Естествознание как наука

Лекция 1. Особенности естественнонаучного познания

Естественнонаучная и гуманитарная культуры.

Человек существует в природе. Способ существования – деятельность.

Многие естественнонаучные законы и принципы справедливы и в общественных науках. Например, принцип обратной связи, самоорганизация и т.д.

Три способа познания: аналитический – наука, художественный, чувственный, порой иррациональный – искусство, реконструктивно-пророческий, по большей части иррациональный – религия.

Научный метод.

Метод (от гр. Methodos – путь к чему-либо, способ)- совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности.

Область знания, которая специально занимается изучением методов – методология. гр. Logos – учение ).

Наблюдение – метод получения первичных знаний; научное наблюдение характеризуют целенаправленность, планомерность, активность.

Эксперимент – контролируемое воздействие на исследуемый объект. Характеризуется воспроизводимостью.

Измерение – получение количественных закономерностей.

Абстрагирование – переход от чувственно-конкретного к абстрактному, отвлечение от каких-либо менее существенных сторон объекта – идеализация (материальная точка, идеальный газ и т.д. )

Мысленный эксперимент – оперирование идеальными образами (Галилей).

Формализация – особый подход, использующий специальную символику – формализованные искусственные языки; характерна моносемичность – однозначность терминов – но разная для разных наук.

Лекция 2. История естествознания

Естествознание эпохи античности

1) Теокосмогонические мифы – высшая форма мифотворчества, которая содержит зародыши научного знания. Гесиод «Теогония»: первичное состояние мира – Хаос усложнение и организация мира от Хаоса к Космосу представление о периодической гибели Космоса и переход к Хаосу и вновь возрождение Космоса.

2) Естествознание начинается с вопроса: из чего состоит все? Субстанция мира – единое основание многообразия вещей.

3) Европейская наука началась с Милетской школы (VI в до н.э.) – Фалес (субстанция - вода), Анаксимандр (апейрон – некое вечное беспредельное, безграничное, бесконечное начало), Анаксимен (воздух ).

4) Гераклит из Эфеса (огонь – самое изменчивое и подвижное вещество).

5) Пифагорейский союз VI – IV вв до н.э. («Все есть число»). Математика как средство познания мира.

6) Элейская школа - основал Ксенофан. Известны Парменид (два пути познания: путь истины и путь мнения), Зенон (субстанция – бытие как таковое). Апории Зенона.

7) Софисты (платные учителя риторики, логики, философии) – могли доказать что угодно. Не верили в познаваемость мира. Например, Георгий: «Ничего не существует, если бы и существовало, то было бы непознаваемо; если бы и было познаваемо, то не было бы передаваемо другим».

8) Аристотель – первый исследователь природы (лучший ученик Платона - «Платон мне друг, но истина дороже», учитель Александра Македонского).

Основал Ликей – философскую школу.

Идеи не могут существовать отдельно от вещи (противоположно Платону).

Мир состоит из вещей. Каждая вещь – соединение материи и формы. Чтобы стать вещью, материя должна принять форму.

1)      мир делится на надлунный (идеальный, где возможно движение только по окружности) и подлунный. Основной закон механики Аристотеля: в подлунном мире v ~ F (скорость пропорциональная силе). Объяснение – теория импетуса (Филопон) – «движущая сила» у каждого движущегося тела.

2)      движение – естественное (легкое – вверх, тяжелое – вниз) и насильственное.

3)      каждый организм = реализация определенной формы. Животные – кровяные, бескровные (беспозвоночные), между животными и растениями - губки, медузы.

4)      Геоцентризм (Земля в центре мира) – Птолемей создал теоретическую базу. Теория эпициклов для объяснения некругового вращения планет.

Основоположники атомизма– Демокрит и Эпикур в Греции, Тит Лукреций Кар – в Древнем Риме.

Развитие математики – Пифагор (ввел понятие иррациональности), Евклид метод аксиом, основатель геометрии Евклида. Архимед (определил значение числа ? ,положил начало гидростатике, создал множество механических приспособлений, один из последних представителей античного естествознания)

В античной науке познавательный элемент был больше, чем ценностный ( П › ц ).

4.Естествознание средних веков.

В Европе - усиление влияния Церкви. Философия – «служанка» богословия. (Ц > п), Бог – высшая ценность.

Упадок европейской науки до XIII вв. На Востоке – прогресс науки. На арабский язык были переведены основные труды древнегреческих ученых – в VIII-IX вв. Мухаммад аль–Баттани (астрономические таблицы), Ибн - Юнас (тригонометрия, лунные и солнечные затмения),Ибн аль-Хайсам (оптика), Ибн-Рушд (виднейший философ и естествоиспытатель, считавший своим учителем Аристотеля).

В XIII в начался подъем европейской науки. Оксфордский университет.

Лекция 3. Научные революции

Естествознание эпохи Возрождения. Первая научная революция

Конец XV-XVI веков – переход от Средневековья к Новому времени – эпоха Возрождения (возрождение культурных ценностей античности).

1)      Первая научная революция связана с появлением гелиоцентрического учения польского астронома Николая Коперника (1473 – 1543). Труд «Об обращениях небесных сфер». Объяснение движения планет без эпициклов. Земля – одна из планет Солнечной системы. Учение было запрещено церковью.

Однако на основе гелиоцентрической системы в 1582 г. была проведена церковная реформа календаря: на смену юлианскому пришел григорианский.

2)      Итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548-1600) пошел дальше Коперника – бесконечность Вселенной, множественность миров. Сожжен на Площади Цветов в Риме в 1600 г. как нераскаявшийся еретик.

3)      Появление методологии – Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт (Картезий). Главная ценность – объективное познание мира.

4)      Галилео Галилей (1564 – 1642). Новое механистическое естествознание. Блестящий экспериментатор. Естественнонаучное обоснование гелиоцентрической системы в труде «Диалог о двух системах мира – Птолемеевской и Коперниковой». Суд инквизиции, отречение от взглядов.

5)      Первые теоретические концепции, объясняющие фундаментальные характеристики живого.

6)      Научная революция XVII в. завершилась творчеством Исаака Ньютона (1643-1727)

6.      Естествознание Нового времени (XVII – XIX вв.)

Исаак Ньютон – дифференциальное и интегральное исчисления, важные астрономические наблюдения, завершение дела Галилея по созданию классической механики. Три закона механики, закон всемирного тяготения. Основной труд – «Математические начала натуральной философии» – 1687 г. Предложил научно-исследовательскую программу, которую он назвал «экспериментальной философией» – механистическую.

Проблема философского метода.

Истоки противоположности двух методов – в древности. Гераклит: «Все течет, все изменяется», Ксенофан, Парменид,Зенон – мир неподвижен, неизменен, так как всякое изменение – это противоречие, что невозможно.

На определенном этапе научного познания природы метафизический метод был неизбежен, так как облегчал процесс познания. В рамках метафизического подхода проводилась классификация явлений природы. Карл Линней «Система природы»- предложен принцип такой классификации для живой природы. Градация: класс, отряд, род, вид, вариация. 6 классов животного мира (млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, черви, насекомые) и 24 класса растительного. Однако Линней не усмотрел в этой классификации развития.

Дальнейшее развитие естествознания требовало его диалектизации.

7.Научная революция 18-19 веков. Крушение механистической картины мира

Сутью научной революции 18-19 вв. является диалектизация естествознания.

1)      Немецкий философ Иммануил Кант (1724-1804) «Всеобщая естественная история и теория неба»- попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы.

2)      Пьер Симон Лаплас «Изложение системы мира» – независимо от Канта пришел к тем же выводам. Космогоническая гипотеза Канта-Лапласа.

3)      в XIX в идеи развития распространились на все естествознание. Английский естествоиспытатель Чарльз Лайель (1797-1875) «Основы геологии» - идеи геологического эволюционизма.

4)      Чарльз Роберт Дарвин (1809-1882) «Происхождение видов в результате естественного отбора». Развитие- это условие существования вида, условие его приспособления к окружающей среде.

5)      Ботаник Маттиас Якоб Шлейден (1804-1881), биолог Теодор Шванн (1810-1882)- создатели клеточной теории (все растения и животные состоят из клеток).

6)      Широкомасштабное единство, взаимосвязь в материальном мире продемонстрирована с открытием закона сохранения и превращения энергии. Первооткрывателями его считаются немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814-1878) и английский исследователь Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889). Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821-1894) увязал этот закон с принципом невозможности вечного двигателя.

7)      Немецкий химик Фридрих Вёлер (1800-1882) – синтезировал первое искусственное органическое вещество – мочевину.

8)      Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) - периодическая таблица элементов.

9)      Французский биолог Жан Батист Пьер Ламарк (1744-1829)- гипотеза эволюции живой природы.

Принципы:

а) градации (стремление к совершенству),

б) прямого приспособления к условиям внешней среды.

Законы:

а) изменения органов под действием упражнений,

б) наследования признаков новыми поколениями.

Механистические взгляды на материальный мир господствовали до XIX века. Все закономерности материального мира сводились к законам механики. С открытием электрического заряда пришлось пересматривать взгляды.

1)      Француз Шарль Огюст Кулон (1736-1806) – закон взаимодействия электрических зарядов.

2)      Англичанин Майкл Фарадей (1791-1867) ввел в науку понятие электромагнитного поля. Кроме вещества, в природе существует еще и поле.

3)      Англичанин Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) «Трактат об электричестве и магнетизме»- математическая теория электромагнитного поля.

4)      Немец Генрих Рудольф Герц (1857-1894) экспериментально подтвердил теоретические выводы Максвелла.

Естественнонаучная революция 20 века.

В конце XIX - начале XX века был сделан каскад научных открытий, которые привели к коренному пересмотру физической картины мира.

1)      Французский физик Антуан Анри Беккерель (1852-1908) открыл явление спонтанного излучения солей урана.

2)      Французские физики Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) открыли новые радиоактивные элементы.

3)      Английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл первую элементарную частицу – электрон и предложил первую модель атома.

4)      Английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) предложил новую, планетарную модель атома. Она основывалась на экспериментах Ганса Гейгера (1882-1945) и Эрнста Марсдена (1889-1970).

5)      Датский физик Нильс Бор (1885-1962) разработал квантовую теорию строения атома. Постулаты: в атоме существуют дискретные (стационарные) состояния, в которых атом не излучает. При переходе из одного состояния в другое атом излучает или поглощает квант энергии.

6)      Немецкий физик Макс Планк (1858-1947) положил начало квантовой теории, выдвинув гипотезу о дискретном испускании электромагнитного излучения.

7)      Альберт Эйнштейн (1879-1955) дополнил гипотезу Планка положениями, что электромагнитное излучение распространяется и поглощается порциями (квантами). Создал теорию относительности, основанную на том, что пространство и время не абсолютны.

8)      Французский ученый Луи де Бройль (1892-1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи. Корпускулярно-волновой дуализм.

9)      Появилась электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов, используемых для передачи, обработки и хранения информации. В 1940 г американский математик Норберт Виннер предложил использовать в вычислительных машинах не десятичную, а двоичную систему счисления, разработанную Джоржем Булем в 19 в. На основе идей Виннера была создана общая теория информации и связи.

10)    Этапы развития электронно-вычислительной техники. 1-е поколение – ламповые вычислительные машины. Второе поколение – полупроводниковые ЭВМ. В середине 60х годов появились интегральные схемы. На них основано третье поколение ЭВМ. В начале 80х годов стали выпускать микросхемы, содержащие до 100 тыс. элементов в кубическом сантиметре. Сейчас выпускают большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (более млн. элементов). Один из путей развития электроники – создание микросхем на основе белковых структур.

Лекция 4. Современное естествознание

Панорама современного естествознания. Тенденции развития.

Новые явления и процессы, имевшие место в развитии естествознания и техники в первой половине XX века (открытие цепной ядерной реакции - О. Ган, Ф. Штрассман, Л. Мейтнер и О. Фриш), подготовили уникальное событие, получившее наименование научно-технической революции (НТР), которая началась во второй половине XX века, когда совпали по времени и научная и техническая революции.

Первый этап НТР начался в 50х годах ХХ в.

1)      В 1953 году была раскрыта структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), что послужило началом интенсивных исследований в химии и биологии.

2)      В 1954 году была построена первая в мире атомная электростанция в Обнинске.

3)      Появилась кибернетика. Электронно-вычислительная техника.

4)      Космические исследования. Ракетно-космическая техника.

Второй этап НТР начался со второй половины 70х годов и продолжается до сих пор.

1)      В последние десятилетия биология достигла грандиозных успехов, когда сумела заглянуть внутрь живой клетки и понять биологические механизмы на уровне молекулярных взаимодействий. Генная инженерия. Расшифровка генома человека.

2)      Новые технологии: гибкие автоматизированные производства, лазерная технология, биотехнология и др.

3)      Информатизация общества на основе персональных компьютеров. Интернет.

4)      Нанотехнологии, оптоэлектроника, электроника высоких скоростей.

Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. Корпускулярно-волновой дуализм.

Поле – сплошная среда, имеющая различные параметры (поле скоростей, температур и т.д.)

Дискретность – «зернистость» – означает делимость пространства- времени, строения и форм движения (скачки). (Например, множество целых чисел).

Континуальность – непрерывность, целостность объекта. (Например, множество действительных чисел).

Луи де-Бройль: все микрообъекты обладают корпускулярными и волновыми свойствами. E = h?, E=mc2, ?=h/mv.

Порядок и беспорядок в природе. Хаос.

Существует различие между обратимыми и необратимыми процессами. Законы классической механики являются обратимыми.

Характер протекания процессов в природе определяется II началом термодинамики, согласно которому в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи тепла только от более горячих тел к менее горячим.

В обратимых процессах сохраняется некоторая физическая величина, названная Клаузиусом энтропией. В необратимых процессах энтропия возрастает. Людвиг Больцман связал энтропию S с натуральным логарифмом статистического веса W (или термодинамической вероятности макросостояния, то есть числом микросостояний, которыми может быть осуществлено каждое макросостояние). S = k lnW (k – постоянная Больцмана).

Энтропия – мера неупорядоченности системы (хаоса). Энтропия возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку.

По Эддингтону возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени».

Лекция 5. Структурные уровни организации материи

Концепции описания природы.

Сложился культурно-исторический подход к анализу развития естествознания.

парадигма (гр.пример, образец) – признанные всеми научные достижения, система теоретических представлений и философских обобщений.

В основе «жесткого ядра» физической исследовательской программы лежит базисная теория. Например, квантовая теория поля, как базисная, формирует целый ряд фундаментальных теорий: атомная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц и т.д.

Типы физических исследовательских программ: механистическая (Ньютон), релятивистская (Эйнштейн), квантово-полевая (Планк), в настоящее время строится теория Суперобъединения (единая теория поля).

Структурные уровни организации материи. Микро-, макро- и мегамиры. Пространство и время.

Взаимодействие Частицы     Максимальн. радиус действ.          Относит. интенсивн.         Кванты сильное  адроны      10-15 м     1      глюоны

электромагнитное        все заряж. ч-цы  ?       10-3 фотоны слабое    все ч-цы, кроме фотона       10-18 м     10-14         бозоны (W+,W-,Z) гравитац.        все ч-цы     ?       10-36     гравитоны

Элементарные частицы: 36 кварков и антикварков, 8 глюонов, 12 лептонов, фотон – всего 57 элементарных частиц.

Микромир – объекты, меньшие 10-6м, наблюдаемые с помощью приборов.

Макромир - доступный наблюдению человека – от 10-6м до порядка 1 астрономической единицы (150 млн.км -большая полуось земной орбиты).

Мегамир – все за пределами солнечной системы (границы наблюдаемой Вселенной –10 26м).

Ньютон ввел понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, которые не связаны с материей, однородны и изотропны. (Это субстанциональная концепция) Р.Декарт – ввел систему координат евклидовой геометрии. (В реляционной концепции пространство и время рассматриваются как системы отношений между взаимодействующими объектами).

Н.И. Лобачевский и Георг Риман – предложили неевклидовы геометрии. Пространство и время составляют континуум, свойства которого зависят от материи.

В настоящее время пространство и время трактуются как формы существования материи. Они неразрывно связаны между собой, их единство проявляется в движении и развитии материи.

Наше пространство трехмерно. (Но в принципе возможны Вселенные с другим числом пространственных измерений). Свойства пространства зависят от скорости движения системы отсчета, от наличия гравитационных полей.

l = lo v (1-v2/c2)

Время течет в одном направлении – от прошлого к будущему. Ход времени зависит от скорости протекания процессов (химическое, биологическое, геологическое время – 1 секунда геологического времени = 100 тыс. лет исторического), зависит от скорости движения инерциальной системы отсчета

( СТО):

t =to/v 1-v2/c2

Современная физика связывает необратимость времени с необратимыми тепловыми процессами.

Некоторые принципы современной физики.

Современная физика, как и классическая, признает объективное существование физического мира, однако отказывается от наглядности.

1.      1.Близкодействия – взаимодействие распространяется с конечной скоростью, через поле (ранее Р.Декарт ввел принцип дальнодействия - мгновенно на любом расстоянии). Максимальная скорость – скорость света в вакууме.

2.      Целостности – существует взаимодействие частиц с определенными состояниями физического вакуума, частицы могут рождаться из физического вакуума.

3.      Запрета (Паули) – для фермионов: две тождественные частицы не могут находиться в одном квантовом состоянии.

4.      Тождественности – состояния системы, полученные перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте.

5.      Симметрии волновой функции для системы тождественных частиц – (симметрия – инвариантность свойств системы при некоторых преобразованиях ее параметров) – существует обменное взаимодействие между частицами (Гейзенберг).

6.      Эквивалентности – (в основе ОТО)- ускорение эквивалентно однородному полю тяготения. Следствие – равенство инертной и гравитационной масс.

7.      Соответствия (Н.Бор) – любая неклассическая теория в предельном случае переходит в классическую. (Пример – СТО – классическая механика).

8.      Неопределенности (В.Гейзенберг) – невозможность одновременно точного определения координаты и импульса частицы: ?x.?px?h.

9.      Дополнительности – волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают, а дополняют друг друга. Этот принцип утверждает зависимость описания поведения физических объектов от условий наблюдения.

10.    Суперпозиции – два тела взаимодействуют друг с другом независимо от наличия других тел.

11.    Относительности (Галилея – в классической механике, Эйнштейна – в релятивистской): все инерциальные системы отсчета (ИСО) равноправны относительно любых физических явлений. Релятивистская физика отказывается от принципов механистического детерминизма.

И другие принципы…

Лекция 6. Состояние и способы его описания

Динамические и статистические закономерности в природе.

Понятие состояния - центральный элемент физических теорий - совокупность данных, характеризующих объект в данный момент времени. Для задания состояния системы необходимо:

1)      определить параметры состояния – совокупность физических величин, описывающих явление,

2)      выделить начальные условия (параметры в начальный момент времени),

3)      3)применить законы, описывающие эволюцию системы.

Закон - объективная, необходимая, всеобщая повторяющаяся связь между явлениями и событиями.

Структурность и системность - общие свойства материи.

Структурность – внутренняя расчлененность материи.

Системность – организованность, упорядоченность существования материи.

Единство структурности и системности – определяет существование мира как систему систем: система объектов, система свойств или отношений и т.п.

Бытие – сложноорганизованная иерархия систем, все элементы которой находятся в закономерной связи друг с другом.

Система - комплекс взаимодействующих элементов (неразложимых компонентов системы). По характеру связей между элементами системы и с окружающей средой системы делятся на:

a)      суммативные (элементы автономны) и целостные (каждый элемент зависит от целостности);

b)      открытые (обменивающиеся энергией, ве6ществом, информацией с окружающей средой) и закрытые (элементы взаимодействуют только между собой).

Лекция 7. Законы сохранения в макропроцессах

Теорема Нётер и законы сохранения.

В 1918 г. Эмми Нётер доказала теорему, из которой следует, что если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющаяся величина. (Каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией).

a.       закон сохранения энергии – следствие временной трансляционной симметрии (однородности времени),

b.      закон сохранения импульса – трансляционной симметрии (однородности) пространства,

c.       закон сохранения момента импульса - симметрии относительно поворотов в пространстве (изотропности пространства) и т.д.

Диссипация энергии - (необратимый процесс) - переход энергии из одних форм в другие, более низкие по классу (самая низкая – тепловая энергия).

Закон сохранения и превращения энергии - всеобщий закон Природы.

В обратимых процессах S= const, в необратимых - S^. (Отличие прошлого от будущего ).

В равновесных состояниях S= const и max, а энергия min.

Принцип Больцмана – любое макросостояние может быть осуществлено определенным числом микросостояний (W).

Законы термодинамики.

I.       (Закон сохранения энергии) ?U=Q – A (изменение внутренней энергии равно полученному количеству теплоты минус работа системы). Первый закон не указывает направления тепловых процессов.

II.      Несколько формулировок:

a)      процесс, единственным результатом которого было бы изъятие теплоты из резервуара, невозможен;

b)      невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре (Карно);

c)       тепло не может передаваться самопроизвольно от холодного тела к горячему;

d)      энтропия изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает.

II закон устанавливает наличие фундаментальной асимметрии в природе - однонаправленности самопроизвольных процессов.

III.     Невозможно достижение абсолютного нуля ( 0К = - 273,15 оС) как сверху, так и снизу.

В 18 веке произошла промышленная революция (паровые машины - Уатт, Стефенсон, Фултон, Черепанов; цикл Карно; телеграф - Морзе).

21.Эволюционно-синергетическая парадигма.

Синергетика – теория самоорганизации в сложных, открытых, неравновесных и нелинейных системах любой природы. (Совокупность идей о принципах самоорганизации и суммы общих математических методов ее описания).

Самоорганизация - возникновение порядка из хаоса без управляющего воздействия извне, за счет внутренней перестройки системы – общее свойство сложных (состоящих из множества элементов), открытых (находящихся в состоянии обмена энергией, веществом, информацией с окружающей средой), нелинейных (описываемых нелинейными уравнениями) и неравновесных (находящихся вдали от состояния термодинамического равновесия) систем.

Обратная связь – непременный атрибут самоорганизации, а именно положительная ОС (усиливающая) – изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что приводит к появлению нового порядка и структуры. Отрицательная (успокаивающая) ОС приводит к устранению внешнего воздействия.

Эволюция - постепенное развитие. Развитие самоорганизующейся системы проходит через скачки (точки бифуркации, в которых имеется несколько возможных направлений развития).

Кибернетика («искусство управления») – изучает системы с отрицательной ОС.

Составляющие эволюционно-синергетической парадигмы.

a)      принцип глобального эволюционизма,

b)      концепция фундаментального единства материи,

c)       представление об универсальности алгоритма развития как проявления самоорганизации в природных и социальных системах,

d)      принцип необратимости эволюции.

Примеры самоорганизации в неживой природе - реакция Белоусова-Жаботинского, лазер, сверхпроводимость. (Эффект Мейснера – явление полного вытеснения магнитного поля из объема сверхпроводника при понижении температуры ниже критической).

22. Связь между энтропией и информацией.

Информация – центральное понятие кибернетики.

•        одна из сущностей мира (материя - дух - информация);

•        философская категория;

•        всеобщее свойство материи;

•        сведения, которыми обменивается система;

•        система знаков;

•        мера свободы чьего-либо выбора, логарифм доступных выборов.

Информационная энтропия – мера неполноты информации о внутренней структуре системы.

Теорема Шеннона - (касается передачи сигнала при наличии помех, приводящих к искажениям), возможность восстановления сигнала зависит от скорости его передачи, при скорости выше критической сигнал не может быть восстановлен.

Лекция 8. Современные взгляды на устройство и происхождение Вселенной.

23.Гипотезы образования Вселенной.

1)      Больцман – флуктуационная гипотеза: на фоне всеобщей тепловой смерти появляются и существуют отдельные миры.

2)      Фридман А.А. – Вселенная должна изменяться со временем: расширяться, сжиматься, либо пульсировать.

3)      Сахаров А.Д. – до рождения Вселенной была антивселенная, которая сжалась в сингулярность.

4)      Бонди, Голд, Хойл (Кэмбридж) – гипотеза «стационарной Вселенной» – идея непрерывного творения материи.

5)      В настоящее время наиболее популярны две гипотезы: Большой Взрыв Г.Гамова и инфляционная модель Линде и Гута. Отличаются до 10–30 секунд наличием во второй модели стадии инфляции (раздувания).

Хаббл обнаружил «разбегание» галактик - расширение Вселенной в настоящее время. Фотометрический парадокс – Ж.Шеро - при бесконечности Вселенной небо должно быть освещено равномерно.

Время существования Вселенной – 13-20 млрд лет.

Галактики - спиральные, эллиптические, неправильные. Наша Галактика - Млечный путь. Квазары – ядра галактик в состоянии активности. Черные дыры- звезды, которые в результате гравитационного коллапса сжались до такой плотности, что даже излучение не может выйти наружу.

Лекция 9. Химические процессы

Периодический закон Д.И.Менделеева и строение атомов.

Открыт в 1869 г., в то время в таблице было 62 элемента. Свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Штарк – ввел понятие валентности, связав его с числом электронов на внешнем энергетическом уровне.

Гайтлер и Лондон – предложили модель электронного облака вокруг ядра.

Эрнест Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома: в ядре протоны 11p (положительно заряженные частицы) и нейтроны 01n (незаряженные частицы). Вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные частицы – электроны. Число протонов равно числу электронов и равно номеру элемента в периодической таблице.

Изотопы – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Место и роль химии в современной цивилизации.

Основные понятия химии:

1)Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая его индивидуальные свойства. Молекулы состоят из атомов, связанных химическими связями. Расстояние между атомами в молекуле 1 – 4 ангстрема (1A=10–10м). В настоящее время молекулы, макромолекулы, монокристаллы и другие квантово-механические системы относятся к химическим соединениям. Известно около 8 млн. химических соединений, 96% из них – органические.

2)Типы химических связей:

-ионная (один атом отдает другому один или 2 электрона), например, NaCl;

-ковалентная (возникает обобществленная пара электронов), например, Si, H2;

-водородная (атом Н соединен ковалентной связью с другим атомом так, что его водородная часть оказывается положительной и соединенной с третьим атомом) – самая слабая, но наиболее распространенная в природе.

3)Принцип Ле-Шателье: внешнее воздействие, которое выводит систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление такого влияния (это пример отрицательной ОС).

4)Валентность – число электронов на внешнем уровне.

5)Химические реакции – образование новых соединений из реагентов.

Время реакции – примерно 1 фс (фемтосекунда) = 10–15с.

-        экзотермические – с выделением энергии,

-        эндотермические – с поглощением энергии,

-        для начала химической реакции необходима энергия активации;

-        фотохимические реакции – под действием света;

-        цепные реакции, которые раз начавшись, продолжаются до полного завершения (например, фотохимическая цепная реакция:

Cl + H2 HCl + H,

H + Cl2 HCl + Cl, и т.д. )

-        катализаторы (и ингибиторы) – вещества, изменяющие скорость химических реакций, энергию активации стараются снизить с помощью катализаторов;

-        самопроизвольные химические реакции происходят в направлении возрастания энтропии (S);

-        химические реакции возможны, если они сопровождаются уменьшением свободной энергии (F = E – TS).

Особенность химии – она сама создает объект своей науки.

Фундаментальные основы современной химии:

-        квантовая механика;

-        атомная физика;

-        термодинамика;

-        статистическая физика;

-        физическая кинетика.

Значение химии в современной цивилизации. Химия связана с:

•        химической промышленностью;

•        сельским хозяйством;

•        фармакологией;

•        пищевой промышленностью,

•        производством СМС, лаков и красок.

Химия внедрилась в естественный круговорот веществ (например, ДДТ – дихлордифенилтрихлорметилметан- (ClC6H4)2CH-CCl3).

Концептуальные уровни современной химии.

Сложились 4 подхода к решению основной задачи – 4 концептуальных уровня химических знаний:

1.      Учение о составе (17 – 19 в.в.) (Авогадро в 1811 г. ввел понятие «молекула» – микрочастица, способная к самостоятельному существованию)

2.      Структурная химия (с 19 в.) (реакционная способность соединения зависит от химической активности отдельных фрагментов; хиральность – неодинаковость свойств веществ с левосторонней и правосторонней симметрией)

3.      Учение о химических процессах (с 1950–х г.) (область взаимного проникновения химии, физики и биологии)

4.      Эволюционная химия (с 1970–х г.) (поиск условий, при которых в процессе химических превращений происходит самосовершенствование катализаторов реакций; изучение самоорганизации химических систем, происходящей в живых клетках).

Основные направления современной химии. Химические процессы.

Химию принято разделять на пять разделов: неорганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений. Органическая химия – наиболее крупный раздел химии. Еще в 1910 г. С.В.Лебедев разработал промышленный способ получения бутадиена, а из него каучука.

В 1960-х годах было обнаружено самосовершенствование катализаторов в ходе химических реакций.

Основная задача современной химии – исследование генезиса (происхождения) свойств веществ и разработка методов получения веществ с заранее заданными свойствами.

А.Е. Арбузов: «Подражание живой природе есть химизм будущего». Основные направления биохимии - изучение биокатализа, установление структуры и синтез витаминов, белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков и т.д.

Новые направления: химия экстремальных состояний (высокие температуры и давления), плазмохимия, элионные технологии – химические процессы в электрических полях.

Сущность химической эволюции.

В настоящее время открыты и получены на ускорителях 118 элементов.

6 из них - органогены (основные элементы биологических систем):

C, O, H, N, P, S. Их общая доля составляет ~ 97,4% в органических соединениях. 12 элементов – Na, K, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn ~ 1,6 %. Всего ~ 8 млн. химических соединений, из них только ~ 300 000 – неорганические соединения.

На Земле: O –47,0%, Si – 27,5%, Al – 8,8%, Fe – 4,6%, Ca –3,6%, Na - 2,6%, K –2,5%, Mg – 2,1%. С – на 16 месте. Весовая доля C, N, P, S – 0,24 %.

Таким образом, геохимические условия не сыграли существенной роли в отборе химических элементов для формирования органических систем.

Принципы отбора химических элементов:

1)      способность образовывать прочные энергоемкие химические связи;

2)      лабильность( изменчивость) образуемых химических связей.

Органоген №1 – углерод!

В биохимии особую роль играют три класса молекул мономеров:

Аминокислоты (мономеры белков), нуклеотиды (мономеры нуклеиновых кислот) и моносахариды (мономеры полисахаридов).

В организме человека синтезируются 12 аминокислот, 8 должны поступать с пищей. Из 100 известных аминокислот только 20 входят в состав белков.

Белок состоит из тысяч аминокислот и имеет сложную структуру.

Нуклеиновые кислоты – ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) - самые крупные молекулы в живых организмах.

Роль воды в живой материи.

Вода имеет уникальные свойства:

-        большие поверхностное натяжение и капиллярность (так как молекулы воды притягиваются друг к другу и к молекулам трубок);

-        в воде растворяется больше веществ, чем в любом другом растворителе (растворяет полярные вещества);

-        имеет высокие теплопроводность, температуру плавления и температуру кипения;

-        имеет максимальную плотность при +4Со, при кристаллизации объем резко увеличивается;

-        вода – среда, в которой происходят все биохимические реакции, и их участник. Жизнь зародилась в воде!

Лекция 10. Современные концепции развития геос