Основные вопросы естествознания

Размещено на http://www.allbest.ru

1. КОСМОЛОГИЯ И ЕЕ ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

Космоломгия -- раздел астрономии, изучающий свойства и эволюцию Вселенной в целом. Основу этой дисциплины составляют математика, физика и астрономия.

Раздел астрономии и астрофизики, изучающий происхождение, крупномасштабную структуру и эволюцию Вселенной. Данные для космологии в основном получают из астрономических наблюдений. Для их интерпретации в настоящее время используется общая теория относительности А. Эйнштейна (1915). Создание этой теории и проведение соответствующих наблюдений позволило в начале 1920-х годов поставить космологию в ряд точных наук, тогда как до этого она скорее была областью философии. Сейчас сложились две космологические школы: эмпирики ограничиваются интерпретацией наблюдательных данных, не экстраполируя свои модели в неизученные области; теоретики пытаются объяснить наблюдаемую Вселенную, используя некоторые гипотезы, отобранные по принципу простоты и элегантности. Широкой известностью пользуется сейчас космологическая модель Большого взрыва, согласно которой расширение Вселенной началось некоторое время тому назад из очень плотного и горячего состояния; обсуждается и стационарная модель Вселенной, в которой она существует вечно и не имеет ни начала, ни конца. Задача космологии состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции нашей Вселенной. Поэтому выводы космологии имеют большое мировоззренческое значение и опираются на данные астрономии и астрофизики.

ВОПРОС 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Этот постулат постоянства скорости света находится в непримиримом противоречии как с принципом относительности Галилея, так и со всеми нашими привычными представлениями о скорости. Мы настолько привыкли к закону сложения скоростей, что всякое от него отступление готовы считать полнейшим абсурдом. Для пассажира, отставшего от поезда и пытающегося его догнать, поезд движется медленнее, чем для неподвижных наблюдателей этой сцены. Но, согласно постулату Эйнштейна, два наблюдателя, измеряющие скорость света от одного и того же источника, получат одинаковый результат, как бы быстро друг относительно друга они ни двигались. Один из них может двигаться навстречу свету, другой -- догонять этот же самый свет; все равно, для каждого из них скорость света равна 300 000 км/сек.

В основу теории относительности Эйнштейн положил принцип относительности, совпадающий по своей формулировке с принципом относительности Галилея. Отличие состоит, во-первых, в том, что он теперь распространяется не только на механические, но и на электромагнитные и вообще на все физические явления, и, во-вторых, в делении физических величин на относительные и абсолютные. То, что скорость света переходит из разряда относительных величин в разряд абсолютных, приводит к необходимости пересмотра всей классификации.

ВОПРОС 4. СИММЕТРИЯ ВО ВСЕЛЕННОЙ

Симметрия -- это неизменность или инвариантность поведения системы при каком либо классе преобразования.Наука стремится описать вселенную как взаимосвязь силовых полей частиц и симметрий. Если система инвариантна относительно некоторого тотального преобразования,то для нее существует некоторая сохраняющая величина.Иногда часть симметрий называют обстрактными.Любой процесс есть сохранение одних и нарушение других симметрий.Считается что наивысшая степень симметрии была в момент большого взрыва. Вся вселенная существует за счет постоянного нарушения разнообразных симметрий. благодаря симметрии существуют многие законы сохранения, например, закон сохранения энергии, или закон сохранения импульса.

ВОПРОС 7. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

Квантовая механика описывает реальность как совокупность очень большого числа порций вещества энергии пространства. Все принципы и закономерности КМ справедливы только для большого числа частиц, имеют статист. И следовательно вероятность хар-ер. Один из осн. Принципов кв. механики корпускулярно волновой дуализм. Каждый кв. объект обнаруж. В эксперименте как частица или волна. Принцип неопределенности : Невозможно описать и определить: координаты и скорость частицы, Время ее взаимодействия. И энергию . процесс наблюдения влияет на движение непредсказуемым образом. Этот принцип не зависит от точности аппаратуры и проявл. в квантовых исследований абсолютно. Смысл принципа неопред. В том что в плановских пространствах 10 в - 33 частицы перемещаются из точки в точку непредсказуемым числом способов, при этом эти пространства обладают кривизной. Принцип дополнительности Бора. Для описания объектов и процессов микромира необходимы и волновой и квантовые подходы. Для опред. волновых свойств в частицы необходимы 2 серии экспериментов.

ВОПРОС 9. ГРАВИТАЦИЯ И ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ КАК ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

С описания крупномасштабных эффектов собственно и началась наука. Распределяется на неограниченные расстояния подчиняется закону обратных квадратов ньютона. Считается что скорость распределения гравитационного взаимодействия не более световой или равна световой. Гравитация (далее Г) представляется основным взаимодействием во вселенной, т.к. препятствует постоянному расширению. Г универсальна, любая частица участвует в Г взаимодействии и является его источником. Величина Г одинакова у всех частиц. Опыт Галилея. Все тела, независимо от массы, передают одинаково. Г всегда притяжение которое стремится сблизить частицы. Понятия антигравитация и отрицательная масса, отриц. энергия возможно относится к ещё неизвестному взаимодействию. Г наименее интенсивная из взаимодействий, на уровне частиц очень мало. По мере увеличения количества в-ва растёт и Г. согласно ОТО Г не сила, а степень искривления пространства времени вблизи масс конкретной величины. Любое тело, в том числе и земной исследователь сам является источником гравитации. Возникновение Г волн возможно зафиксировать только при столкновении сверхмассивных космических объектов. Современное понимание Г представляет её как поле в котором существуют волнообразные возмущения. Все известные реалии, в том числе и вещество считается результатом этих возмущений. Скорость Г волн постулирована т.к. измерить её невозможно. Частица переносчик - гравитон. Предполагается существование 3-х типов гравитонов. Человечеству пока невозможно делать с ними эксперименты. Электромагнетизм - в нём участвуют только заряженные частицы и в-ва имеющие магнитные свойства. Если заряды можно разделить, то магн.поля существуют только парами. В науке существует проблема магнитного монополя, т.е. изолированного полюса. Он предсказан теоретиками, но пока не создан. Э распространяется неограниченно, подчиняется закону обратных квадратов и распространяется со световой скоростью (как гравитация). Э НЕ ИЗМЕНЯЕТ ПРИРОДУ ЧАСТИЦ УЧАСТНИКОВ, ИСКЛЮЧЕНИЕ СКОРОСТЬ. Э ответственен за:

1. Взаимодействие протоном и электронов в атоме.

2. структуру молекул и молекулярных орбиталей.

3. структуру в-ва.

4. свойства в-ва.

5. распространение части иг-ры (?) в виде радиоволн, света, звука, тепла, света и т.д.

6. магнитное поле космический объекто.

7. электропроводность.

На Э построена вся современная техник, частица переносчик - фотон.

ВОПРОС 10

Существует 4 не сводящихся друг к другу вида взаимодействий. Это гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. В физике причиной изменения движения тел является сила. Исследуя окружающий нас мир, мы можем заметить множество разнообразных сил: сила тяжести, сила сжатия пружины, сила, возникающая при столкновении тел, сила трения и другие. Однако, когда была выяснена атомарная структура вещества, стало понятно, что все разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку атомы взаимодействуют через электростатическое поле электронных оболочек, то, как оказалось, все эти силы -- лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Действительно, представим себе два сталкивающихся бильярдных шара. Всегда слышится звук удара, но что при этом происходит. Всего навсего взаимодействовали электронные оболочки атомов.

Единственное исключение из этого многообразия сил -- сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между двумя массивными телами. Чтобы понять, что из себя представляю два оставшихся взаимодействия нужно чуть лучше познакомится с миром элементарных частиц. 

Заглянем внутрь атомного ядра. Ядро состоит из двух видом элементарных частиц - протонов и нейтронов. Протоны - положительно заряженные элементарные частица, довольно тяжелые (почти в 2000 раз тяжелее электрона). Нейтроны не имеют электрического заряда, еще чуть более тяжелые чем протоны. Зная точно массы и заряды протоны и нейтрона видно, что в присутствии только гравитационного и электрического взаимодействия ядра атомов существовать бы не могли.Чуть менее 100 лет назад именно такое положение вещей навело ученых на мысль о существовании еще одного типа взаимодействия - сильного.

Как оказалось позднее и сильного взаимодействия недостаточно для описания всех процессов, происходящих в микромире. Необходимо было существование еще одногослабого взаимодействия. Для того, чтобы понять что это за взаимодействия проведем некоторую сравнительную их характеристику.

Начнем с гравитации. В гравитационном взаимодействии участвуют все тела обладающие массой. Гравитационные силы являются лишь силами притяжения, так как все тела обладают положительной массой (за исключением возможно темной энергии). Гравитационные силы убывают пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими телами.

Электромагнитное взаимодействие очень похоже на гравитационное. Отличие лишь в том, что у нас есть как положительные так и отрицательные заряды. Электромагнитное взаимодействие более сильное чем гравитационное из-за большей константы связи (заряды в один кулон притягиваются сильнее чем массы в один килограмм).

Слабое и сильное взаимодействия существенно отличаются от электромагнитного. Сила в этих взаимодействиях очень быстро убывает с расстоянием. Так например, в достаточно большом атомном ядре(например, уран) сила притяжения нуклонов находящихся на диаметрально противоположных концах ядра уже очень мала. Именно поэтому ядро урана нестабильно и подвержено самопроизвольному распаду. На достаточно малых расстояниях сила сильного взаимодействия превосходит силу электромагнитного. Это делает стабильными такие атомные ядра как литий натрий и т.п.

Аналогично электромагнитному заряду существует слабый заряд и сильный заряд. Поскольку на макроскопических расстояниях (сравнимых с размерами самих атомов и больше) это силы не действуют, то такие заряды приписываются только элементарным частицам. Элементарные частицы обладающие сильным зарядом называются барионами, к ним относятся например нуклоны - протон и нейтрон. Соответственно все они участвуют с сильном взаимодействии. Электрон и ряд других частиц не обладают таким зарядом и не участвуют в сильном взаимодействии. В слабом взаимодействии участвуют все частицы. Сила слабого взаимодействия значительно меньше сильного.

Существует такое частицы, которые участвуют только с слабом и гравитационном взаимодействии - это нейтрино. Из-за такой их особенности их очень тяжело обнаружить в эксперименте.

Этими четырьмя взаимодействиями определяется то, как взаимодействуют все известные объекты от элементарных частиц до звезд и галактик. Так например сильное и слабое взаимодействия полностью определяют время жизни всех элементарных частиц, а гравитация - движение звезд и планет.

ВОПРОС 11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИИ КАК НАУКИ

Химия изучает состав, свойства и превращения веществ, а также явления, которые сопровождают эти превращения. Основная цель современной химии, вокруг которой строится вся исследовательская работа, заключается в получении веществ с заданными свойствами. Это и определяет содержание двуединой центральной задачи химии: - исследование генезиса (то есть происхождения) свойств веществ; - разработка на этой основе методов получения веществ с заранее заданными свойствами. 2. Основоположником системного освоения химических знаний явился Д.И. Менделеев. Он исходил из принципа, что любое точное знание представляет систему. Такой подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов, в которой основной характеристикой элементов являются атомные веса. Эволюционная химия -- четвертая концептуальная система химии, связанная с включением в химическую науку принципа историзма и понятия времени, с построением теории химической эволюции материи. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации вещества: от атомов и простейших молекул до живых организмов.

12.ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ЗАКОНЫ ХИМИИ ПАУЛИ, ХУНДА, АВОГАДРО

В1925 г. швейцарский физик В.Паули (в 1945 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике) установил правило, названное впоследствии принципом Паули (или запретом Паули): В атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковыми свойствами.

Поскольку свойства электронов характеризуются квантовыми числами, принцип Паули часто формулируется так:

В атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы.

Правило Хунда определяет порядок заполнения орбиталей определённого подслоя и формулируется следующим образом: модуль суммарного значения спинового квантового числа электронов данного подслоя должен быть максимальным. Сформулировано Фридрихом Хундом в 1925 году.

Это означает, что в каждой из орбиталей подслоя заполняется сначала один электрон, а только после исчерпания незаполненных орбиталей на эту орбиталь добавляется второй электрон. При этом на одной орбитали находятся два электрона с полуцелыми спинами противоположного знака, которые спариваются (образуют двухэлектронное облако) и, в результате, суммарный спин орбитали становится равным нулю. Закон Авогамдро -- одно из важных основных положений химии, гласящее, что «в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число молекул». Было сформулировано ещё в 1811 году Амедео Авогадро

ВОПРОС 13. ТИПЫ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ НА ПРИМЕРЕ УГЛЕРОДА

Химическая связь - это взаимное сцепление атомов в молекуле и кристаллической решётке в результате действия между атомами электрических сил притяжения.

КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ.

Ковалентная связь образуется за счёт общих электронных пар, возникающих в оболочках связываемых атомов.

Она может быть образована атомами одного итого же элемента и тогда она неполярная

Ионная связь - частный случай ковалентной, когда образовавшаяся электронная пара полностью принадлежит более электроотрицательному атому, становящемуся анионом. Основой для выделения этой связи в отдельный тип служит то обстоятельство, что соединения с такой связью можно описывать в электростатическом приближении, считая ионную связь обусловленной притяжением положительных и отрицательных ионов. 

Металлическая связь возникает в результате частичной делокализации валентных электронов, которые достаточно свободно движутся в решетке металлов, электростатически взаимодействуя с положительно заряженными ионами. Силы связи не локализованы и не направлены, а делокализированные электроны обусловливают высокую тепло- и электропроводность.

Водородная связь. Ее образование обусловлено тем, что в результате сильного смещения электронной пары к электроотрицательному атому атом водорода, обладающий эффективным положительным зарядом, может взаимодействовать с другим электроотрицательным атомом

Химическая связь в твердых телах. Свойства твердых веществ определяются природой частиц, занимающих узлы кристаллической решетки и типом взаимодействия между ними.

ВОПРОС 14

Биология- неформализуемая наука. Осн-ые сложности: Преждевременно создавать единую теорию жизни на манер (тво). Нет законов биологии которые выводились из физики или химии. В общих чертах можно представить земные условия до возникновения жизни. Вопрос о границе живого. 1 Натуралистическая биология. Раздел изучающий организмы и биосферу. Методы- наблюдение, описание и классификация. Главная задача: установить наиболее общие закономерности существования природной среды. Разделы: экология, анатомия, физиология, полионтология. классификация организмов перешла в область инструментальных методов эволюционной биологии. Физико-химич. Биология. Группа инструментальных методов исследования ор-ов и их фрагментов основанных на физики или химии. Изотопные методы введения в организм соединений содержащим и низкоэнергичные изотопы элементов. Метод: Электронная микроскопия.

ВОПРОС 15. НАТУРАЛИСТИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ

Самый старый раздел. Занимается изучением организмов в их естественном состоянии, желательно в нетронутой среде. Методы: наблюдение, описание, классификация. Основная задача установление наиболее фундаментальных закономерностей существования природы как целого. Исторически наиболее ранний этап биологии. Классификация до середины 20 века была по внешнему виду. Затем до конца 80 годов классифицировали по виду мембран клеток. Это заставило выделить в отдельное царство грибы и пересмотреть принадлежность многих организмов. Системный подход, как познавательная модель сформировался именно в натуралистической биологии. Первым результатом этого была экология, зародившаяся в 19 веке. Любой биолог начинает свои исследования в рамках натуралистической биологии, т.е. занимается наблюдением.

ВОПРОС 16. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ

Это совокупность исследований организмов или их фрагментов с помощью методов, разработанных в физике и химии. Методы: Изотопный - введение в организм вещества, содержащего слабо-радиоактивный изотоп с небольшим периодом полураспада. Можно проследить реакцию в живых тканях, таким образом проследив обмен веществ! 2 метод - электронная микроскопия - изучение структур клеток и их компонентов и мембран. Электронный микроскоп увеличивает изображение до 100000 раз. Есть еще способ: рентгено структурный анализ: просвечивание рентгеном, делится на несколько этапов.

ВОПРОС 17. ЭВОЛЮЦИОННАЯ ХИМИЯ

Это изучение развития организмов и биосферы во времени. Эта идея помогла сформироваться синергетике. Эволюция оказалась одной из фундаментальных характеристик не только живого, но и вселенной в целом. Главное затруднение ЭБ: современная познавательная ситуация не позволяет создать фундаментальную теорию филогенеза. Открытия 1 - Молекулярная структура ДНК и РНК. 2- гипотеза симбиогенеза. 3 - новая система царств(новое царство грибы). 4 - установление возраста биосферы (3.8-4.2 млрд лет). 5- изучение матричного синтеза генов, что происходит только у живого

ВОПРОС 18. ПРОБЛЕМА «ГРАНИЦЫ ЖИЗНИ». КОНЦЕПЦИИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЖИЗНИ

Креационизм - эта самая разнообразная и обширная группа. Представление о творении жизни высшими существами. Инопланетные теории - «трансплантация жизни» разумными существами с других объектов в космосе. Физико-химическая теория - структура, давшая начало жизни, сформировалась на земле в процессе взаимовлияния разнообразных процессов. Стационарное состояние - жизнь это атрибут вселенной, она вездесуща, ее структура и форма зависит от условий.

ВОПРОС 19 .ГЕНОБИОЗ,ГОЛОБИОЗ. АРХЕКЛЕТКА

Различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:

Генобиоз -- методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.

Голобиоз -- методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделённых способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.

Археклетка была первичным живым организмом. У нее, очевидно, была двухслойная оболочка (мембрана), она обладала способностью всасывать через нее протоны, ионы и мелкие молекулы, а ее метаболизм основывался на низкомолекулярных углеродных соединений. В археклетке существовал клеточный скелет, отвечавший за ее целостность, а также обеспечивающий возможность ее деления. Жизнедеятельность клетки обеспечивалась за счет аденозинтрифосфоной кислоты. 

Пробионты - доклеточный предок организмов на Земле.

Можно предполагать, что на начальных этапах развития жизни на Земле появилось очень большой разнообразие пробионтов с совершенно разным устройством. Многие из них включали соединения, не характерные для большинства современных живых существ. 

ВОПРОС 20. ОСНОВНЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ ЗЕМЛИ 

космология жизнь геологический земля

Земля имеет в первом грубом приближении форму шара и состоит из нескольких оболочек. Эти слои могут быть определены либо их химическими или их реологическими свойствами. В центре расположено ядро Земли с радиусом около 1250 км, которое в основном состоит из железа и никеля. Далее идёт жидкая часть ядра Земли с толщиной около 2200 км. Потом 2900 км вязкой мантии, состоящей из силикатов и оксидов, а сверху довольно тонкая, твердая земная кора . Она также состоит из силикатов и оксидов, но обогащена элементами, которые не встречаются в мантийных породах. Ядро

Средняя плотность Земли 5515 кг/м3 . Поскольку средняя плотность материала поверхности составляет всего лишь около 3000 кг/м3 , мы должны заключить, что плотные материалы существуют в ядре Земли. Еще одно доказательство высокой плотности ядра происходит из изучения сейсмологии.

Сейсмические измерения показывают, что ядро делится на две части, твердое внутреннее ядро с радиусом ~ 1220 км и жидкое внешнее ядро, с радиусом ~ 3400 км.

Мантия

Мантия Земли простирается до глубины 2890 км, что делает её самым толстым слоем Земли. Давление в нижней мантии, составляет ~ 140 ГПа. Мантия состоит из силикатных пород, богатых железом и магнием по отношению к вышележащей коре. Высокие температуры в мантии делают силикатный материал достаточно пластичным , чтобы могла существовать конвекция вещества в мантии, выходящая на поверхность через разломы в тектонических плитах. Плавление и вязкость вещества зависят от давления и химических изменений в мантии. Вязкость мантии колеблется от 1021 до 1024 Pa*s , в зависимости от глубины. [3] Для сравнения, вязкость воды составляет около 10?3 Pa*s , а песка 107 Pa*s.

Кора

Кора колеблется от 5 до 70 км в глубину от поверхности. Самые тонкие части океанической коры , которые лежат в основе океанических бассейнов (5-10 км) и состоят из плотной (мафической (англ.) ) железо-магниевой силикатной породы , такой как базальт.

Размещено на www.allbest.