Концепция современного естествознания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Забайкальский государственный университет"

ФГБОУ ВПО "ЗабГУ"

Факультет дополнительного профессионального образования

Контрольная работа

По дисциплине: "Концепция современного естествознания"

Чита 2013

Содержание

1. Научный метод познания. Уровни научного познания: эмпирический, теоретический

2. Понятие симметрии в естествознании: инвариантность относительно тех или иных преобразований

3. Критерии деления на микромир, макромир и мегамир

4. Механический детерминизм

5. Космология - наука о Вселенной в целом, ее строении и эволюции

6. Понятия об экосистеме и биогеоценозе

Список использованных источников

1. Научный метод познания. Уровни научного познания: эмпирический, теоретический

Основные методы научного познания

Понятие метод означает совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности. Это система принципов, приемов, правил, требований, которыми необходимо руководствоваться в процессе познания. Владение методами означает для человека знание того, каким образом, в какой последовательности совершать те или иные действия для решения тех или иных задач, и умение применять это знание на практики. эмпирический естествознание экосистема

Методы научного познания принято подразделять по степени их общности, т. е. по широте применимости в процессе научного исследования.

1. Всеобщие (или универсальные) методы, т.е. общефилософские. Эти методы характеризуют человеческое мышление в целом и применимы во всех сферах познавательной деятельности человека.

Всеобщих методов в истории познания - два: диалектический и метафизический.

Диалектический метод - это метод, исследующий развивающуюся, изменяющуюся реальную действительность. Он признает конкретность истины и предполагает точный учет всех условий, в которых находится объект познания.

Метафизический метод - метод, противоположный диалектическому, рассматривающий мир таким, каков он есть в данный момент, т.е. без развития.

2. Общенаучные методы характеризуют ход познания во всех науках, т. е. имеют весьма широкий, междисциплинарный спектр применения.

Различают два вида научного познания: эмпирический и теоретический.

Эмпирический уровень научного познания характеризуется исследованием реально существующих, чувственно воспринимаемых объектов. Только на этом уровне исследования мы имеем дело с непосредственным взаимодействием человека с изучаемыми природными или социальными объектами. На этом уровне осуществляется процесс накопления информации об исследуемых объектах, явлениях путем проведения наблюдений, выполнения разнообразных измерений, поставки экспериментов. Здесь производится также первичная систематизация получаемых фактических данных в виде таблиц, схем, графиков.

Теоретический уровень научного познания характеризуется преобладанием рационального момента - понятий, теорий, законов и других форм и "мыслительных операций". Объект на данном уровне научного познания может изучаться только опосредованно, в мысленном эксперименте, но не в реальном. Однако живое созерцание здесь не устраняется, а становится подчиненным аспектом познавательного процесса. На данном уровне происходит раскрытие наиболее глубоких существенных сторон, связей, закономерностей, присущих изучаемым объектам, явлениям путем обработки данных эмпирического сознания.

Эмпирический и теоретический уровни познания взаимосвязаны между собой. Эмпирический уровень выступает в качестве основы, фундамента теоретического. Гипотезы и теории формируются в процессе теоретического осмысления научных фактов, статистических данных, получаемых на эмпирическом уровне. К тому же теоретическое мышление неизбежно опирается на чувственно-наглядные образы (в том числе схемы, графики) с которыми имеет дело эмпирический уровень исследования.

3. Частно-научные методы, т.е. методы, применимы только в рамках отдельных наук или исследования какого-то конкретного явления. В частно-научных методах могут присутствовать наблюдения, измерения, индуктивные или дедуктивные умозаключения и т. д. Таким образом, частно-научные методы не оторваны от общенаучных. Они тесно связаны с ними, включают в себя специфическое применение общенаучных познавательных приемов для изучения конкретной области объективного мира. Вместе с тем частно-научные методы связаны и со всеобщим, диалектическим методом.

Познание начинается с наблюдения. Наблюдение - это целенаправленное изучение предметов, опирающееся в основном на такие чувственные способности человека, как ощущение, восприятие, представление. Это - исходный метод эмпирического познания, позволяющий получить некоторую первичную информацию об объектах окружающей действительности.

Научное наблюдение характеризуется рядом особенностей:

-- целенаправленностью (наблюдение должно вестись для решения поставленной задачи исследования, а внимание наблюдателя фиксироваться только на явлениях, связанных с этой задачей);

-- планомерностью (наблюдение должно проводиться строго по плану, составленному исходя из задачи исследования);

-- активностью (исследователь должен активно искать, выделять нужные ему моменты в наблюдаемом явлении, привлекая для этого свои знания и опыт, используя различные технические средства наблюдения).

Научные наблюдения всегда сопровождаются описанием объекта познания. С помощью описания чувственная информация переводится на язык понятий, знаков, схем, рисунков, графиков и цифр, принимая тем самым форму, удобную для дальнейшей, рациональной обработки. Важно, чтобы понятия, используемые для описания, всегда имели четкий и однозначный смысл. По способу проведения наблюдения могут быть непосредственными (свойства, стороны объекта отражаются, воспринимаются органами чувств человека), и опосредованными (проводится с использованием тех или иных технических средств).

Эксперимент

Эксперимент - активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект для выявления и изучения тех или иных сторон, свойств, связей. При этом экспериментатор может преобразовывать исследуемый объект, создавать искусственные условия его изучения, вмешиваться в естественное течение процессов. Научный эксперимент предполагает наличие четко сформулированной цели исследования. Эксперимент базируется на каких-то исходных теоретических положениях, требует определенного уровня развития технических средств познания, необходимого для его реализации. И, наконец, он должен проводиться людьми, имеющими достаточно высокую квалификацию.

Существует несколько видов экспериментов:

1) лабораторные, 2) естественные, 3) исследовательские (дают возможность обнаружить у объекта новые, неизвестные свойства), 4) проверочные (служат для проверки, подтверждения тех или иных теоретических построений),

5) изолирующие, 6) качественные (позволяют лишь выявить действие тех или иных факторов на изучаемое явление), 7) количественные (устанавливают точные количественные зависимости) и т.д.

Измерение и сравнение

Научные эксперименты и наблюдения, как правило, включает в себя проведение разнообразных измерений. Измерение - это процесс, заключающийся в определении количественных значений тех или иных свойств, сторон изучаемого объекта, явления с помощью специальных технических устройств.

В основе операции измерения лежит сравнение. Чтобы провести сравнение нужно определить единицы измерения величины. Измерения подразделяют на статические и динамические. К статическим измерениям относят измерение размеров тел, постоянного давления и т. п. Примерами динамических измерения является измерение вибрации, пульсирующих давлений и т. п.

Методы теоретического познания

Абстрагирование заключается в мысленном отвлечении от каких-то менее существенных свойств, сторон, признаков изучаемого объекта с одновременным выделением, формированием одной или нескольких существенных сторон, свойств, признаков этого объекта. Результат, получаемый в процессе абстрагирования, именуют абстракцией. Переходя от чувственно-конкретного к абстрактному, теоретическому, исследователь получает возможность глубже понять изучаемый объект, раскрыть его сущность.

Идеализация. Мысленный эксперимент

Идеализация представляет собой мысленное внесение определенных изменений в изучаемый объект в соответствии с целями исследований. В результате таких изменений могут быть, например, исключены из рассмотрения какие-то свойства, стороны, признаки объектов. Так, широко распространенная в механике идеализация - материальная точка подразумевает тело, лишенное всяких размеров. Такой абстрактный объект, размерами которого пренебрегают, удобен при описании движения, самых разнообразных материальных объектов от атомов и молекул и до планет Солнечной системы. При идеализации объект может наделяться какими-то особыми свойствами, в реальной действительности неосуществимыми. Идеализацию целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимо исключить некоторые свойства объекта, которые затемняют сущность протекающих в нем процессов. Сложный объект представляется в "очищенном" виде, что облегчает его изучение.

Мысленный эксперимент предполагает оперирование идеализированным объектом, которое заключается в мысленном подборе тех или иных положений, ситуаций, позволяющих обнаружить какие-то важные особенности исследуемого объекта. Всякий реальный эксперимент, прежде чем быть осуществленным на практике, сначала проделывается исследователем мысленно в процессе обдумывания, планирования.

2. Понятие симметрии в естествознании: инвариантность относительно тех или иных преобразований

Понятие симметрии проходит через всю многовековую историю человеческого творчества. Оно встречается уже у истоков человеческого знания; его широко используют все, без исключения, направления современной науки. Принципы симметрии играют важную роль в биологии и химии, физике и математике, живописи и скульптуре, поэзии и музыке. Законы природы, в свою очередь, подчиняются принципам симметрии.

Главенствующую роль в теории играет плоскость симметрии. Комбинируя зеркальные отражения, можно вывести все возможные симметричные операции. Исходя из этих комбинаций, можно полностью вывести все элементы классической симметрии - простые, сложные и винтовые оси, плоскости простого и скользящего отражения, трансляции. Совокупности таких элементов образуют виды симметрии (например, 32 класса для кристаллических многогранников, 230 пространственных групп для кристаллических структур). Как видно, именно плоскость симметрии лежит в основании всего здания симметричной теории.

Существует множество теорий относительно принципа симметрии. Так, например, известный математик начала ХХ века Джордж Дэвид Беркофф из Гарвардского университета вывел математическую формулу для измерения красоты и притягательности произведений искусства. В формуле присутствуют два абстрактных понятия - сложность и упорядоченность (или симметрия). Согласно теории Беркоффа, сложный объект более привлекателен с эстетической точки зрения, если он менее симметричен, и наоборот, симметричный объект должен быть простым по строению. Но метод измерения степени сложности и симметричности объекта, предложенный Беркоффом, показался ученым слишком субъективными, и формула вскоре была забыта.

Однако идея Беркоффа о том, что симметрия является определяющим фактором эстетической притягательности объекта искусства, нашла свое подтверждение в науке. Последние исследования в области биологии доказали, что человека и других животных привлекают особи противоположного пола с наиболее симметричным строением тела. Следовательно, можно предположить, что стремление к симметрии заложено в человеке природой.

Итак, в современном понимании симметрия - это общенаучная философская категория, характеризующая структуру организации систем. Важнейшим свойством симметрии является сохранение (инвариантность) тех или иных признаков (геометрических, физических, биологических и т. д.) по отношению к вполне определенным преобразованиям. Математическим аппаратом изучения симметрии сегодня является теория групп и теория инвариантов.

3. Критерии деления на микромир, макромир и мегамир

Материя - это бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. В основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образование, включающее в себя составные части, организованные в целостность.

Современная наука выделяет в мире три структурных уровня.

Микромир - это молекулы, атомы, элементарные частицы - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная равномерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10-24 с.

Макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которы? соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир - это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро - и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

На микроскопическом уровне физика сегодня занимается изучением процессов, разыгрывающихся на длинах порядка 10 в минус восемнадцатой степени см., за время - порядка 10 в минус двадцать второй степени с. В мегамире ученые с помощью приборов фиксируют объекты, удаленные от нас на расстоянии около 9-12 млрд. световых лет.

4. Механический детерминизм

Детерминисты считают, что все происходящее в мире рассматривается как следствие действия объективных однозначных законов, а случайность является выражением непознанной необходимости

Причинное объяснение многих физических явлений, т.е. реальное воплощение зародившегося ещё в древности принципа причинности в естествознании, привело в конце XVIII - начале XIX вв. к неизбежной абсолютизации классической механики. Возникло философское учение механический детерминизм, классическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749-1827) - французский математик, физик и философ. Лапласовский детерминизм выражает идею абсолютного детерминизма - уверенность в том, что всё происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть непознанная разумом необходимость.

Принципы детерминизма были четко сформулированы П. Лапласом в 1775 году в его работе "Опыты философии теории вероятности". Он писал: "ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить все данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движениями легчайших атомов; не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее предстало бы перед его взором"

Концепция детерминизма по Лапласу, предполагает однозначность и предопределенность будущего, это вытекает из признания жесткой причинно-следственной связи между событиями и явлениями и отрицает объективность случайности. В мире все объективно предопределено и детерминировано. Не может быть никаких "либо, либо". Будущее также однозначно, как и прошлое. Все, что происходило, происходит и будет происходить в мире, можно сравнить с демонстрацией бесконечного фильма, в котором протекают разные события, его герои живут и умирают, действуют и ошибаются, сталкиваются с кажущимися случайностями и неожиданностями, но все это уже снято на пленку и ничего изменить нельзя. Все запрограммировано объективной детерминистической связью и подчинено жесткому сценарию, созданному самым прозорливым сценаристом - природой. Этот процесс находит отражение в непрерывно действующих причинно-следственных связях.

Лапласовский детерминизм основывается на представлении, согласно которому весь окружающий нас мир - это огромная механическая система, начальное состояние которой является точно заданным и в которой не делается никакого различия между движениями "величайших тел Вселенной и легчайших атомов".

Разумеется, Лаплас отдавал себе отчет в том, что такая ситуация в реальном мире невозможна и поэтому она представляет собой идеализацию, но в то же время нельзя не признать, что в её основе лежит именно механистический взгляд на мир, согласно которому Вселенная уподобляется гигантскому механизму, все будущие состояния которого строго детерминированы или предопределены его начальным состоянием.

Механический детерминизм объединяет в единое целое такие понятия, как "материя", "информация", "пространство" и "время". Все эти понятия должны рассматриваться как разные проявления единого нечто, которое условно может быть названо абсолютом.

1. Ввиду однозначности динамических законов природы, будущее также однозначно как и прошлое. Не существует никаких случайных событий, случайность - это непознанная необходимость.

2. Время - это средство реализации причинно-следственных связей, а так как причина всегда предшествует следствию, то течение времени всегда однозначно и однонаправлено.

3. Перемещение во времени возможно только от причины к следствию. Поэтому перемещение в прошлое из будущего возможно только в том случае, если это перемещение исключает возможность какого-либо активного вмешательства в течение прошлого.

4. Вместе с тем возможно пассивное перемещение, как в прошлое, так и в будущее, при условии только наблюдения за происходящим и невозможности активного воздействия на него. Возможно только пассивное созерцание картин происходившего и будущего.

5. Течение времени может происходить в разных координатных системах, не совпадающих друг с другом, однако переход из одной - в другую, не может привести к нарушению причинно-временных связей и однозначности будущего.

Логическим следствием и продолжением работ Лапласа явились исследования его ученика и последователя А.Кетле. Базируясь на детерминистических концепциях, он предположил, что поскольку объективно случайных событий нет, то события и явления, которые относятся к категории случайных ввиду нашего незнания, должны, в конечном счете, отражать определенные закономерности детермистических связей. В соответствии с этим Кетли проводит тщательный статистический анализ преступности во Франции, Бельгии и Великобритании.

Наши способности предсказывать события ограничены по разным причинам, но, как указывал еще Лаплас, бесконечно способное существо было бы в состоянии это делать. Главное тут, конечно, в том, что сам мир, который и описывает механика, таков, что в принципе позволяет это сделать, а сам мир это и делает, так как для него нет измерительно-вычислительных трудностей: как выразился Эйнштейн, природа интегрирует ("рассчитывает" свое будущее состояние) эмпирически. Сам мир детерминистичен, и классическая механика это свойство, как представлялось, верно отражала. Такой же детерминистичной была и классическая теория электромагнетизма.

Лаплас рассматривал "систему мира в едином целом, где все взаимосвязано и определяется действием "великих законов природы", а случай - это лишь "проявление неведения"". Понятие необходимости он относит к объективной реальности, считая неотъемлемым свойством материи, вне зависимости от восприятия этой объективной реальности. Развивая эту мысль Лаплас писал:

"Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, и относительное положение всех ее составляющих частей, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить эти данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движением легчайших атомов: не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, как и прошедшее предстало бы перед его взором. Ум человека... дает нам представление о слабом наброске этого разума"

В соответствии с детерминистической концепцией в мире все объективно предопределено и детерминировано. Не может быть никаких "либо, либо". Будущее также однозначно, как и прошлое. Все, что происходило, происходит и будет происходить во Вселенной, можно сравнить с демонстрацией бесконечного фильма, в котором происходят разные события, его герои живут и умирают, действуют и ошибаются, сталкиваются с кажущимися случайностями и неожиданностями, но все это предопределено, как бы снято на пленку и ничего уже изменить невозможно. Все запрограммировано объективной детерминистической связью и подчинено жесткому сценарию, созданному самым прозорливым сценаристом - природой. Этот процесс находит отражение в непрерывно действующих причинно-следственных связях.

В соответствии с детерминистической концепцией человек подчиняется логической необходимости, не осознавая этого, он действует самостоятельно, но иначе поступить не может. Даже в основе, в нашем представлении, самых абсурдных, алогичных поступках скрыта определенная логика, непонятная нам. В этой связи иногда приходится слышать утверждения, что если будущее однозначно, то детерминистические взгляды по своему характеру аналогичны с проповедью фатализма.

Главный недостаток лапласовсокого, как и любого другого механистического детерминизма, состоит, прежде всего, в том, что он представляет мир, Вселенную как систему, полностью детерминированную исключительно законами механики. В таком мире не было бы ничего неопределенного и случайного. В связи с этим сама случайность по существу исключается из природы и общества.

Такой взгляд на случайность был продиктован механицизмом старого метафизического материализма, получившего наиболее яркое выражение во французском материализме XVIII в. подобных же воззрений на случайность придерживались многие ученые той эпохи. Лаплас, например, считал случайным то, причину чего мы не знаем или не можем точно выявить её следствия. С этих позиций он рассматривает и вероятность, когда указывает, что она "обусловливается отчасти этим незнанием, а отчасти нашим знанием".

Сторонники механического детерминизма абсолютизируют категорию необходимости, признавая подлинными лишь универсальные законы, и исключают случайности из мира. Если последовательно придерживаться такой точки зрения, то неизбежно придется признать и предопределенность всех событий в мире и связанный с ним фаталистический взгляд на мир.

Ошибочность таких взглядов - в непонимании диалектической взаимосвязи между случайным и необходимым, когда они рассматриваются обособленно друг от друга и противопоставляются друг другу. В действительности же необходимость возникает как результат взаимодействия многих случайностей, о чем свидетельствуют статистические законы. В свою очередь случайности выступают в форме проявления и дополнения необходимости, поскольку универсальные или строго детерминистские законы в чистом виде не существуют. При их установлении мы отвлекаемся от некоторых второстепенных факторов, которые рассматриваются при этом как случайные, ибо не оказывают существенного влияния на ход процессов.

5. Космология - наука о Вселенной в целом, ее строении и эволюции

Космология - область астрофизики, занимающаяся изучением Вселенной в целом: её рождением, эволюцией и будущей судьбой. Основу этой дисциплины составляют математика, физика и астрономия. В своих задачах она часто смыкается с философией и теологией. Космология стремится представить картину мира, объясняющую, почему Вселенная имеет именно те свойства, которые она имеет.

Современная космология стремится обеспечить получение данных о Вселенной в целом путём изучения вещества на больших расстояниях, скоростей галактик в зависимости от их расстояний от нас и космического фонового излучения. Основных проблем космологии две: с одной стороны, объект её исследования, Вселенная, уникален, поэтому её нельзя изучать с помощью статистических методов; с другой, как в целом и во всей астрофизике, длительные периоды эволюции рассматриваемых явлений не позволяют вести прямых наблюдений.

С глубокой древности и до начала нынешнего столетия космос считали неизменным. Звездный мир олицетворял собой абсолютный покой, вечность и беспредельную протяженность. Открытие в 1929 году взрывообразного разбегания галактик, то есть быстрого расширения видимой части Вселенной, показало, что Вселенная нестационарна. Экстраполируя процесс расширения в прошлое, сделали вывод, что 15-20 миллиардов лет назад Вселенная была заключена в бесконечно малый объем пространства при бесконечно большой плотности и температуре вещества-излучения (это исходное состояние называют "сингулярностью"), а вся нынешняя Вселенная конечна - обладает ограниченным объемом и временем существования. Отсчет времени жизни такой эволюционирующей Вселенной ведут от момента, при котором, как полагают, внезапно нарушилось состояние сингулярности и произошел "Большой Взрыв". По мнению большинства исследователей, современная теория "Большого Взрыва" (ТБВ) в целом довольно успешно описывает эволюцию Вселенной, начиная примерно с 10-44 секунды после начала расширения. Единственной брешью в прекрасном сооружении ТБВ они считают проблему Начала - физического описания сингулярности. Однако и тут преобладает оптимизм: ожидают, что с созданием "Теории Всего Сущего", объединяющей все фундаментальные физические силы в единое универсальное взаимодействие, эта проблема будет автоматически решена. Тем самым построение модели мироздания в наиболее общих и существенных чертах благополучно завершится.

Когда Вселенная пребывала в исходном точечном состоянии, рядом, вне ее не существовало материи, не было пространства, не могло быть времени. Поэтому невозможно сказать, сколько продолжалось это - мгновение или бессчетные миллиарды лет. Невозможно сказать не только потому, что нам это неизвестно, а потому что не было ни лет, ни мгновений - времени не было. Его не существовало вне точки, в которую была сжата вся масса Вселенной, потому что вне ее не было ни материи, ни пространства. Времени не было, однако, и в самой точке, где оно должно было практически остановиться.

Однородность и изотропность вселенной в больших масштабах.

В основе современной космологии лежит, так называемый, космологический принцип - постулат, согласно которому, Вселенная одинакова для всех наблюдателей, независимо от их положения; если не принимать во внимание локальных неоднородностей, это означает, что Вселенная однородна (имеет повсюду одно и то же распределение вещества) и изотропна (одинакова во всех направлениях).

В основе современной космологии лежат представления об однородности и изотропности Вселенной: во Вселенной нет каких-либо выделенных точек и направлений, т.е. все точки и направления равноправны. Это утверждение об однородности и изотропности Вселенной часто называют космологическим постулатом. В теории однородной изотропной Вселенной оказываются возможными две модели Вселенной: открытая и замкнутая. В открытой модели кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю, Вселенная бесконечна; в такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают. В замкнутой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но так же безгранична, как и в открытой модели); в такой модели расширение со временем сменяется сжатием. На основании имеющихся наблюдательных данных нельзя сделать никакого выбора между открытой и замкнутой моделями. Эта неопределенность никак не сказывается на общем характере прошлого и современного расширения, но влияет на возраст Вселенной (длительность расширения) - величину не достаточно определенную по данным наблюдений. В моделях однородной изотропной Вселенной выделяется ее особое начальное состояние - сингулярность. Это состояние характеризуется огромной плотностью массы и кривизной пространства. С сингулярности начинается взрывное, замедляющееся со временем расширение.

Химический состав Вселенной - данные спектрального анализа

Основной химический состав Вселенной был сформирован в момент Большого взрыва, когда температуры достигали миллиардов градусов. В этот ранний период Вселенная была горячей и заполненной квантами высоких энергий.

До 2-й половины 20 в. исследования хим. процессов в космическом пространстве и состава космических тел осуществлялись в основном путем спектрального анализа Солнца, звезд, отчасти внеш. слоев атмосферы планет. единств. прямым методом изучения космических тел был анализ химического и фазового состава метеоритов.

Условия хим. процессов во Вселенной крайне разнообразны и специфичны: от сотен миллионов градусов и миллионов атмосфер в недрах звезд до космического вакуума и единиц градусов Кельвина в межзвездном пространстве, мощные магнитные гравитации и др. физические поля, мощные потоки плазменного вещества и высокоэнергетических галактического и солнечного излучений и др. Он характеризуется резким преобладанием легких элементов (во Вселенной преобладают Н и Не), изотопов с массовыми числами, кратными 4, повышенной распространенностью четных (по числу протонов и нейтронов) изотопов относительно соседних нечетных соседей. На разных этапах эволюции звезды имеют неодинаковый состав. Хим. элементы в метеоритах в целом имеют изотопный состав, аналогичный элементам, слагающим в-во Земли и Луны. Это указывает на то, что главная масса вещества Солнечной системы прошла единую ядерную историю и представляет собой достаточно однородную смесь.

Модели бесконечной в пространстве стационарной Вселенной

Работы Фридмана по общей теории относительности дали динамическую модель Вселенной и впервые позволили объяснить строение и развитие мира как целого.

Модель Фридмана: Модель Вселенной, которая может коллапсировать внутрь себя. В 1922 г. советский математик А.А. Фридман (Alexander Friedmann, 1888-1925), анализируя уравнения общей теории относительности Эйнштейна, пришёл к выводу, что Вселенная не может находиться в стационарном состоянии - она должна либо расширяться, либо пульсировать. Сначала эта работа (1922 и 1924 гг.) была полностью проигнорирована, но позже на неё обратили внимание в связи с моделью Вселенной Леметра. Вселенная Фридмана может быть замкнутой, если плотность вещества в ней достаточно велика, чтобы остановить расширение. Этот факт привёл к поиску так называемой недостающей массы. В дальнейшем выводы Фридмана получили подтверждение в астрономических наблюдениях, обнаруживших в спектрах галактик так называемое красное смещение спектральных линий, что соответствует взаимному удалению этих звездных систем.

Различные сценарии развития вселенной: открытая, пульсирующая и закрытая модели эволюции

Десяток лет назад в космологии доминировали две модели эволюции космоса, основанные на общей теории относительности (ОТО). В открытой модели Вселенная расширяется вечно, но скорость ее расширения монотонно сокращается и стремится к положительному пределу.

В закрытой модели расширение сменяется сжатием. Все зависит от того, будет ли в начале процесса расширения средняя плотность энергии космической материи больше или меньше некого критического значения. Астрономические данные привели ученых к выводу, что в сумме средняя энергетическая плотность всех известных видов вещества и излучения и гипотетической темной материи составляет всего 30% от критического показателя.

В настоящее время обсуждается и другая гипотеза - гипотеза пульсирующей Вселенной:

Теория пульсирующей Вселенной утверждает, что наш мир произошел в результате гигантского взрыва. Но расширение вселенной не будет продолжаться вечно, т.к. его остановит гравитация. По этой теории наша Вселенная расширяется в течении 18 млрд. лет со времени взрыва. В будущем расширение полностью замедлится и произойдет остановка, а затем она начнёт сжиматься до тех пор пока вещество опять не сожмется и произойдет новый взрыв

Эффекты общей теории относительности

Согласно теории Эйнштейна, искривление пространства вызвано гравитационными полями тяжелых тел. Рядом с любым тяжелым объектом пространство искривляется, и степень этого искривления, то есть несоответствия данного участка пространства законам евклидовой геометрии, зависит от величины массы этого объекта.

Уравнения, описывающие соотношения между искривлением пространства и распределением материи в этом пространстве, называются уравнениями поля Эйнштейна. При их помощи можно не только определить степень искривленности пространства вблизи от звезд и планет, но и выяснить, существует ли всеобщее, крупномасштабное искривление пространства. Одним словом, уравнение Эйнштейна позволяет определить структуру Вселенной как целого.

Поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, искривление, вызванное гравитацией, имеет место не только в трехмерном пространстве, но и в четырехмерном пространстве-времени, поскольку именно об этом говорит нам общая теория относительности. В искривленном пространстве-времени искажения затрагивают не только пространственные соотношения, описываемые геометрией, но и продолжительность промежутков времени. Время здесь течет с другой скоростью, отличающейся от течения времени в "плоском пространстве-времени", и скорость изменяется вместе со степенью искривления пространства в зависимости от наличия вблизи тяжелых тел. Однако важно не выпускать из виду то обстоятельство, что изменения в скорости течения времени может заметить только такой наблюдатель, который удален от часов, фиксирующих эти изменения. Если же наблюдатель отправится в некоторое место, где время течет медленнее, все его часы тоже замедлили бы ход, и он потерял бы всякую надежду измерить эффект.

6. Понятия об экосистеме и биогеоценозе

Совокупность всех популяций разных видов, проживающих на общей территории вместе с окружающей их неживой средой, называют экологической системой.

В нашей стране академиком В.Н. Сукачевым для обозначения подобных сообществ принят термин биогеоценоз (1942 г.), составной частью которого является совокупность живых компонентов или биоценоз. Основатель биогеоценологии В.Н. Сукачев рассматривал биогеоценоз как биокосную систему, состоящую из совокупности абиотических условий среды и организмов, образующих биоценоз.

Биогеоценоз (от греческого bios, ge - Земля и koinos - общий) - это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира, мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющая особую специфику взаимодействия этих компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы, представляющая собой внутреннее противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении и развитии.

Термины экологическая система и биогеоценоз не являются синонимами. Необходимо отметить, что понятие о биогеоценозе получило распространение в основном в отечественной литературе. В зарубежной литературе, в особенности в англоязычных странах, в аналогичном значении используют термин экосистема. Понятие экологической системы ввел в экологию английский ботаник А. Тенсли (1935 г.). В целом четкой формулировки понятия экосистема нет, но если мы пытаемся разграничить понятие биогеоценоза и экосистемы, то можно под термином "экологическая система" понимать любую совокупность организмов и окружающей их среды. Отметим, что экосистема понимается при таком подходе как безразмерное образование. В качестве экосистемы можно рассматривать и горшок с цветком, и террариум, космический корабль, фитотрон. У всех приведенных совокупностей организмов отсутствует ряд признаков, приведенных в определении В.Н. Сукачева, в первую очередь элемент "гео" - Земля, а биогеоценоз должен быть всегда связан с определенной частью земной поверхности. Биогеоценозы - это природные образования. В тоже время биогеоценоз может рассматриваться как экологическая система. Таким образом, понятие экосистема шире понятия биогеоценоз. Экосистемой может быть не только биогеоценоз, но и зависимые от биогеоценозов биокосные системы, в которых организмы представлены лишь гетеротрофами, а также такие, созданные человеком биокосные системы, как зернохранилище, аквариум и т.п. Любой биогеоценоз является экосистемой, но обратное утверждение будет некорректным. Кроме того, совокупность организмов в экологических системах, не попадающих под определение биогеоценоза, не является популяцией. Более точное определение экосистемы - экосистема - это совокупность живых организмов и окружающей их среды, тогда биогеоценоз - это экосистема в границах фитоценоза.

Экологические системы можно классифицировать по признаку их размера: микроэкосистемы (например, ствол упавшего дерева, поляна в лесу), мезоэкосистемы (лесной массив, степной колок), макросистемы (тайга, море). Тогда биосфера Земли будет экосистемой высшего (глобального) уровня. Т.е. совокупность биогеоценозов образует биогеоценотический покров Земли, всю ее биосферу. Очевидно, что глобальная экосистема одна - биосфера. Отдельные биогеоценозы представляют собой ее элементарные единицы, в пределах которых циклы биогенов замыкаются с высокой точностью.

Структура экологической системы

Биогеоценоз включает две компоненты - биотическую (сообщество живых растительных и животных организмов - биоценоз) и абиотическую (совокупность неживых факторов среды - экотоп). Совокупность биотопа и биоценоза составляет биогеоценоз.

Биоценоз - это совокупность представителей растительного (фитоценоз), животного (зооценоз) и мира микроорганизмов (микробоценоз). Биоценоз включает продуцентов - автотрофных организмов, производящих органическое вещество главным образом путем фотосинтеза. Продуценты в основном состоят из зеленых растений, включая фитопланктон, использующих энергию Солнца. Кроме продуцентов биоценоз включает еще и консументов - потребляющих органическое вещество организмов, которые в свою очередь делятся на консументы первого порядка (растительноядные животные), второго порядка - хищники и т.д. Цепочку консументов замыкают редуценты (организмы, главным образом бактерии и грибы, потребляющие остатки органического вещества и превращающие его в неорганическое).

Экотоп включает две составляющие: климат во всех его проявлениях и геологическую среду - почво-грунты (эдафотоп - от греч. эдафос - почва). Все компоненты экотопа и биоценоза тесно взаимосвязаны, проявляют сложное и многостороннее взаимодействие.

Примерами биогеоценозов могут быть пруд, луг, лес. На уровне биогеоценоза происходят все процессы трансформации энергии и вещества в биосфере.

Экологические системы, как наземные, так и водные не являются совершенно однородными структурами, как в пространстве, так и во времени.

Наземные экосистемы являются многоярусными, для них характерно вертикальное расслоение на разновысокие структурные части.

Например, в лесу соответственно расположению корней, стволов и крон деревьев можно выделить несколько ярусов: деревья первой величины, деревья второй величины подрост (молодняк), подлесок из кустарников, живой напочвенный покров (травянистые растения, кустарники, мхи). Аналогично можно расчленить и луговые сообщества. Животные, обитающие в лесу, также занимают различные ярусы, в который реализованы их экологические ниши.

В пределах каждого яруса выделяются более или менее обособленные группировки растений разных видов и связанных с ними животных. Такие группировки называют биогеоценотическими синузияит (от греч. синузия - совместное пребывание).

Синузия биогеоценотическая - это структурная часть биогеоценоза, которая характеризуется специфическим составом и свойствами составляющих ее компонентов, тесными внутренними взаимовлияниями, общностью взаимодействия и обмена веществом и энергией при сохранении целостности биогеоценоза.

Примерами могут служить группировки растений травянистого яруса, кустарников, а в водной среде - синузия планктона и придонных обитателей.

Внутренняя неоднородность биогеоценоза связана с особенностями мезо - и микрорельефа, влияющего на структуру почвы, динамику влажности, температуры, освещенности. Поэтому растения в пределах биогеоценоза (или синузии) могут расти группами и в то же время чередоваться с более или менее открытыми полянами (например, из-за "окон" в пологе крон больших деревьев). В подобных случаях говорят о парцелярности биогеоценоза (от франц. парцелле - клетка).

Парцелла - это структурная часть горизонтального расчленения биогеоценоза, охватывающая всю его толщу и выделяемая по плотности населения отдельных видов растений и особенностям микросреды обитания.

В пределах биогеоценоза (синузии или парцеллы) выделяют также консортивные группировки (от лат. консорциум - соучастие), или консорции, состоящие из одной крупной особи (животного или растения), выступающего в качестве "ядра". Так совокупность всех организмов (птиц, насекомых, лишайников и др.), связанных с елью, может рассматриваться как консорция ели.

Консорция может быть рассмотрена и как ячейка пищевой сети, включающая особь или популяцию растения, консуменов всех уровней, а также редуцентов.

Участие различных видов в составе сообщества также неодинаково, некоторые виды преобладают (доминируют), виды, живущие за счет доминантов, называют предоминанты. Кроме того, в биогеоценозе могут быть эдификаторы - они не просто доминируют здесь, но и играют роль образователей сообщества, определяя режим температуры, влажности, освещенности.

Для формирования всего облика биогеоценозов на суше наиболее важная роль принадлежит высшим растениям, которые, продуцируя органическое вещество, дают начало всем трофическим цепям наземного биогеоценоза, служат субстратам для многих животных и микроорганизмов, активно влияют на микроклимат биогеоценоза, находятся в тесной взаимосвязи с почвенными и гидрологическими ресурсами. Поэтому характеру растительности придают первоочередное значение при выявлении границ отдельных биогеоценозов, принимая во внимание, что они совпадают с границами фитоценозов.

Особенности водных экосистем

В отличие от биогеоценозов суши, которые легко разграничить посредством фитоценозов, водная среда, как средообразующий фактор, характеризуется плавными переходами от одного комплекса условий к другому. Поэтому для морских и пресноводных биогеоценозов сложнее выделить границы. Чаще всего в этом случае используют главные физические и геохимические черты водной толщи.

Водные экосистемы делят на две группы: непроточные водоемы (лентическая среда - от лат. лентус - спокойный), это озера, пруды, болота, проточные водоемы (лотические - от лат. лотус - омывающий).

Специфика водных систем определяется многими факторами, в первую очередь термодинамическими характеристиками воды. Воды различных водоемов характеризуются также прозрачностью, скоростью перемешивания, соленостью, содержанием растворенных газов.

Давление воды увеличивается с глубиной, разные части водоемов по-разному удалены от берегов. Эти и многие другие обстоятельства влияют на распределение и распространение населяющих воду живых организмов.

В лентическом водоеме выделяют три главные зоны:

литоральная (мелкие участки, где свет проникает до дна и обычно располагаются высшие растения и некоторые водоросли),лимническая (толща воду, до глубины которой проникает активный свет, уже необязательно на мелководье),профундаль (зона, в которую свет не проникает).

Ниже лимнической зоны скопление биомассы невозможно, поскольку здесь процессы фотосинтеза и дыхания выравниваются.

Нижняя граница лимнической зоны носит название компенсационного горизонта. До этой границы проникает около 1% солнечного света. Обычно это глубины порядка 100 м.

В водных экосистемах (как и в любых других) присутствуют автотрофные организмы (продуценты), фаготрофы (макроконсументы) и сапротрофы (микроконсументы), выполняющие преимущественно роль разрушителей органического вещества.

В реках и ручьях различают в основном две зоны:мелководные перекаты, глубоководные плесы.

Каждой из этих зон свойственны свои обитатели и свои сообщества организмов (биоценозы).

Лентические и лотические водоемы весьма разнообразны по своей структуре. Каждому из них присуща сложная сезонная динамика температуры, определяющая размещение экологических ниш. Движение воды, особенно в лотических водоемах, связанное с ее скоростью, турбулентностью, определяет передвижение и локализацию выбрасываемых веществ, специфику их осаждения, разложения, процессы самоочищения, закономерности эвтрофирования.

Экологическая структура биогеоценоза

Каждый биогеоценоз слагается из определенных экологических групп организмов, соотношение которых отражает экологическую структуру сообщества, складывающуюся в течение длительного времени в определенных климатических, почвенно-грунтовых и ландшафтных условиях строго закономерно. Например, в биогеоценозах разных природных зон закономерно изменяется соотношение фитофагов (животных, питающихся растениями) и сапрофагов. В степных, полупустынных и пустынных районах фитофаги преобладают над сапрофагами, а в лесных сообществах, наоборот, сильнее развита сапрофагия. В глубинах океана основным типом питания является хищничество, тогда как на освещенной поверхности водоема преобладают фильтраторы, потребляющие фитопланктон, либо виды со смешанным питанием.

Экологическую структуру биогеоценозов отражает и соотношение таких групп растений, как гигрофиты, мезофиты и ксерофиты, а среди животных - гигрофилы, мезофилы и ксерофилы. Естественно, что в засушливых местообитаниях преобладают растения с ксероморфными признаками (склерофиты и суккуленты), а на сильно увлажненных территориях - гигрофиты. Разнообразие и обилие представителей той или иной экологической группы организмов обеспечивает их высокую плотность на единицу поверхности, максимальную биологическую продуктивность, оптимальные конкурентные отношения и, наконец, дает четкое представление об особенностях того или иного биотопа.

Основу трофической (пищевой) структуры биогеоценоза составляют цепи питания.

Свойства биогеоценозов

1. Устойчивость.

2. Саморегуляция.

Хотя в пределах биогеоценоза и осуществляется биогенный круговорот веществ, они представляют собой незамкнутые системы. Отдельные биогеоценозы связаны друг с другом потоками вещества и энергии (благодаря движению воздушных и водных масс, миграции животных). Биогеоценоз является динамичной системой, в ходе ее развития осуществляется с постепенным замедлением накопление массы живого вещества и усложнение его структуры. Вместе с тем биогеоценозам характерна определенная устойчивость во времени, происходящая как результат длительной адаптации живых компонентов друг к другу и к компонентам косной среды. Устойчивость - это свойство сообщества и экосистемы выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями. Способность организмов переносить неблагоприятные условия и высокий потенциал размножения обеспечивают сохранение популяций в экосистеме, что гарантирует ее устойчивость.

Биогеоценоз, как всякая экосистема, нуждается в постоянном притоке энергии извне для поддержания достаточно сложных внутренних связей, без чего невозможно противостоять энтропии, т.е. стремлению энергии перейти не в полезную для организма работу по обмену веществ (или круговороту веществ в экосистема), а в тепло и рассеяться в пространстве. Академик С.С. Шварц назвал не случайно биогеоценоз "машиной по трансформации вещества и энергии". Для биогеоценозов характерна определенная степень саморегуляции. Поддержание определенной численности популяций основано на взаимодействии организмов в звеньях хищников - жертва, паразит - хозяин на всех уровнях пищевых цепей. Массовое размножение вида в биогеоценозе регулируется прямыми и обратными связями, существующими в пищевых цепях. Нарушение способности саморегуляции за счет частых или резких воздействий приводит к усилению энтропии вплоть до деградации системы. Преобразующая антропогенная деятельность направлена, прежде всего, именно на биогеоценозы (экосистемы), приводя порой к губительным для биогеоценоза последствиям за счет нарушения саморегуляции системы выше некоторого критического уровня.

Список использованных источников

1. Бабушкин, А.Н. Современные концепции естествознания: Курс лекций / А.Н. Бабушкин. - СПб.: Издательство "Лань", М.: ООО Издательство "Омега-Л", 2004. - 224 с.

2. Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие / Т.Я. Дубнищева. - М.: Издательский центр "Академия", 2006. - 608 с.

3. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов / под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. - 317 с.

4. Свиридов, В.В. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие / В.В. Свиридов. - СПб.:Питер, 2005. - 349 с.

Размещено на Allbest.ru

...