Концепции современного естествознания_Бочкарев А.И, Бочкарева Т.. Учебник для студентов вузов А. И. Бочкарёв, Т. С. Бочкарёва, С. В. Саксонов под ред проф. А. И. Бочкарёва. Тольятти тгус, 2008. 386 с

• Название: Учебник для студентов вузов А. И. Бочкарёв, Т. С. Бочкарёва, С. В. Саксонов под ред проф. А. И. Бочкарёва. Тольятти тгус, 2008. 386 с
• Дата: 10.09.2022
• Размер: 2.96 Mb.
• Имя файла: Концепции современного естествознания_Бочкарев А.И, Бочкарева Т..doc
• Тип: Учебник; #669818
• страница: 2 из 37

Контрольные вопросы

1. 
   В чем состоит взаимосвязь между естественно-научными и гуманитарными знаниями?
   
2. 
   Какова специфика естественно-научной и гуманитарной форм культур?
   
3. 
   В чем проблема «двух форм куль­тур»?
   
4. 
   Каков предмет современного естествознания?
   
5. 
   Каковы аксиологические и гносеологические проблемы естествознания?
   
6. 
   Каковы важнейшие составляющие современной естественно-научной картины мира.
   
7. 
   Какова последовательность развития научного знания?
   
8. 
   Каковы уровни научного познания природы?
   
9. 
   Какие методы научного познания относятся к числу общенаучных методов?
   

10. Что такое инновационная культура?
2. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ
2.1. Корпускулярная и континуальная концепции

описания природы
2.1.1. Концепции строения материи и развития материального мира
Как известно, первый период становления естествознания относится к VII–IV вв. до н.э. и связан с греческой натурфилософией. В течение этого периода вырабатываются общие точки зрения на окружающий мир, ставятся вопросы о природе материи и духа, законах развития материального мира, о природе пространства и времени, движения и света.

Возникают также такие натурфилософские концепции, как атомистика Левкиппа–Демокрита и натурфилософия Аристотеля.

Демокрит и Аристотель, по сути, обобщили античную натурфилософию и сформулировали две принципиально различные концепции взглядов на строение материи и развитие материального мира: так называемые корпускулярную (Демокрит) и континуальную (Аристотель) концепции описания природы.

По Демокриту, материя состоит из вещества; вещество состоит из атомов-корпускул и пустоты; атомы находятся в постоянном движении; атомы вечны, не­изменны, неделимы и отличаются друг от друга лишь величиной и формой.

Демокрит считал, что движение присуще материи. Звук, теплота, свет – это субстанции, которые излучаются телами в виде частиц-корпускул.

По Аристотелю, мир материален, но объективно существуют конкретные вещи (предметы), а материя – некая субстанция, из которой при определенных условиях могут возникнуть те или иные предметы. Реальные тела можно дробить непрерывно, до бесконечности.

Синонимом непрерывности является континуальность. По Аристотелю, материя непрерывна (континуальна) и «природа не терпит пустоты».

Следует также отметить, что он первым стал рассматривать механическое движение тел в пространстве и во времени, а свет, например, представлял как движение в виде волн через некую среду – эфир.

Две выдвинутые концепции на природу материи, по существу, определили всю дальнейшую историю развития естествознания более чем на двухтысячелетний период, вплоть до XX в.

Развивая свою концепцию, Аристотель конкретизировал механизмы образования различных веществ. Он считал, что в основе материальных вещей лежит непрерьщная первоматерия, ее количество в природе неизменно. Первоматерии присущи четыре основных качества: тепло и холод, сухость и влажность. Разнообразие веществ зависит от сочетания этих качеств в различных пропорциях. Комбинируя качества попарно, Аристотель приходит к четырем элементам – земле, воде, огню и воздуху. Взгляды Аристотеля оказали большое влияние на развитие естествознания на более чем тысячелетний период и в дальнейшем получили своеобразное развитие в алхимии.

Напротив, учение Демокрита далеко опередило взгляды современников и вначале не получило понимания. Только впоследствии, в результате развития научного естествознания, оно через много веков было признано.

К XVII в. стало ясно, что главные цели алхимии — получение золота и «философского камня» – оказались недостижимыми и что существует некоторый предел возможных взаимопревращений веществ.

Постепенно наука начинает освобождаться от влияния учения Аристотеля, и возрождается античный атомизм Демокрита. Особенно важную роль при этом сыграли труды французского мыслителя П. Гассенди. Он возрождает представления о том, что материя состоит из постоянно движущихся атомов и пустоты, которая является условием возможности движения атомов. Развитие и конкретное приложение идей атомизма осуществил английский фи­зик и химик Р. Бойль.

Однако потребовалось еще около ста лет, чтобы ученые окончательно избавились от аристотелева представления о строении вещества, и вышли на путь атомистического понимания явлений природы.

Затем на рубеже XVIII–XIX вв. был открыт целый ряд новых важнейших законов химии, которые полностью утвердили атомно-молекулярную концепцию строения вещества. Среди них закон постоян­ства состава (закон Пруста), закон кратных отношений (Д. Дальтон), закон простых объемных отношений (Ж.Л. Гей-Люссак) и закон Авогадро. К середине XIX в. атомно-молекулярный взгляд на природу материи получил полное признание. Таким образом, был подведен итог развитию представлений того времени о природе вещества.
2.1.2. Развитие представлений о природе света.

Корпускулярно-волновой дуализм
По-иному шла история развития представлений о природе света и оптических явлениях. Напомним, что Аристотель считал, что свет – это движение волн, распространяющихся в некоторой непрерывной среде – эфире. Однако в дальнейшем И. Ньютон, быв­ший, как и большинство, ученых того времени, сторонником атом-но-корпускулярной концепции строения вещества, считал, что свет представляет собой поток частиц-корпускул, движущихся прямолинейно. Такая точка зрения, в частности, хорошо объясняла законы геометрической оптики. Однако при изучении других оптических явлений накапливались факты о таких процессах, как интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия света, которые, напротив, легко было объяснить, исходя из того, что свет – волновое движение через некоторое не­обычное вещество – эфир.

Во второй половине XIX в. точку в вопросе о природе света поставил Дж. Максвелл, который, создав теорию электромагнетизма, доказал, что свет представляет собой электромагнитное поле, распространяющееся в виде волн. То есть была открыта новая материаль­ная субстанция – поле, свойства и законы движения которой в соответствии с развитой Дж. Максвеллом электродинамикой соответствовали в большей мере континуальной, непрерывной концепции Аристотеля.

Таким образом, к концу XIX в. сложилась следующая ситуация и изучении природы материи. Оказалось, что материя предстает в виде двух форм – вещественной и полевой с существенно разными свойствами, при этом вещественная форма материи находит объяснение в рамках корпускулярной, а полевая – напротив, в рамках континуальной концепции.

Начало XX в. ознаменовалось столькими неожиданными открытиями в изучении вещества и поля, полностью изменившими представления о природе материи. Вначале это относилось к световым, электромагнитным явлениям, в частности, к излучению абсолютно черного тела и фотоэффекту. Как известно, для объяснения излучения абсолютно черного тела М. Планку в 1900 г. и фотоэффекта Л. Эйнштейну в 1905 г. пришлось принять, что свет в ряде случаев ведет себя как поток отдельных частиц – фотонов (корпускул), а не как волна.

Таким образом, при рассмотрении электромагнитного поля воз­никло представление о корпускулярно-волновом дуализме. Причем при больших длинах волн электромагнитного излучения в большей мере проявляются непрерывные (континуальные) волновые свойства света, а при малых (рентгеновские и γ –лучи) – дискретные (корпускулярные), квантовые свойства.

Так физика начала XX в. открыла диалектическое единство двух классических противоположностей – частиц и волн

После установления такого удивительного факта французский физик Луи де Бройль, опираясь на законы симметрии в природе в 1923 г. выдвинул совершенно радикальную идею – идею распространения принципа корпускулярно-волнового дуализма света на все вещественные частицы микромира, имеющие массу покоя, – электроны, протоны и т.д. Таким образом, де Бройль предположил, что любые частицы вещественной материи наряду с корпускулярными (массой, импуль­сом, энергией) обладают также волновыми свойствами (частотой и длиной волны X). Причем так же, как и для фотонов, энергия (Е) и импульс (р) частиц вычисляются по формулам

Е = hω , p = h/ λ .

Откуда для так называемой длины волны де Бройля было получено выражение λ = h/p .

Вскоре гипотеза де Бройля нашла замечательное экспериментальное подтверждение. К. Дэвиссон и Л. Джермер открыли дифракцию электронов на кристаллах, т.е. доказали существование волновых свойств у частиц – электронов. А в даль­нейшем дифракционные (волновые) явления были обнаружены и у других атомных частиц. Оказалось, что наличие волновых свойств у микрочастиц-корпускул – это универсальное явление, общее свойство материи.

Наконец, созданные в 20-е гг. XX в. новые фундаментальные квантовые теории микромира–квантовая механика и квантовая теория поля (квантовая электродинамика) – показали, что корпускулярно-волновой дуализм в микромире отражает глубинную взаимосвязь материальных субстанций — вещества и полей и, в конечном счете, свидетельствует о единстве материи, проявляясь во взаимодействии частиц и полей таким образом, что кванты полей при взаимодействии с веществом могут исчезать, образуя пары вещественных частиц (электрон–позитрон, протон–антипротон), точно так же, как и вещественные частицы, в результате аннигиляции могут превращаться в кванты полей.

Таким образом, сформулированные еще древними греками две концепции взглядов на природу материи, несмотря на кажущиеся противоречия между ними, обе оказались справедливыми, но только отражающими две разные стороны единой материи.

Гипотеза о волновом характере движения микрочастиц впервые была выдвинута Луи де Бройлем в 1924г. Для доказательства их волновой природы в 1925 г. немецкий физик Эльзассер предложил использовать кристаллы для наблюдения дифракции электронов. А в 1927г. К Дэвинсон вместе со своим сотрудником Л.Джермером открыл явление дифракции электронов на кристалле никеля Независимо от него Дж. П. Томсон открыл явление дифракции электронов при прохождении через металлическую фольгу. Таким образом, идея де Бройля о волновых свойствах вещества нашла экспериментальное подтверждение. В 1937г. К Девинсон и Дж. П. Томсон были удостоены Нобелевской премии по физике.

Впоследствии дифракционные, а значит волновые, свойства были обнаружены у атомных и молекулярных пучков Корпускулярно-волновыми свойствами обладают не только фотоны и электроны, но и все микрочастицы.

Микрочастицами называют элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны, фотоны и др.), а также сложные частицы, образованные из сравнительно небольшого числа элементарных частиц (ядра, атомы).

Микрочастица с энергией Е = mс² и импульсом р = mv ведет себя подобно волне с частотой v = E/h и длиной волны λ= h/p, где h – постоянная Планка (h = 6,626 • 10^-34 Дж/Гц) Например, если направить на преграду с двумя узкими щелями (порядка длины волны λ.) пучок микрочастиц (например, электронов) обладающих одинаковой кинетической энергией

В развитие идей о волновых свойствах вещества Э Шредингер в 1926 г. получил свое знаменитое уравнение. Шредингер сопоставил движению микрочастицы комплексную функцию координат и времени, которую он назвал волновой функцией и обозначил греческой буквой «пси» (ψ). Она характеризует состояние микрочастицы.Интерпретацию ψ – функции дал М. Борн в 1926г. Согласно Борну, квадрат модуля пси-функции в пределах некото­рого объема определяет вероят­ность того, что частица будет об­наружена в пределах этого объема. Например, форма электронных облаков в атомах определяется ψ– функцией электронов. Таким образом, состояние микрообъекта описывается статистически и вол­новая функция содержит всю информацию о корпускулярных и вол­новых его свойствах. Вид функции получается из решения уравнения Шредингера, которое является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики.Оно не может быть выведено из других соотношений Его следует рассматривать как исходное предположение, справедливость которого доказывается тем, что все, вытекающие из него следствия, самым точным образом согласуются с опытными фактами. Уравнение Шредингера описывает взаимодействие электронов с ядрами атомов, описывает форму электронных оболочек атомов и ионов, химическую связь и строение молекул.

Волновая природа частиц отражается и в соотношениях неопределенностей, полученных в 1927 г. Гейзенбергом – ∆х∆р≥h/2, ∆E∆t≥h/2, где ∆х – неопределенность координат, ∆р – неопределенность импульса, ∆Е – неопределенность энергии и ∆t – неопределенность времени.
2.2. Порядок и беспорядок в природе, детерминированный хаос
Обращая внимание на существующий порядок в природе, мы часто в качестве примера указываем на кристаллы, в кристаллической решетке которых строго чередуются ионы вещества (например, Na⁺ и Сl^– в поваренной соли). Строго упорядоченную структуру имеют и кристаллические металлы. В узлах кристаллической решетки меди располагаются положительно заряженные ионы.

Однако наряду с существующим порядком в природе часто соседствует и беспорядок (хаос). В тех же кристаллах металлов, наряду с упорядоченной ионной решеткой, имеются свободные электроны, которые беспорядочно и хаотично движутся.

Порядок и беспорядок наблюдаются, например, и в космосе. С одной стороны, мы знаем, что планеты движутся по определенным орбитам со строго определенной скоростью. А с другой стороны, в космосе, помимо планет, имеется межзвездное вещество, которое хаотически движется в пространстве, и там, где образуются большие скопления этого вещества, возникают значительные гравитационные силы, в результате чего могут образоваться звездные системы с высокой степенью упорядоченности.

Последний пример указывает на существование процессов и механизмов, ведущих от беспорядка к порядку. Эта особенность подмечена еще в древнегреческой мифологии, где под хаосом понималась «беспредельная, первобытная материя», из которой образовалось все существующее.

Можно привести еще больше примеров перехода от порядка, упорядоченности к хаосу. Так, если нагревать кристаллы поваренной соли, то амплитуда колебаний атомов увеличивается, связь между атомами уменьшается, упорядоченная структура кристалла разрушается и исчезает, а атомы начинают хаотически двигаться. Приведенный пример иллюстрирует процессы, связанные с действием одного из фундаментальных законов природы, имеющего универсальный характер, а именно: со вторым началом (законом) термодинамики.

Суть этого закона заключается в том, что во всех тепловых процессах, связанных с выделением тепла в результате трения, прохождения электрического тока и, как следствие, с выделением тепла при горении, экзотермических химических реакциях и т.д., тепло в естественных условиях всегда переходит от более горячего тела к более холодному, но не наоборот.

Имеется несколько формулировок данного закона. Одна из формулировок, принадлежащая создателю классической термодинамики Э. Клаузиусу, гласит: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более теплым.

Другая формулировка связана с понятием энтропии – одной из термодинамических функций, определяющих направление протекания тепловых процессов. В процессах теплопередачи изменение энтропии (ΔS) определяется как ΔS = ΔQ/T , где ΔQ – количество переданного тепла, а Т – абсолютная температура.

Поскольку тепло всегда передается от теплого тела к холодному, то изменение количества тепла ΔQ– величина положительная, а следовательно, и изменение энтропии ΔSесть величина положительная, т.е. энтропия в таких процессах возрастает.

Этот закон носит всеобщий характер и формулируется следующим образом: в замкнутых системах (без притока энергии извне) процессы протекают таким образом, что энтропия системы возрастает.

Таким образом, второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, т.е. однонаправленности всех самопроизвольно протекающих процессов.

И хотя количество энергии в замкнутых системах сохраняется, распределение энергии меняется необратимым образом – происходит деградация форм энергии с постепенным переходом всех форм энергии в тепловую. Иными словами, в замкнутых системах самопроизвольно осуществляется необратимый процесс перехода от более упорядоченных структур к менее упорядоченным, или к хаосу.

А поскольку в таких процессах энтропия систем возрастает, то ее принято характеризовать как меру хаоса.

Таким образом, из второго закона термодинамики вытекает, что в природе возможно только одно напраатение процессов – от по­рядка к беспорядку, хаосу.

Однако такой вывод противоречит многим фактам. Известны процессы развития от неупорядоченности, хаоса к порядку, перехода от структур, имеющих более низкую организацию, к структурам с более высокой организацией.

Примером может служить эволюционное развитие живых организмов от примитивных форм к высокоорганизованным. Долгое время противоречие между вторым законом термодинамики и эволюционной теорией поступательного развития живой природы Дарвина не находило разрешения. Однако сейчас объяснение такому противоречию найдено.

Дело в том, что второй закон термодинамики рассматривает процессы только в замкнутых системах, в то время как живые системы являются открытыми, т.е. обмениваются энергией и веществом с внешней средой. В открытых системах энтропия может, как возрастать, так и уменьшаться, тогда как в целом для открытых систем в совокупности с внешней средой обитания второй закон термодинамики справедлив. Таким образом, в открытой системе энтропия может уменьшаться за счет увеличения энтропии во внешней среде.

В результате при определенных неравновесных условиях в системе за счет внутренних перестроек могут возникнуть упорядоченные структуры. Эту особенность системы называют самоорганизацией, а сами структуры, возникающие в диссипативных (рассеивающих энергию) системах при неравновесных необратимых процессах, – диссипативными (по терминологии Пригожина). Под действием флуктуации возникают коллективные формы движения и новые структуры более высокой организации.