Концепции современного естествознания

Поскольку искривление пространства-времени тем сильнее, чем больше, вызывающие его, масса-энергия, то свойства пространства и времени должны рассматриваться в тесной связи с материей. В понимании ОТО, четырехмерное пространство-время - это атрибут материи, обусловленный взаимосвязью, расположенных в нем тел. Это обоснованно и потому, что «пустого» пространства не существует, в нем всегда присутствуют вещества, излучение и различные физические поля.

Гравитация (тяготение) и время. Рассмотрим следующее явление: пусть луч света удаляется от массивного тела (например, Земли), которое и испустило этот свет. Фотоны (частицы, обладающие массой лишь в движении), по мере удаления от Земли, теряют свою кинетическую энергию, т.к. гравитационное поле Земли как бы «тормозит» фотоны. Но, т.к. скорость движения фотонов, согласно СТО, изменяться не может, то уменьшение энергии фотона, согласно формуле Планка (), означает уменьшение частоты волны света. Сама частота колебаний обратно пропорциональна периоду колебания (), это означает, что: уменьшение частоты автоматически означает увеличение периода, что эквивалентно замедлению времени. Таким образом, если наблюдатель находится в космосе, то свет от источника, находящегося на поверхности Земли, придет к наблюдателю с меньшей частотой, чем свет от такого же источника на высокой горе. Наблюдатель сделает вывод, что на поверхности Земли время идет медленнее, чем на высокой горе. Но так как гравитационное поле у поверхности Земли сильнее, чем на вершине горы, то можно сделать вывод: сильное гравитационное поле замедляет время.

Например, атомные часы на поверхности Солнца должны идти медленнее тех же самых часов на Земле. То, что часы должны замедлять свой ход в гравитационном поле, было проверено в экспериментах, в которых два идентичных экземпляра (атомных) часов были помещены - один на земле, другой - на верхнем этаже высокого здания. Этот эффект замедления времени (достаточно малый) был обнаружен - нижние часы отстали от верхних.

Из вышеприведенного опыта можно сделать вывод - частота волны света в поле тяготения должна смещаться в сторону более низких значений. Это говорит о том, что в результате этого эффекта, линии солнечного спектра должны смещаться в сторону красного цвета, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников (Солнце намного массивнее Земли). Действительно, красное смещение в спектрах небесных тел было обнаружено в двадцатых годах прошлого столетия при исследовании излучений от Солнца и спутника Сириуса.

В ОТО установлено также, что гравитационное поле, через которое проходит свет, действует на него и искривляет его траекторию. Это объясняется тем, что фотоны (частицы света) в движении обладают массой и на них притяжение действует также, как на любую, обладающую массой, частицу. Этот факт был подтвержден экспериментально.

На основании всего вышесказанного можно привести некоторые следствия общей теории относительности:

- искривление луча света в гравитационном поле (т.е. отклонение светового луча от прямолинейной траектории)

- замедление хода времени в гравитационном поле (т.е. в поле силы тяжести время замедляет свой ход)

- массы, создающие поле тяготения, искривляют четырехмерное пространство-время вблизи этих массивных тел, и оно описывается неевклидовой геометрией

- частота света в поле тяготения должна смещаться в сторону более низких значений

- пространство-время есть атрибут материи, обусловленный взаимосвязями, расположенных в нем тел.

Эмпирическими подтверждениями ОТО явились:

- отклонение траектории луча света от звезды, находящейся в непосредственной близости от поверхности Солнца (подтвердилось при жизни Эйнштейна при наблюдении во время солнечного затмения смещения положения звезд вблизи солнечного диска в 1919 г.)

- обнаружение красного смещения в спектрах звезд в поле тяготения

- смещение перигелия Меркурия (перигелием орбиты называется точка, в которой небесное тело оказывается ближе всего к Солнцу), т.е. Меркурий движется не просто по эллипсу, а по эллипсу, который сам медленно поворачивается. Смещение перигелия Меркурия - прецессия, вычисленная Эйнштейном на основании ОТО в 1916 г, полностью совпала с, наблюдаемой в течение столетий, аномальной прецессией перигелия Меркурия

- замедление времени в гравитационном поле.

Соответствие ОТО и классической механики: их предсказания совпадают в слабых гравитационных полях.

Дополнение к ОТО - «черные дыры»

ОТО предсказывает существование во Вселенной сверхмассивных объектов - «черных дыр».

Чтобы пояснить свойства «черных дыр», введем некоторые вспомогательные понятия: вторая космическая скорость, т.е. скорость объекта, позволяющая ему покинуть сферу влияния тяготения Земли, равна 11,2 км/с; вторая космическая скорость, применительно к любым притягивающим телам, например Солнцу, называется скоростью убегания.

Так, например, для Солнца скорость убегания составляет 618 км/с, а для нейтронных звезд - примерно 200000 км/с (2/3 скорости света).

Теория относительности утверждает, что наибольшая возможная скорость физического тела, излучения и т.п. не может превышать скорость света.

Поэтому, наиболее простое определение «черной дыры» - это объект, для которого скорость убегания равна скорости света.

Более полное определение «черной дыры»: «черная дыра» - область в пространстве-времени (внутри которой находится сверхмассивный космический объект), гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (и сам свет в том числе). Граница этой области называется горизонтом событий, а ее характерный размер - гравитационным радиусом (радиусом Шварцшильда).

Образование «черных дыр». «Черные дыры» появляются в результате эволюции достаточно массивных звезд (с массами более 3.6 массы Солнца).

Эволюция звезды: пока в недрах звезды не истощился запас ядерного топлива, ее равновесие удерживается за счет термоядерных реакций (превращение водорода в гелий, затем в углерод и т.д., вплоть до железа у массивных звезд). Выделяющееся при этом тепло, компенсирует потерю энергии, уходящей от звезды с ее излучением. Термоядерные реакции поддерживают высокое давление в недрах звезды, препятствуя ее сжатию под действием собственной гравитации. Однако, со временем ядерное топливо истощается, и звезда начинает сжиматься. Если определить гравитационный коллапс как сжатие сверхмассивного тела под действием собственной гравитации, то этот процесс можно представить в следующей формулировке: если энергия термоядерного синтеза становится меньше энергии тяготения, то происходит гравитационный коллапс. Однако, если радиус звезды уменьшается до значения гравитационного радиуса, то коллапс продолжается до превращения звезды в «черную дыру».

Обнаружение «черных дыр». «Черные дыры» недоступны для непосредственного наблюдения, т.к. находятся на огромных расстояниях от Земли и имеют настолько сильное гравитационное притяжение, что покинуть их не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света. Однако, «черные дыры», находятся, как правило, в центре галактик с большой плотностью вещества, и засасывают это вещество. При этом гравитационные силы настолько велики, что заставляют падать частицы в «черную дыру» с огромным ускорением и излучать фотоны (в рентгеновском диапазоне). Именно это рентгеновское излучение и выдает присутствие «черной дыры».

Резюмируем все вышесказанное:

- если масса космического объекта находится внутри сферы с гравитационным радиусом, то такой объект называется «черной дырой»

- «черные дыры» недоступны для непосредственного наблюдения

- обнаружение «черных дыр» во Вселенной возможно потому, что окружающие ее частицы падают на нее с огромным ускорением, излучая фотоны. Этот процесс сопровождается сильным рентгеновским излучением

- излучение не может покинуть «черные дыры»

- время в «черной дыре» практически останавливается для наблюдателя со стороны. Можно сказать и следующим образом: время на поверхности сферы, ограниченной гравитационным радиусом, останавливается.

- «черная дыра» образуется, если: радиус звезды уменьшается до значения гравитационного радиуса; происходит гравитационный коллапс массивной звезды

- гравитационный коллапс определяется как сжатие сверхмассивного тела (газопылевого облака, звезды) под действием собственной гравитации

- гравитационный коллапс происходит, если энергия термоядерного синтеза звезды становится меньше энергии тяготения.

11. Микро-, макро-, мегамиры

В современном естествознании имеют дело с чрезвычайно большой совокупностью сильно различающихся по своему масштабу и по уровню сложности объектов. Взяв за ориентир пространственно-временной масштаб, привычный для человека, всю совокупность объектов можно условно представить тремя областями.

Микромир:

- это мир предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых объектов

- пространственная размерность объектов в микромире исчисляется от 10-16 см до 10-6 см

- микромир целиком стал областью интересов квантовой физики

- основные структуры микромира: элементарные частицы; атомные ядра; атомы; молекулы; биологические системы (нуклеиновые кислоты, белки, вирусы, бактерии, клетки)

Макромир:

- это мир, непосредственно окружающих человека, объектов

- пространственная размерность объектов в макромире исчисляется от 10-5 см до 104 км

- основные структуры макромира: газообразные, жидкие и твердые тела; биологические системы (организмы, биогеоценозы, биосфера) и т.д.

- изучение объектов микромира проведено в основном в рамках классического естествознания

Мегамир:

- основные структуры мегамира: планеты; планетные системы (например, Солнечная система); звезды; галактики; скопление галактик; Метагалактика; Вселенная

- изучение объектов мегамира осуществляется астрономией, астрофизикой и космологией

- пространственная размерность объектов в мегамире простирается от 104 км до 1023 км

- в мегамире существенными являются гравитационные взаимодействия больших масс, масс космического масштаба.

Единицы измерений расстояний в мегамире:

- астрономическая единица (а.е.) - расстояние от Земли до Солнца, равная примерно 150 млн. км, применяется для определения космических расстояний в пределах Солнечной системы

- межзвездные и межгалактические расстояния измеряются в единицах:

а) световой год- расстояние, которое световой луч преодолеет за один год, равный примерно 10 триллионов километров (1013 км);

б) парсек (п.к.) равен 3,26 светового года, т.е. приблизительно 3*1013 км

Звезда:

- самосветящееся небесное тело, состоящее из раскаленных газов (плазмы), по своей природе похожи на Солнце

- основным источником энергии звезд являются реакции термоядерного синтеза, при которых из легких ядер образуются более тяжелые (чаще всего это превращение водорода в гелий)

Атрибуты планет:

- небесные тела, обращающиеся вокруг звезд

- светятся отраженным светом от звезд

- достаточно массивны, чтобы под действием собственного гравитационного поля стать шарообразными

- достаточно массивна, чтобы своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел

Галактики:

- системы из миллиардов звезд (не менее 1000 млрд. звезд), связанных взаимным тяготением и общим происхождением

Галактики по форме условно разделяются на три типа:

- эллиптические галактики, обладающие формой эллипса с различной степенью сжатия

- спиральные галактики представлены в форме спирали, включая спиральные ветви

- неправильные галактики - не обладают выраженной формой

Наша галактика - Млечный путь, ее основные характеристики:

- гигантская (более 100 млрд. звезд)

- спиральная

- диаметр около 100 тысяч световых лет

Метагалактика: часть Вселенной со всеми находящимися в ней галактиками и др. объектами, которая доступна для исследования современными астрономическими методами. Она содержит несколько миллиардов галактик

Вселенная - все сущее, т.е. весь существующий материальный мир. Пространственные масштабы Вселенной: расстояние до наиболее удаленных из наблюдаемых объектов - более 10 млрд. световых лет

Космос - плохо определяемый термин. Он обозначает или Вселенную в целом или пространство за пределами Земли.

Примеры правильных последовательностей в структурной иерархии (от меньшего к большему):

а) звезда - звездная система - Метагалактика - Вселенная

б) элементарные частицы - ядра атома - атомы - молекулы

в) кварк - протон - ядро - атом

г) протон - ядро атома углерода - атом углерода - молекула сахара

д) элементарные частицы - атомы - молекулы - макротела.

12. Структуры микромира

Ранее элементарными частицами называли частицы, входящие в состав атома и неразложимые на более элементарные составляющие, а именно электроны и ядра. Позднее было установлено, что ядра состоят из более простых частиц - нуклонов (протонов и нейтронов), которые в свою очередь состоят из других частиц. Поэтому элементарными частицами стали считать мельчайшие частицы материи, исключая атомы и их ядра.

На сегодняшний день открыты сотни элементарных частиц, что требует их классификации.

Классификация элементарных частиц по временам жизни:

- стабильные: частицы, время жизни которых очень велико (в пределе стремится к бесконечности). К ним относятся электроны, протоны, нейтрино. Внутри ядер стабильны также нейтроны, но они нестабильны вне ядра

- нестабильные (квазистабильные): элементарные частицы - это такие частицы, которые распадаются за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, и время жизни которых больше 10-20 сек. К таким частицам относится свободный нейтрон (т.е. нейтрон вне ядра атома)

- резонансы (нестабильные, краткоживущие). К резонансам относятся элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия. Время жизни для них меньше 10-20 сек.

Классификация частиц по участию во взаимодействиях:

- лептоны: к их числу относятся и нейтроны. Все они не участвуют в водовороте внутриядерных взаимодействий, т.е. не подвержены сильному взаимодействию. Они участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд участвуют и в электромагнитном взаимодействии

- адроны: частицы, существующие внутри атомного ядра и участвующие в сильном взаимодействии. Самые известные из них это протон и нейтрон.

На сегодня известны шесть лептонов:

- к одному семейству с электроном относятся мюоны и тау-частицы, которые похожи на электрон, но массивнее его. Мюоны и тау-частицы нестабильны и со временем распадаются на несколько других частиц, включая электрон

- три электрически нейтральных частицы с нулевой (или близкой к нулю, на этот счет ученые пока не определились) массой, получившие название нейтрино. Каждое из трех нейтрино (электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино) парно одному из трех разновидностей частиц электронного семейства.

У самых известных адронов, протонов и нейтрино имеются сотни родственников, которые во множестве рождаются и тут же распадаются в процессе различных ядерных реакций. За исключением протона, все они нестабильны, и их можно классифицировать по составу частиц, на которые они распадаются:

- если среди конечных продуктов распада частиц имеется протон, то его называют барион

- если протона среди продуктов распада нет, то частица называется мезон.

Сумбурная картина субатомного мира, усложнявшаяся с открытием каждого нового адрона, уступила место новой картине, с появлением концепции кварков. Согласно кварковой модели, все адроны (но не лептоны) состоят из еще более элементарных частиц - кварков. Так барионы (в частности протон) состоят из трех кварков, а мезоны - из пары кварк - антикварк.

Кварки обладают дробным электрическим зарядом: 1/3 или 2/3 заряда электрона или протона. Кварки не могут пребывать в свободном, не связанном друг с другом внутри элементарных частиц, состоянии. О самом факте существования кварков можно судить только по свойствам, проявляемым адронами, в состав которых они входят. Сегодня, согласно теории, предсказывается существование шести разновидностей кварков, и в лабораториях уже открыты элементарные частицы, содержащие все шесть типов.

Всю вышеприведенную классификацию можно представить в виде схемы:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Частица и античастица. Почти каждой элементарной частице соответствует своя античастица. Античастица - элементарная частица, имеет те же значения массы и других физических характеристик частицы, которой она вроде бы соответствует, но отличающаяся от нее знаками электрического заряда, магнитного момента и др. Например, электрон несет отрицательный заряд, а парная ему частица позитрон - положительный. Существую также частицы, которые не имеют античастиц, например, фотон.

При взаимодействии частицы с парной ей античастицей, происходит их взаимная аннигиляция («уничтожение») - обе частицы прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц. Наблюдаются также процессы, противоположные аннигиляции - рождение пар частица-античастица. Например, рождение из гамма-излучения пары электрон - позитрон. Таким образом, речь идет не об уничтожении или самопроизвольном возникновении материи, а лишь о взаимопревращениях частиц. Эти взаимопревращения лимитируются законами сохранения, такими как:

- закон сохранения электрического заряда: при всех превращениях, в которых участвуют элементарные частицы, суммарный электрический заряд этих частиц остается неизменным

- закон сохранения барионного заряда: разность между числом барионов и числом их античастиц (антибарионов) не изменяется при любых процессах

- закон сохранения энергии: суммарная энергия всех частиц до взаимодействия и после остается неизменной.

При взаимопревращениях и взаимодействиях элементарных частиц должны выполняться и другие законы сохранения: импульса, момента количества движения, числа лептонов и других, на которых останавливаться не будем.

По современным представлениям, к фундаментальным частицам (или «истинно» элементарным частицам), не имеющим внутренней структуры и конечных размеров, относятся:

- кварки и лептоны

- частицы, обеспечивающие фундаментальные взаимодействия: гравитоны, фотоны, векторные бозоны, глюоны.

Фундаментальные частицы кварки и лептоны являются своего рода строительным материалом атомного ядра - кирпичиками, из которых сложена Вселенная.

Гравитоны, фотоны, векторные бозоны, глюоны - носители сил, удерживающих частицы вместе. Это своего рода «цемент», которым скреплена Вселенная.

Вещество можно представить как совокупность корпускулярных структур: кварки - нуклоны (протоны, нейтроны) - атомные ядра - атомы с их электронными оболочками.

Размеры и масса ядра в сравнении с атомом:

- масса ядра примерно равна (чуть меньше) массе атома

- размер атомного ядра в сотни тысяч раз меньше размеров всего атома (диаметр ядра лежит в пределах от 10-12 до 10-13 см).

Основной метод изучения элементарных частиц состоит в том, что ядро-мишень бомбардируется мощным пучком протонов и электронов, а ученые ведут наблюдения за осколками ядра, образующимися в результате столкновения. Этот метод реализуется на «ускорителях элементарных частиц», имеющих различные модификации, и называющихся циклотронами, синхротронами и т.п.

Приведем некоторые факты (случайно выбранные и не претендующие на полноту) из вышеизложенного:

- стабильные элементарные частицы: протон, нейтрон, фотон, электрон

- фотон - частица с нулевой массой покоя

- частицы, существование которых подтверждено экспериментально: фотоны, глюоны, мезоны

- гравитоны не найдены экспериментально

- фундаментальные частицы, образующие строительный материал вещества: лептоны, кварки

- к стабильным частицам относятся: электрон, протон

- нестабильными частицами являются резонансы

- протон имеет положительный электрический заряд, электрон - отрицательный

- протон состоит из трех кварков

- в настоящее время истинно элементарными частицами (т.е. такими, которые нельзя составить ни из каких других, известных нам ныне, частиц) являются: электрон, позитрон, все виды нейтрино, фотоны и кварки

- фотон не входит в состав атома, а рождается непосредственно при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой.

13. Химические системы

Наименьшая структурная единица элемента, сохраняющая его химические свойства - это атом

В химических превращениях атом сохраняет свою индивидуальность

Хлор-35 и Хлор-37 являются изотопами

Индивидуальность химического элемента определяется зарядом ядра атома

Свойства химического элемента определяются электронным строением его атома

Согласно современной точке зрения, систематизация элементов по периодам периодической системы связана с числом энергетических уровней, по которым распределены электроны

Согласно современной точке зрения, систематизация элементов по подгруппам периодической системы связана с одинаковым электронным строением валентных подуровней

Молекула - это структурная единица вещества молекулярного строения

Молекула - квантово-механическая система, образованная в результате электромагнитного взаимодействия электронов и ядер нескольких атомов

Одной из отличительных особенностей молекул полимера является большая величина молекулярной массы

Теоретической основой систематизации химических элементов является периодический закон Д.И.Менделеева

Физический смысл периодического закона Д.И.Менделеева был вскрыт при создании современной теории строения атома

С современной точки зрения, систематизирующим фактором периодической системы Д.И.Менделеева является заряд ядра атома

Основоположником системного подхода в химии является Дж.Дальтон

Согласно атомно-молекулярному учению, в основе которого лежит принцип дискретного строения, вещество состоит из одинаковых молекул. Молекулы вещества состоят из атомов

Атом - это квантово-механическая система, образованная в результате электромагнитного взаимодействия электронов и ядра

Систематизирующий фактор, который был взят Менделеевым при разработке им периодической системы химических элементов - это атомная масса

Изотопы - разновидности атомов одного химического элемента, имеющие одинаковый заряд, но разные массовые числа (т.е. разное число нейтронов)

Наиболее верное определение, которое соответствует понятию полимеры: это высокомолекулярные соединения природного, синтетического или искусственного происхождения, обладающие особым комплексом физико-химических и механических свойств, которые отличают их от низкомолекулярных соединений

Система, состоящая из большой совокупности молекул одного вида, представляет собой вещество

Соединение атомов в молекулы обусловлено химическим взаимодействием (электромагнитным)

Определенный химический элемент - это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательных электронов, составляющих слой электронной оболочки атома

Основная масса атома сосредоточена в его ядре

Номер химического элемента в периодической таблице Менделеева связан с числом электронов.

14. Особенности биологического уровня организации материи

Иерархическая организация живого: клетка - единица живого

Иерархическая организация природных биологических систем: биополимеры - органы - клетки - ткани - органы - организмы - популяции - виды

Иерархическая организация природных экологических систем: особь - популяция - биоценоз - биогеоценоз -экосистемы более высокого ранга (саванна, тайга, океан) - биосферы

Химический состав живого: вода, ее роль для живой природы:

- высокая полярность воды и, как следствие - химическая активность и высокая растворяющая способность

- высокая теплоемкость воды, высокие теплоты испарения и плавления - основа для поддержания температурного гомеостаза живых организмов и регулирования тепла планеты

- аномальная плотность в твердом состоянии - причина существования жизни в замерзающих водоемах

- высокое поверхностное натяжение - жизнь на поверхности гидросферы, передвижение растворов по сосудам растений

Химический состав живого: особенности органических биополимеров как высокомолекулярных соединений - высокая молекулярная масса, способность образовывать пространственные и надмолекулярные структуры, разнообразие строения и свойств

Симметрия и асимметричность живого

Хиральность молекул живого

Открытость живых систем

Обмен веществ и энергии

Самовоспроизведение

Гомеостаз как относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды живой системы

Каталитический характер химии живого

Специфические свойства ферментивного катализа: чрезвычайно высокие избирательность и скорость, главные причины которых - комплементарность фермента и реагента, высокомолекулярная природа фермента

1 Системность живого

Неотъемлемое свойство живого - системный характер, или системность. Под биологической (живой) системой понимается совокупность взаимодействующих элементов, которая образует целостный объект, имеющие новые качества, не свойственные входящим в систему качеств элементов.

Таким образом, живой, целостной системе присущи следующие качества:

а) множественность элементов,

b) наличие связей между элементами и с окружающей средой,

c) согласованная организация взаимоотношений элементов как в пространстве, так и во времени, направленное на осуществление функций системы.

2 Клетка

Клемтка -- элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию.

3 Иерархическая организация биологических систем

Биологические системы организованы согласно определенной иерархии, от простого к сложному: биополимеры - клетки - ткани - органы - организмы - популяции - виды. Эта иерархия четко просматривается как на внутриклеточном (например, ген - ДНК - ядро), так и внеклеточном уровне.

4 Иерархическая организация природных экологических систем

На уровне взаимоотношений отдельных организмов с окружающей средой и друг с другом начинаются экологические взаимодействия. Экологические системы также организованы в подчинении определенной иерархии: особь - популяция - биоценоз - биогеоценоз - экосистемы более высокого ранга (тайга, саванна, океан и т.п.) - биосфера.

Таким образом, выделяют уровни организации живой материи, каждый из которых имеет свою элементарную единицу:

а) Молекулярно-генетический. Элементарная единица - ген,

b) Клеточный. Элементарная единица - клетка,

c) Организменный (онтогенетический). Элементарная единица - отдельная особь (организм),

d) Популяционно-видовой. Элементарная единица - популяция,

e) Биоценотический. Элементарная единица - совокупность популяций,

f) Биосферный. Элементарная единица - биогеоценоз. Совокупность биогеоценозов составляют биосферу и обуславливают все процессы, протекающие в ней.

5 Элементы - органогены

Элементами органогенами или биогенными элементами называют химические элементы, составляющие основную часть органического вещества: углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор.

6 Макроэлементы

К макроэлементам относят химические элементы, содержащиеся в организме в значительных количествах и потребность в которых у живых организмов высока. К ним относят элементы - органогены, а также калий, кальций, магний, натрий и хлор.

7 Микроэлементы

Микроэлементами называются элементы, содержание которых в организме мало, но они участвуют в биохимических процессах и необходимы живым организмам. К главным микроэлементам относят бром, железо, йод, кобальт, марганец, медь, молибден, селен, фтор, хром, цинк.

8 Углерод

Атом углерода - обладает способностью образовывать полимеры - соединяться в системы с разной структурой - в цепи и кольца, с которыми могут связываться атомы других элементов. Поэтому число соединений углерода на два порядка превышает число всех других соединений всех химических элементов, вместе взятых. Именно благодаря такому разнообразию соединений углерода оказывается возможным огромное разнообразие различных ферментов, гормонов и антител, а также нуклеиновых кислот. Оксид углерода -

СО2 - представляет собой газ, который очень подвижен, благодаря чему углерод широко доступен биологическим объектам. Углерод способен связываться с другими атомами близких радиусов (с кислородом, азотом, серой), с образованием стабильных относительно непрочных связей, что приводит к формированию функциональных групп, которые обуславливают химическую активность органических соединений. Биологические полимеры состоят из целого набора органических молекул, зачастую различного состава (так например, белки состоят из различных аминокислот), имеют высокую молекулярную массу. Разные молекулы биополимеров, например белков, могут объединяться, образуя еще более сложные надмолекулярные комплексы. В связи с различием в составе и строении биополимеры проявляют самые разнообразные свойства.

9 Вода

а) Молекула воды имеет малые размеры и полярна. В связи с этим, вода - лучший из известных растворителей, благодаря чему обеспечивается широкий набор химических веществ и их растворов, необходимых биологическим объектам. В воде растворяются кислоты, щелочи и соли, в результате образуются положительно и отрицательно заряженные ионы, что значительно увеличивает реакционную способность химических соединений, обеспечивающих функционирование биологических объектов.

b) Удельная теплоемкость воды больше, чем у других жидкостей. Именно поэтому земные океаны способны поглощать и отдавать тепло в огромных количествах без существенного изменения температуры воды, а следовательно и атмосферы. Этим демпфирующим свойством - свойством тепловой инерции - обеспечивается относительное постоянство температуры окружающей среды, что чрезвычайно важно для оптимального протекания биологических процессов для существования живых организмов.

c) Вода обладает способностью к аномальному расширению при замерзании: в отличие от большинства веществ, вода в твердом состоянии (лед) имеет меньшую плотность, чем жидкая, благодаря чему вода в твердой фазе - лед - не тонет в воде. В противном случае, лед накапливался бы на дне водоемов, что уменьшило бы запасы жидкой воды, столь необходимой биологическим объектам.

d) Поверхностное натяжение воды выше, чем у других жидкостей (за исключением ртути), и поэтому она способна легко подниматься по капиллярам почвы и тканей растений, обеспечивая их жизнедеятельность. Кроме того, высокое поверхностное натяжение обеспечивает возможность обитания маленьких живых организмов на поверхностности водоемов.

e) В сравнении с другими аналогичными соединениями, вода имеет низкую температуру плавления, что позволяет биологическим реакциям протекать в жидкой фазе в широком диапазоне температур, в том числе при достаточно высоких температурах, и следовательно, с высокой скоростью.

f) У теплокровных организмов, благодаря воде, осуществляется гомеостаз - процесс поддержания постоянства внутренней среды живого организма.

10 Симметрия и асимметричность живого

В живой природе огромное большинство живых организмов обнаруживает различные виды симметрий (формы, подобия, относительного расположения). Причем организмы разного анатомического строения могут иметь один и тот же тип внешней симметрии. У животных встречаются следующие типы симметрии: центральная, осевая, радиальная, билатеральная, двулучевая, поступательная, поступательно-вращательная. Внешняя симметрия может выступить в качестве основания классификации организмов. Асимметрия живого проявляется уже на молекулярном уровне: Все белки построены на основе левых стереоизомеров аминокислот. Молекулы стереоизомеры имеют одинаковый атомный состав, одинаковые размеры, одинаковую структуру - в то же время они различимы, поскольку являются зеркально асимметричными, т.е. объект оказывается нетождественным со своим зеркальным двойником. Такое свойство молекул называют хиральностью. Хиральные молекулы обладают одинаковыми химическими свойствами, но различными оптическими свойствами. Каждое вещество может входить в состав живой материи только в том случае, если оно обладает вполне определенным типом симметрии. Молекулы аминокислот в любом живом организме могут быть только левыми, сахара - только правыми стереоизомерами. Асимметрию можно рассматривать как разграничительную линию между живой и неживой природой. Для неживой материи характерно преобладание симметрии, при переходе от неживой к живой материи уже на микроуровне преобладает асимметрия. Симметрия лежит в основе вещей и явлений, выражая нечто общее, свойственное разным объектам, тогда как асимметрия связана с индивидуальным воплощением этого общего в конкретном объекте.

11 Основные свойства живых систем

Живые системы обладают рядом общих признаков, которые их характеризуют. Ни один признак не является основным, отличие живого от неживого определяет совокупность всех признаков:

а) Единство химического состава. Хотя в состав живых систем входят те же химические элементы, что и в объекты неживой природы, соотношение различных элементов в живом и неживом неодинаково. В живых организмах ~ 98% химического состава приходится на шесть элементов: кислород (~62%), углерод (~20 %),водород (~10%), азот (~3%), кальций (~2.5%), фосфор (~1%). Кроме того, живые системы содержат совокупность сложных биополимеров, которые неживым системам не присущи.

b) Открытость живых систем. Живые системы - открытые системы. Живые системы используют внешние источники энергии в виде пищи, света и т.п. Через них проходят потоки веществ и энергии, благодаря чему в системах осуществляется обмен веществ - метаболизм.

c) Саморегуляция - свойство живых систем автоматически устанавливать и поддерживать на определенном уровне те или иные физиологические (или другие) показатели системы.

d) Самоорганизация - свойство живой системы приспособляться к изменяющимся условиям за счет изменения структуры своей системы управления.

e) Самоуправление - свойство живых систем самостоятельно вырабатывать управляющие факторы в процессе переработки информации, которой живая система обменивается с внешней средой.

f) Самовоспроизведение - свойство живых систем воспроизводить себе подобных.

g) Изменчивость - свойство живых систем приобретать новые признаки и свойства. Это явление противоположно наследственности и играет роль в процессе отбора организмов, наиболее приспособленных к конкретным условиям.

h) Способность к росту и развитию. Рост - увеличение в размерах и массе с сохранением общих черт строения; рост сопровождается развитием - возникновением новых черт и качеств.

i) Раздражимость живых систем. Раздражимость связана с передачей информации из внешней среды к живой системе и проявляется в виде реакций системы на внешние воздействия.

j) Целостность и дискретность. Живая система дискретна, так как состоит из отдельных, но взаимодействующих между собой частей, которые в свою очередь также являются живыми системами. Вместе с тем живая система целостна, поскольку входящие в нее элементы обеспечивают выполнение своих функций не самостоятельно, а во взаимосвязи с другими элементами системы.

12 Гомеостаз

Гомеостаз - способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Гомеостаз выступает в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как поддержание внутренней среды в допустимых пределах.

13 Фермент

Ферменты - белковые молекулы или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах. Реагенты в реакции, катализируемой ферментами, называются субстратами, а получающиеся вещества -- продуктами. Ферменты специфичны к субстратам: фермент взаимодействует только со своим субстратом и не способен катализировать иные реакции.

15. Динамические и статистические закономерности в природе

В естествознании известны два типа теорий - динамические и статистические. Одно из основных положений научного метода состоит в том, что мир предсказуем - т.е. для данного набора обстоятельств есть только один возможный (и предсказуемый) исход. Основной линией раздела между обоими видами теорий является их подход к описанию исходного и некоторого последующего состояния системы (хотя, безусловно, есть различия и в описании (расчете) путей от исходного состояния к последующим). Выяснение различия между подходами к описанию состояния системы и является главной задачей этого раздела.

Исторически, первыми появились динамические теории. Лучшим примером динамической теории является механика Ньютона. Если применить закон механики к любой планете Солнечной системы и запустить планету с заданного места с заданной скоростью, то можно предсказать ее местоположение, скорость и ускорение в любой момент времени в будущем. Применив эти же законы к полету камня, брошенного с заданной скоростью, можно рассчитать траекторию движения камня, и она, согласно теории, может быть только такой, какой она была вычислена.

Из однозначного характера закономерностей, в классической механике вытекает представление о жесткой детерминированности (предопределенности) множества событий в природе.

Успехи ньютоновской механики были столь впечатляющими, что французский механик П.Лаплас (XVIII век) сформулировал представление, впоследствии получившее наименование классического лапласовского детерминизма. Суть лапласовского детерминизма можно в общем сформулировать в следующем виде: дайте мне начальные условия для всех объектов во Вселенной, и я, с помощью законов механики, предскажу дальнейшее (можно и предшествующее) развитие событий.

Вышесказанное позволяет кратко представить основные посылки механистического детерминизма:

- возможна единственная траектория движения материальной точки при заданном начальном состоянии

- принятие лапласовской концепции о полной выводимости всего будущего (и прошлого) Вселенной из современного состояния с помощью законов механики.

Динамические теории - это все теории, которые, подобно ньютоновской механике, позволяют по известным взаимодействиям и начальному состоянию однозначно предвычислить будущее состояние системы.

Долгое время считалось, что никаких других законов кроме динамических не существует. Если же какие-то явления и процессы не вписывались в, предусмотренные динамическими законами, рамки, т.е. не могли быть описаны абсолютно точно с помощью определенного набора величин, то, делался вывод о недостатке наших познавательных способностей. Однако, проблема соответствия или несоответствия явлений и процессов динамическим ториям оказалась намного сложнее, чем оценка достаточности или недостаточности наших познавательных способностей.

Рассмотрим следующий наглядный пример. В XIX веке было обещано вознаграждение тому, кто первым сможет ответить, стабильна ли наша Солнечная система. Вопрос о стабильности можно переформулировать: если бы вы могли оказаться в далеком будущем, увидели бы вы все планеты точно там, где они находятся сегодня, так же расположенными и движущимися с теми же скоростями? На этот вопрос нельзя ответить однозначно, поскольку в Солнечной системе восемь планет, не считая их спутников, астероидов и комет, у которых есть свои собственные маленькие спутники с неизвестными нам орбитами. Хотя Солнечная система и приводится как показательный пример часового механизма Вселенной и принципа детерминизма, но ее будущее, на сегодняшний день, нельзя точно предсказать. Пример Солнечной системы показывает, что даже для систем, казалось бы полностью детерминистических в классическом механистическом смысле, возможность делать точные предсказания неочевидна.

Начиная с XVIII века, рядом ученых разрабатывалась программа исследований, по окончательное оформление которой в теорию получило название - молекулярно-кинетическая теория газов. В рамках этой теории устанавливалась связь макроскопических параметров в газе - температуры и давления со скоростями движения микроскопических тел (молекул или атомов). Движение молекул рассчитывалось по уравнениям ньютоновской механики, в рамках которой, молекулы представлялись как материальные точки. В первоначальной версии, т.е. в элементарной молекулярно-кинетической теории, делалось грубое предположение, что все молекулы в замкнутом сосуде имеют одинаковые скорости. Это явное противоречие с реальностью было устранено Дж. Максвеллом, который в 1866 году вывел закон распределения молекул по скоростям, и такое распределение молекул позволяло удовлетворить закон сохранения энергии при отдельных соударениях частиц. Таким образом, Максвелл охарактеризовал состояние системы молекул не полным набором значений координат и скоростей всех частиц (что, вообще, практически сделать невозможно), а вероятностью того, что эти значения лежат внутри определенных интервалов. Так в физику впервые, хотя и неявно, пришли понятия теории вероятности, приведшие к чисто статистическим закономерностям.

Дальнейшее развитие естествознания показало, что большая часть, происходящих в природе процессов, не может быть описана теориями динамического типа, а описывается теориями статистического типа.

Статистические законы - это форма причинной связи, при которой данное (начальное) состояние системы определяет все ее последующие состояния не однозначно, а с определенной вероятностью.

Статистические законы позволяют определить лишь спектр возможных значений параметров системы и вероятность того, что этот или иной параметр системы примет данное конкретное значение, а также однозначно рассчитать средние значения параметров системы.

Соответствие динамических и статистических теорий.

История развития науки показывает, как первоначально возникшие динамические теории сменяются статистическими, описывающими тот же круг явлений в макроскопических системах, в которых не рассматривают поведение отдельных элементов этой системы (например, единичной молекулы в газе) и изменения их характеристик, а оперируют величинами, характеризующими систему в целом, т.е. макропараметрами (например, давление в газе, плотность газа и т.д.). таким образом, можно сказать, что динамические теории строятся на основании усреднения законов поведения громадного числа частиц в равновесных (или слаборавновесных) условиях, и не учитывают вариации, полученных на основании этих теорий, результатов, которые бы изменялись под влиянием на систему окружающей ее среды. В реальных процессах всегда происходят неизбежные отклонения - флуктуации. Флуктуации - это случайные отклонения параметров системы (или всей системы) от средних значений параметров (или среднего, т.е. наиболее вероятного состояния системы).

Когда флуктуации значительны, в сложных системах с большим числом элементов, которые к тому же зависят от постоянно меняющихся внешних условий, статистические законы глубже и точнее описывают исследуемые процессы.

Главное отличие статистических законов от динамических - в учете случайного (флуктуаций).

В современном естествознании законы динамического типа сочетаются с законами статистического типа. Законы динамического типа используются для систем и процессов, в которых допустимо пренебречь влиянием реально существующих случайных факторов. Если же этого сделать нельзя, то применяют статистические теории, которые дают более глубокое, детальное и точное описание реальности.

Резюмируем все вышесказанное.

Состояние системы в естественных науках может задаваться:

- значениями измеряемых величин, характеризующих эту систему, на данный момент времени

- вероятностями, с которыми та или иная величина, характеризующая систему, принимает заданные значения.

Динамические научные теории:

- описывают состояние системы значениями измеряемых величин, характеризующих систему

- позволяют точно рассчитать и однозначно предсказать значения физических величин, характеризующих изучаемую систему, на данный момент времени (на любой момент времени)

- не учитывают и не позволяют описывать флуктуации - случайные отклонения системы от наивероятнейшего состояния

- не используют аппарат теории вероятности.

Статистические научные теории:

- позволяют рассчитывать и предсказывать лишь вероятность того, что величина, характеризующая систему, примет то или иное значение

- описывают состояние системы на языке вероятностей, с которыми та или иная величина, характеризующая систему, принимает заданные значения

- позволяют точно и однозначно рассчитать средние значения физических величин, характеризующих изучаемую систему

- позволяют рассчитать характерную величину флуктуаций случайных отклонений системы от ее наивероятнейшего состояния

- учитывают случайные отклонения от нормы

- описывают вероятное поведение систем, состоящих из огромного числа элементов.

Соответствие между динамическими и статистическими законами:

- динамической теории соответствует более точный статистический аналог, который полнее и глубже описывает реальность

- статистическая теория всегда описывает более широкий класс явлений, чем ее динамический аналог

- статистические законы более полно и глубоко отражают объективные связи в природе, т.к они учитывают реально существующую в мире случайность

- классическая механика Ньютона (динамическая теория) является приближением квантовой механики (статистической теории) при описании движения макрообъектов

- все фундаментальные статистические теории содержат в качестве своего приближения соответствующие динамические теории при условии, что можно пренебречь случайностью.

Динамическими теориями являются:

- механика

- электродинамика

- термодинамика

- теория относительности

Статистическими теориями являются:

- молекулярно-кинетическая теория газов

- квантовая механика, другие квантовые теории

- эволюционная теория Дарвина

Основные понятия статистических теорий:

- случайность (непредсказуемость)

- вероятность (числовая мера случайности)

- среднее значение величины

- флуктуация - случайное отклонение системы от среднего (наиболее вероятного состояния).

познание материя относительность механика

16. Концепции квантовой механики

Квантовая механика изучает законы поведения микрочастиц (атомов, элементарных частиц и т.д.)

М.Планк (изучая тепловое движение тел, 1900г.): атомы излучающего тела отдают электромагнитную энергию порциями (квантами), причем энергия одного кванта пропорциональна частоте излучения :

(Джс - постоянная Планка).

А.Эйнштейн (изучая явления фотоэффекта, 1905г): свет не только излучается, но распространяется и поглощается квантами (кванты света - фотоны, существуют только в движении).

А.Эйнштейн (1909г): свет одновременно обладает и корпускулярными (квантовыми) и волновыми (электромагнитными) свойствами. Т.е. свету присущ корпускулярно-волновой дуализм (двойственность).

Л де Бройль (1924г) сформулировал универсальный корпускулярно-волновой дуализм:

каждый микрообъект проявляет себя одновременно и как частица (имеющая импульс и энергию) и как волна (с частотой и длиной волны).

Де Бройлю удалось сформулировать соотношение, связывающее импульс квантовой частицы



с длиной волны, которая ее описывает ( или ).

Экспериментальное подтверждение наличия волновых свойств микрочастиц (К.Дэвиссон, Л.Джермер, 1927г) привело к выводу о том, что это универсальное явление природы, общее свойство материи. Следовательно, волновые свойства должны быть присущи и макроскопическим телам. Однако, волновые свойства макротел (и в частности, человеческого тела) не могут быть экспериментально обнаружены. Это объясняется тем, что длина волны (обратно пропорциональная массе объекта, согласно отношению Де Бройля) при большой массе столь мала, что ее обнаружение лежит за пределами возможности экспериментальной техники.

Мысленный эксперимент «микроскоп Гейзенберга»

В классической физике, построенной на ньютоновских принципах и применяемой к объектам макромира, принимается, что процесс измерения не влияет на измеряемые свойства объекта. Однако, так ли обстоит дело в микромире, позволяет понять следующий мысленный эксперимент: чтобы точно определить положение электрона в пространстве, необходимо направить на него электромагнитную волну, «осветить» его и посмотреть в некий сверхсильный «микроскоп». Но при этом сам микрообъект (например, электрон), являющийся объектом излучения, в результате взаимодействия, с направленным на него другим микрообъектом (квантом света - фотоном), изменит свое положение в пространстве. Таким образом, сам факт замера приводит к изменению положения измеряемого объекта, и неточность измерения обуславливается самим фактом проведения измерения, а не степенью точности используемого измерительного прибора.

Этот мысленный эксперимент, отражающий тот факт, что измерение невозможно без взаимодействия, взаимодействие - без воздействия на измеряемый объект и, как следствие, искажение результатов измерения, позволил В.Гейзенбергу (1927г) сформулировать принцип неопределенности (соотношение неопределенности):

( т.к. ) здесь - неопределенность (погрешность измерения) пространственной координаты микрочастицы, (или ) - неопределенность импульса (или скорости) частицы, - масса частицы, - постоянная Планка.

Принцип неопределенностей касается и других характеристик микрочастиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара - это энергия и время протекании квантовых процессов.

Принцип Гейзенберга играет в квантовой механике ключевую роль, хотя бы потому, что достаточно наглядно объясняет, как и почему микромир отличается от знакомого нам макромира. Принцип неопределенности говорит о том, что если бы нам удалось абсолютно точно установить местоположение квантовой частицы, о ее скорости мы бы не имели ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы бы не имели понятия, где она находится.

Однако, принцип неопределенности не утверждает, что у квантовых частиц отсутствуют определенные координаты и скорости (или что эти величины абсолютно непознаваемы) - он утверждает лишь, что мы не в состоянии достоверно узнать и то и другое одновременно.

Принцип дополнительности Бора (1927г)

Соотношение неопределенностей является конкретным выражением более общего положения - принципа дополнительности Бора.

Квантовомеханический принцип дополнительности:

результаты, полученные в разных экспериментах, не могут быть связаны в единую картину, но они необходимы для исчерпывающего описания квантового объекта.

В дальнейшем Бор придал принципу дополнительности широкий философский смысл: полное понимание свойств любого объекта исследования требует дополняющих взглядов на него с разных, несовместимых между собой, точек зрения.

Статистический характер квантового описания природы.

Из-за принципа неопределенностей, описание объектов квантового микромира носит иной характер, нежели привычное описание объектов ньютоновского макромира. Вместо пространственных координат и скорости, которыми привыкли описывать механическое движение, в квантовой механике объекты описываются, так называемой, волновой функцией. Гребень «волны» соответствует максимальной вероятности нахождения частицы в пространстве в момент измерения. Движение такой волны описывается уравнением Шрёдингера, которое и говорит нам, как изменяется со временем состояние квантовой системы.

...