядных процессов. Загадка атмосферного электричества (в частности молнии) издавна занимала умы ученых. В середине XVIIIв. складывается представление о молнии как электрической искре огромных размеров. С тех пор газовые электрические разряды становятся объектом физических исследований. В XIXв. Фарадей, изучая токи в жидкостях и газах, впаял в частично откачанный стеклянный баллон два электрода, назвал положительный - анодом, а отрицательный – катодом и тщательно описал световые явления, возникающие при подведении к электродам высокого напряжения. В середине XIXв. немецкий механик и физик Генрих Гейсслер изобрел ртутный вакуумный насос (1855) и газоразрядную трубку (1858). Если в такой трубке находился воздух при атмосферном давлении, то при небольших напряжениях между катодом и анодом тока в электрической цепи не возникало. При сильном напряжении (около 30 кВ/см), в трубке возникает искровой разряд. При понижении давления между электродами возникает светящаяся тонкая нить газа, затем нить начинает расширяться, резко проявляется различие в свечении прианодной и прикатодной областей, свечение охватывает весь объем трубки. Было установлено, что свечение в объеме трубки неоднородно. Вблизи катода область свечения более узкая и отделяется от анодного свечения темной областью, которая получала название «фарадеево темное пространство». Газовый разряд оказался в центре внимания исследователей. До конца века не удавалось объяснить природу катодных лучей. В 1897г. Дж.Дж.Томсон ставит свой знаменитый опыт, в котором стеклянная трубка содержит дополнительное устройство, фокусирующее луч, который оставляет след на люминофоре, покрывающем стекло напротив катода. В сущности, Томсон создает прототип электронно-лучевой трубки (кинескопа), которая применяется в современной телевизионной технике. 59 59 В конструктивном, завершенном виде осциллографическая электронно-лучевая трубка была создана немецким физиком К.Ф.Брауном, лауреатом Нобелевской премии по физике 1909г. Матышев А.А. Атомная физика. Ч .1. СПб., 2003, с.143. 132 Томсона интересовала, прежде всего, физическая сущность происходящих процессов. Дополнив конструкцию электромагнитом, он исследовал электродинамическую силу, действующую на предполагаемые отрицательно заряженные частицы, составляющие катодные лучи. Формула расчета этой силы была известна. Сейчас эту силу называют силой Лоренца. 60 Определив в результате опытов отношениезаряда к массе предполагаемой частицы, он обнаружил, что для катодных лучей это отношение превышает более чем в 1000 раз больше, точнее в 1836 раз, отношение для водорода. Никакой известной частице такое отношение заряда к массе не подходило. Сопоставляя длину свободного пробега атомов и молекул в таких же условиях, Томсон делает вывод, что катодные лучи представляют собой поток мельчайших частиц, который в 1836 раз легче водорода, несут отрицательный заряд e, равный заряду электролитических ионов, и являются кирпичиками, входящими в состав всех атомов. Так была открыта первая элементарная частица. Первоначально Томсон назвал эту частицу корпускулой, позднее ее стали называть электрон, благодаря исследованиям голландского физика Хендрика Антона Лоренца (1853-1928), создавшего электродинамику движущихся сред. Его теория предполагала существование эфира как неподвижной среды, заполняющей пространство. В эфире движутся атомы, состоящие из элементарных электрических зарядов, при этом по его предположению заряды могут существовать отдельно от атомов в виде свободных электронов. Природу электрона Лоренц связывал с деформацией эфира. Лоренц показал, что ток проводимости, наблюдаемый при электролизе и в газоразрядных процессах, не является самостоятельным, т.к. в его основе лежит конвекционный ток (движение ионов в электролитах и электронов в металлах). В электронной концепции Лоренца диэлектрические и магнитные свойства тел сводились к поляризации и молекулярным токам, переставая быть первичными характеристиками среды. Лоренц придал этим характеристикам статистический характер, вычисляя их как статистически усредненные величины большого числа электрических и магнитных дипольных моментов. На основе представления о зарядах, движущихся в неподвижном эфире, была создана электродинамика движущихся сред. Сила, действующая на элементарный заряд (элементарную частицу) в электромагнитном поле, названа силой Лоренца. Теоретические выкладки 60 F = q + qv ×B , где q – величина заряда частицы, E – вектор напряженности электрического поля, B – вектор индукции магнитного поля. 133 Лоренца при расчете движений частиц со скоростью, сравнимой со скоростью света в эфире, были использованы в начале XXв. А.Эйнштейном при создании теории относительности и вошли в современную физику под названием «преобразования Лоренца». Открытие X-лучей Конрадом Рентгеном (1845-1923), 61 исследовавшим катодные лучи, осталось загадкой в XIXв. Лучи Рентгена действовали на фотопластинку, вызывали ионизацию воздуха, но заметным образом не отражались от каких-либо веществ и не испытывали преломления. Электромагнитное поле не оказывало никакого влияния на их распространение. Последующие опыты показали, что X-лучи возникают при торможении быстрых электронов любым препятствием, в частности металлическими электронами. Природа рентгеновских лучей – радиоактивность была установлена уже в следующем веке. В ходе изучения катодных лучей было осознано, что атомы не являются неделимыми частицами материи, а имеют сложную структуру. Директор Кавендишевской лаборатории Джозеф Джон Томсон (1856-1940), сыгравший в этом ведущую роль, получил в 1906г. Нобелевскую премию по физике за заслуги в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости в газах. В конце XIXв. физики пытаются свести природу света и электродинамику к механическим процессам, отдавая приоритет гипотезе эфира. Распространение электромагнитных волн рассматривается с участием эфира. Только в XXв. гипотеза эфира, как светоносной субстанции (вещества) и абсолютной системы отсчета была отвергнута. Опыт американского ученого Альберта Майкельсона (1852-1931), поставленный с целью обнаружения эфирного ветра в Потсдаме (1881) и повторенный в Кливленде (1887), дал отрицательный результат и стал той чертой, за которой эфир перестал существовать в качестве физической реальности. Гипотеза эфира была последней попыткой объяснить все происходящее в природе на основе механики. С крушением этой гипотезы на первый план выдвинулась идея непрерывности материи, принцип близкодействия и новый вид физической реальности - поле. 61 Рентген был первым физиком, получившим Нобелевскую премию. 134 3.3 Теоретические основания классической химии Оформление химии в естественнонаучную дисциплину, предметом которой является исследование, описание и объяснение природных элементов, их соединений и взаимных превращений связано с развитием атомно- молекулярного учения о строении вещества (химической атомистики). Первый шаг к созданию этого учения сделал учитель из Манчестера Джон Дальтон, установивший в 1801г. закон парциальных давлений газов (I закон Дальтона): давление смеси газов, не взаимодействующих друг с другом, равно сумме их парциальных давлений. Два года спустя, исследуя растворимость газов в жидкостях, он обнаружил, что каждый газ растворяется таким образом, как если бы он один занимал весь данный объем (II закон Дальтона). В XIXв. ученые заняты проблемой строения сложных веществ и поиском числа простых элементов - частиц, образующих ячейку (элемент) сложного вещества. Окончательно устанавливается понятие химический элемент. В середине века было известно уже около 60 природных химических элементов. Дальтон, пытаясь объяснить строение сложных веществ, сформулировал правило, согласно которому, если при взаимодействии двух веществ получается одно соединение, то оно бинарное, если образуются два соединения, то одно бинарное, а другое тройное, то есть состоит из трех атомов (мельчайших неделимых далее частиц). Этот подход в исследовании строения вещества привел к разграничению атомов (мельчайших частиц, определяющих природу химического элемента) и молекул (мельчайших частиц, определяющих природу вещества). 62 В 1808г. Дальтон формулирует закон простых кратных отношений: если два элемента образуют несколько химических соединений, то количества одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одинаковое количество другого элемента, находятся между собой в простых кратных отношениях, то есть относятся друг к другу как небольшие простые числа. Впервые положения атомистической теории Дальтона были заявлены в лекции «Об абсорбции газов водой и другими жидкостями», которую он прочитал 20 октября 1803г. в литературно-философском обществе Манчестера. Дальтон строго разграничил понятия атом и молекула, которую называл сложным, или составным атомом, подчеркивая, что эта сложная частица является пределом химического деления соответствующих веществ. 62 Применяя сформулированные им правила, Дальтон пришел к выводу, что вода – бинарное соединение водорода и кислорода (состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода, ее формула – НО), веса которых относятся друг к другу как 1:7. 135 Состав вещества однороден в отношении молекул, свойства веществ определяются свойствами молекул. Таким образом, корпускулярное учение о строении вещества приобрело современный понятийный аппарат. Появилось понятие атомного веса химического элемента. Было проведено разграничение между строением химического элемента (зависящим от атомного веса) и молекулярным строением вещества, между свойствами атомов и молекул. В 1804г. состоялась встреча Дальтона с известным английским химиком Т.Томсоном, который изложил атомистическую теорию Дальтона в третьем издании своей книги «Новая система химии». Джон Дальтон по праву считается создателем химической атомистики. Он впервые ввел представления об атомах химических элементов и молекулярном строении вещества (в современном значении), объяснил на основе своей теории состав различных химических веществ, определил их относительные молекулярные веса. Тем не менее, понадобилось еще почти полвека для окончательного утверждения атомно-молекулярного учения. Этому способствовало развитие способов определения атомных и молекулярных весов, открытие ряда количественных законов: закона постоянства состава (Ж. Пруст - 1808), закона простых объемных отношений для газов (Ж. Гей-Люссак - 1808), закона Авогадро (1811). Согласно закону Авогадро, при одинаковых условиях одинаковые объемы всех газов содержат одно и то же число молекул. Все эти законы хорошо объяснялись с позиции атомно-молекулярного учения. Экспериментальное обоснование этому учению дал Й.Б. Берцелиус. Официально атомно-молекулярное учение было признано на I Международном конгрессе химиков (1860). Получение в 1828 г. немецким химиком Фридрихом Велером (1800-1882) искусственного органического вещества (мочевины) положило начало технологии синтеза органических веществ. В 50-60-е гг. XIXв. на основе учения о валентности и химической связи была разработана теория химического строения органического вещества (А.М.Бутлеров – 1861), открывшая путь новой области химии – стереохимии (Дж.Г.Вант-Гофф - 1874), исследующей пространственное строение органических соединений. Во второй половине века складываются новые направления химических исследований: физическая химия, химическая кинетика (учение о скоростях химических реакций), теория электролитической диссоциации, химическая термодинамика. Общий теоретический подход в химии, сложившийся в XIXв., ставил определение свойств химических веществ в зависимость не только от 136 элементного состава, но и от структуры элементов и их соединений. Развитие атомно-молекулярного учения привело к идее о сложном строении не только молекулы, но и атома. Первым эту мысль в XIX в. высказал английский ученый У.Праут, обобщив результаты измерений, показавших, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. Праут выдвинул гипотезу, согласно которой атомы всех элементов состоят из атомов водорода. Идея о сложном строении атомов получила новую поддержку в работах Д.И.Менделеева (1834-1907), который предположил, что между химическими элементами природы существует закономерная связь, определяемая возрастанием атомного веса элемента. В своих главных трудах «Основы химии» (1869-1871) и «Периодический закон» Д.И.Менделеев выдвинул идею, что свойства элементов изменяются в периодической зависимости от их атомных весов . В 1871г. он создает Периодическую Систему Химических Элементов, где известные природные элементы расположены последовательно в соответствии со своим атомным весом, выделено их химическое родство, которое выражается в сходстве реакций. Система Менделеева отражала единство химических элементов природы, связи между ними, а также их реальные превращения. Периодический закон и периодическая система элементов сыграли решающую роль в развитии ряда смежных с химией наук, а также химической технологии и промышленности, стимулировали развитие учения о строении атома, привели в XXв. к открытию новых элементов. К концу XIXв. теоретическая основа химии оформляется в виде атомно- молекулярного учения о строении вещества. Ее основные положения: 1) Материальной основой вещества являются атомы; атом – наименьшая частица химического элемента; строение атома определяет свойства элемента. 2) Число атомов равно числу химических элементов (в XIX в. – известно 60, в настоящее время – 116). 3) Атомы разных наименований различаются атомным весом; при обычных условиях атомы отдельно существовать не могут, а образуют химические соединения (одноименные атомы образуют молекулы элементов, например, водород – Н 2 , разноименные атомы образуют молекулы соединений, например, Н 2 О); 4) Атомы элементов не меняются в результате химических реакций, молекулы при любой химической реакции изменяются. 137 5) Вещество не заполняет целиком занимаемое им пространство, оно состоит из отдельных частиц (молекул), находящихся на малом расстоянии друг от друга. 6) Молекула – наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами; свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением; число видов молекул исчисляется количеством возможных соединений атомов (порядка миллиона). 7) Элементы – вещества, состоящие из одинаковых молекул, которые состоят из одного или нескольких одинаковых атомов (газообразные элементы имеют двухатомное строение, металлы – одноатомное). 8) Соединения - вещества, состоящие из одинаковых молекул, каждая их которых состоит из разных атомов; смеси – вещества, состоящие из разных молекул. 9) Химическое соединение атомов объясняется на основе понятия валентность, которое отражает способностью атомов одного элемента соединяться с одним или несколькими атомами другого элемента. 10) При каждой химической реакции молекулы реагирующих веществ распадаются на атомы, затем свободные атомы соединяются в новые молекулы. 3.4 Концептуальные основания биологии Оформлению биологии в специальную область исследований живой природы, охватывающую ботанику, зоологию, физиологию и возникшие новые направления, способствовало создание клеточной теории живого вещества в 30-х гг. XIXв. Ее авторы - ботаник Матиас Якоб Шлейден (1804- 1881) и профессор биологии Теодор Шванн (1810-1882). Первый установил, что все растения состоят из клеток, второй распространил это учение на весь животный мир. Т.Шванн полагал, что жизнь клеток определяется не содержимым, а главным образом оболочкой. Клеткам тканей и организмов он придавал большую автономию, поэтому свойства организмов сводились к сумме свойств отдельных клеток. Кроме того, Шванн полагал, что клетки возникают из неклеточного вещества. Деление клеток было открыто позже. Первым этот факт обнаружил московский ботаник И.Д.Чистяков (1843-1877), но в истории биологии это открытие приписывается гистологу В.Флемингу (1843-1905), который показал последовательность прохождения всех стадий деления клетки и ввел термины «митоз» и «амитоз». 138 Российский ученый Карл Эрнст фон Бэр (Карл Максимович) (1792-1876) показал, что любой многоклеточный организм развивается из одной клетки (зиготы – оплодотворенной яйцеклетки). В своем фундаментальном труде «История развития животных» К.М.Бэр заложил основы эмбриологии. Ученик Мюллера Р.Вирхов в 1858г. более точно сформулировал клеточную теорию, доказав, что живая клетка возникает только путем деления, следовательно, живое может возникнуть только из живого. В исследованиях Р.Вирхова и Э.Геккеля было установлено, что передача наследственных признаков происходит с помощью ядра клетки. Эти открытия также легли в основание клеточной теории строения живого организма, которая стала основанием современной микробиологии. 63 Основной объединяющей идеей в области исследования живой природы выступила идея эволюции живых организмов, выдвинутая Жаном Батистом Ламарком (1744-1829). Термин «биология» также был предложен Ламарком. В труде «Философия зоологии» (1809г.) он изложил первую теорию эволюционного развития живого мира. Ламарк отверг господствовавшее представление о постоянстве видов и показал, что природа создала многообразие живых существ, благодаря наследуемости новых свойств, возникающих под воздействием внешних условий на протяжении длительного времени. При этом главной причиной изменения видов является действие на живые тела факторов среды: климата, почвы, пищи, света, тепла, атмосферного влияния и т.д. В учении Ламарка были выделены два независимых направления эволюции живых существ: - градация (развитие от простого - к сложному); усложнение организации живых существ происходит в соответствии с заложенным в них изначально стремлением к совершенствованию; - естественное изменение организмов под воздействием окружающих условий, в результате чего возникает разнообразие видов на каждой ступени градации. Ламарк сформулировал два естественных закона изменения организмов в виде 1) принципа упражнения и неупражнения органа и 2) принципа наследования благоприобретенных признаков. Первый принцип отражал существующие факты, но не объяснял развитие большинства адаптивных 63 В современной биологии основные положения клеточной теории формулируются следующим образом: 1) клетка – универсальная структурная единица живой материи; 2) каждая клетка ведет свое происхождение только от другой клетки; 3) клетки всех организмов имеют сходное строение; 4) клетки многоклеточного организма связаны между собой, образуют целостную систему. Левитин М.Г., Левитина Т.П. Общая биология М. –СПБ, 2005. с.21. 139 признаков, несущих защитную функцию (например, панцирь черепахи). Второй принцип до сих пор не подтвержден эмпирическими фактами. Учение Ламарка было встречено враждебно. Против эволюционного учения выступил Ж.Кювье, третируя Ламарка как фантазера. Жорж Кювье (1769 – 1832) известен как основатель сравнительной анатомии и палеонтологии, разработавший принцип «корреляции частей организма». Согласно этому принципу, каждая форма животного организма представляет собой замкнутую систему, части которой взаимно соответствуют как в отношении их строения (закон соподчинения органов), так и в отношении их функции (закон соподчинения функций – органические корреляции). Изменение одной части неизбежно влечет за собой соответствующее изменение другой части организма. Поэтому на основании знакомства с одной частью можно судить о целом организме. Принцип корреляции частей у Кювье носил чисто теологический характер. Кювье полагал, что творец всех существ (Бог), создавая все живое, мог руководствоваться только одним законом – необходимостью дать каждому из своих творений средства для поддержания существования. Таким образом, Кювье считал принцип конечных причин единственным основанием, на которое могут опираться естественные науки, а приспособленность организма к среде рассматривал с идеалистических позиций. С помощью разработанного сравнительно – анатомического метода Кювье проследил изменения и соотношения органов во всех разделах животного царства, ввел понятие о типах в биологии (одновременно с русским эмбриологом К.М.Бэром), впервые соединил в один тип позвоночных четыре класса: млекопитающих, птиц, амфибий и рыб. Прочих животных Кювье отнес к остальным трем типам – членистоногих, мягкотелых, лучистых. В основу классификации типов живых организмов он положил строение нервной системы, управляющей всеми функциями организма. Принцип корреляции органов дал возможность Кювье реконструировать ископаемые организмы по немногим частям, найденным при раскопках. Кювье описал новые формы ископаемых рептилий, птиц, рыб и млекопитающих и, что особенно ценно, установил связь между ископаемыми формами и слоями земной коры, в которых они были найдены. Он показал, что при переходе от древних пластов земли к молодым в геологическом отношении пластам ископаемые формы усложняются в своем строении. В самых древних слоях ископаемые совсем отсутствуют. 140 В классификации Кювье явно просматривалась линия эволюции. Однако теоретические взгляды Кювье находились в резком противоречии с полученными фактами. Он не признавал общности происхождения животных в пределах установленных им типов, считая виды постоянными и неизменными. Пытаясь привести сделанные открытия в соответствие со своими представлениями, Кювье выдвинул теорию катастроф (или катаклизмов), которая должна была доказать отсутствие преемственности между сменяющими друг друга формами жизни. По мысли Кювье, грандиозные катастрофы на значительной части земного шара уничтожали весь органический мир, после чего появлялись новые формы. Кювье полностью отвергал как учение Ж.-Б.Ламарка об изменяемости живой природы, так и положение Э.Жоффруа Сент-Илера о единстве организации животных. Бесспорной заслугой Кювье было создание точного метода исследования и накопления фактического материала о строении живых организмов. Развернувшаяся в 1830г. дискуссия между Кювье и Сент-Илером закончилась победой Кювье, который был сторонником концепции креационизма во взгляде на возникновение видов живых существ. Концепция трансформизма (Ж.Бюффон, Эразм Дарвин, М.В.Ломоносов), в которой утверждалась преемственность видов и выстраивалась «лестница существ», а также выдвинутое в начале века эволюционное учение Ламарка остались не признанными авторитетной наукой. В середине века Чарльз Дарвин (1809-1882) создает теорию эволюции видов на основе естественного отбора . Анализируя данные, накопленные в ботанике и зоологии, а также сельскохозяйственную практику, Дарвин приходит к выводу, что современный органический мир – не результат божественного творения, а результат длительного развития организмов от одной или нескольких простейших форм. Основные понятия теории Дарвина – наследственность, изменчивость, борьба за существование. Учение Дарвина об эволюции как естественном отборе охватывало сложный комплекс биологических явлений, начиная от изменчивости, наследования происшедших изменений и кончая выживанием наиболее приспособленных организмов в процессе борьбы за существование. 64 64 Идею о выживании наиболее приспособленных организмов как законе природы до Ч.Дарвина высказали английские ученые Э.Блитт (1810-1873) и П.Мэттью (1790-1871), выделив эту линию как основную стратегию жизни и сохранения вида, которая приводит к соответствию органов и условий жизни. Это соответствие просматривается на всех уровнях живой природы: от клеточного - до популяционного. 141 Данные для обоснования своей теории Дарвин собирал в течение многих лет. Первый очерк теории он не публиковал в течение многих лет, продолжая собирать и анализировать новые данные. Знаменитый труд Дарвина "Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь" вышел в свет лишь в 1859г. Известно, что стимулом, ускорившим опубликование Дарвином его работы, был труд А.Уоллеса (1823-1913), независимо пришедшего к близким выводам. Обе работы были совместно доложены в 1858г. на заседании Линнеевского общества в Лондоне. А.Уоллес, ознакомившись с трудом Дарвина, полностью признал его приоритет, считая, что Дарвин проанализировал эволюционный процесс гораздо шире и глубже. Основные принципы своего эволюционного учения Дарвин свел к следующим положениям: 1. Каждый вид способен к неограниченному размножению. 2. Ограниченность жизненных ресурсов препятствует реализации потенциальной возможности размножения. (Большая часть особей гибнет в борьбе за существование и не оставляет потомства). 3. Гибель или успех в борьбе за существование носят избирательный характер. Организмы одного вида отличаются друг от друга совокупностью признаков. В природе преимущественно выживают и оставляют потомство те особи, которые лучше приспособлены. Такое избирательное выживание и размножение наиболее приспособленных организмов Ч.Дарвин назвал естественным отбором. 4. Под действием естественного отбора, происходящего в разных условиях, группы особей одного вида из поколения в поколение накапливают различные приспособительные признаки. Они приобретают настолько существенные отличия, что превращаются в новые виды. Учение Дарвина встретило ожесточенные нападки со стороны духовенства и части ученых. Попытки опровергнуть дарвинизм постоянно предпринимаются до сих пор. Теорию Дарвина поддержали прогрессивные ученые того времени: Т.Гексли, А.Уоллес, К.А.Тимирязев, И.М.Сеченов, И.И. Мечников и др. Труды Ч.Дарвина оказали сильное влияние не только на биологию, но и на общечеловеческую культуру, способствуя развитию естественнонаучных взглядов на развитие живой природы и самого человека. Наряду с английским естествоиспытателем Чарльзом Лайелем (1797-1875) Ч.Дарвина называют также основателем современной геологии. Трехтомный труд Ч.Лайеля «Основы геологии», где подчеркивалась идея длительного существования и развития Земли, сыграл решающую роль в возникновении этой области естествознания и оказал большое влияние на дальнейшее становление эволюционной |