Понятие эволюции в естествознании

Размещено на http://www.allbest.ru/

Концепция современного естествознания

1. Естествознание - наука о природе, как о едином целом;

2. Естествознание - совокупность наук о природе, рассматриваемых как единое целое.

Существует «точное» естествознание - знание обо всем, что существует или может существовать во вселенной (от устройства и происхождения вселенной до познания молекулярных механизмов).

Отличие естествознания от других наук в том, что оно исследует одни и те же явления, что и другие науки, но сразу с позиции нескольких наук, выискивая наиболее общие закономерности.

Цели естествознания

1. Выявление скрытых связей всех физических, химических, биологических явлений.

2. Более точное и глубокое познание самих этих явлений.

Революции в естествознании

1. Конец 15-16 в., период средневековья (эпоха возрождения). Культурные ценности, рассвет искусства, гуманизма, прогресс науки. Основное учение - Н. Коперник, выпустивший труд об обращении небесных тел, Джордано Бруно - отрицавший центр вращения вселенной, считавший, что она бесконечна, в ней содержится много планет и они обитаемы.

2. Эпоха возрождения - эпоха нового времени (17, 18, 19 в). в 17 рождаются современные науки (Галилей, Кеплер, Ньютон).

3. Немецкая классическая философия - Эммануил Кант дает объяснение происхождению солнечной системы из бесформенной туманной массы, ранее заполнявшей все пространство.

Синергетика - область научных исследований или согласованные действия, содействие, сотрудничество на общих идеях. Опирается на физико-математические методы и является обобщением эволюции. Суть ее в том, что акцент переносится со статического положения равновесия на изучение неустойчивости.

Флуктуация - колебания, отклонение от среднего значения величины.

Бифуркация - критическая, пороговая точка раздвоения, при которой система находится в двух состояниях одновременно.

Принцип дополнительности Бора (физик, Германия)

1. Н. Бор исходит из решения чисто физических проблем;

2. Понимает их общий принцип;

3. Связывает эти проблемы с всеобщей теорией познания. Например, рассматривает микромир в общем с такими науками как психология, философия, и, в результате, выводит принцип дополнительности, гласящий «более точное определение одной из дополняющих друг друга характеристик описания объекта приводит к уменьшению точности других».

Космологические модели происхождения и развития вселенной

Космология - совокупность накопленных теоретических положений о строении вещества и структуре вселенной как цельного объекта. Выводы космологии представляют собой модели происхождения и развития вселенной. К «вселенной» не применяются (и не могут быть применены) универсальные законы, а лишь модели, являющиеся не законами, а теорией.

1. Первая модель - однородной изотропной нестационарной горящей расширяющейся вселенной. Она построена на основе теории относительности и теории тяготения. В основе этой модели лежат два предположения: свойства вселенной одинаковы во всех ее точках (она однородна), и направления одинаковы (она изотропна); описанием гравитационного поля является уравнение Эйнштейна.

Космологию, построенную на этих двух постулатах, называют релятивистской. Вывод: это модель нестационарной вселенной, т.е. она не может находиться в статическом состоянии.

2. Вторая модель основана на исследованиях Фридмана, идея саморазвивающейся вселенной. По его утверждению, начальные космологические условия образования вселенной были сингулярными (точка, ничего, пустота). Фридман объясняет это так: в условиях сингулярности радиус кривизны меняется периодически, вселенная сжимается в точку, в ничто, сингулярное состояние, то вновь доводит свой радиус до некоторого значения. Этот процесс повторяется (вселенная пульсирует).

3. Третья модель (Дж. Лемер) - теория «большого взрыва» из так называемого первобытного атома и последующего его превращения в звезды и галактики;

4. Четвертая модель (американский физик Гамов) «горячая» модель вселенной. Согласно третьей модели, этот первоатом состоял из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигла чудовищной величины - 1 см³ весил 1 млрд. тонн. В результате взрыва этого первоатома, по мнению Гамова, образовался своеобразный космологический котел с температурой около 3 млрд. С^о. в результате произошел естественный синтез химических элементов. Все это произошло в первые 30 минут после большого взрыва;

5. Пятая модель - «холодная» вселенная (Зельдович). Согласно ей, первоначальная плазма состояла из смеси холодных (ниже абсолютного нуля) вырожденных частиц - протонов, электронов, нейтрино.

Эволюция вселенной

1. Центральная проблема естествознания

2. Главное звено во вселенной - жизнь и разум (после полного исчезновения распадется ли оно на фотоны и нейтрино, либо жизнь периодически повторяется).

Поэтому эволюция вселенной рассматривается с нескольких ракурсов. Первый и общепризнанный факт, что вселенная около 13 млрд. лет назад находилась в состоянии бесконечно большой плотности (1 тонна на 1 см³) и после большого взрыва она начала расширяться, и это расширение длится до сих пор.

Американский ученый Хаббл исследовал скорости движения галактики и показал, что ближайшие к нам галактики отдаляются от нас со скоростью от нескольких сотен до нескольких тысяч км/с.

Согласно релятивистской теории Эйнштейна и Фридмана разбегающиеся галактики все равно будут тормозиться силами гравитации, значит, расширение может быть заторможено, и, согласно теории Фридмана сменится на обратный процесс - концентрацию.

Но астрофизические расчеты показали, что плотность вещества во вселенной ниже критической, а значит, вселенная обречена на бесконечное расширение.

Вывод: если бы галактика была неподвижна во вселенной, то излучаемая ею энергия оказывала бы на нее со всех сторон одинаковое воздействие. Но, поскольку галактики после большого взрыва еще до сих пор движутся по инерции, то воздействие излучения на разные стороны галактики будет разным, против направления движения - большим, а по направлению - меньшим.

Физические аспекты и принципы биологии

Гипотезы происхождения жизни

1. Креационистская - сотворение жизни по библии (23 октября 4004 г. до н.э. в 9 утра) - гипотеза без подтверждений.

2. Самопроизвольное зарождение живого из неживого (Аристотель, Платон, Галилей, Бэкон, Декарт, Ламарк). Франциско Реди высказал идею, что живое зарождается из живого, однако эту теорию опровергли Луи Пастер и английский физик Тиндаль, сказав, что при некоторых условиях живые организмы не могут возникать (стерилизация, пастерилизация);

3. Пандспермия. Жизнь возникла из космоса. Доказательства - состав метеоритов (тунгусский метеорит с микроспорами - элементы, схожие с земными), очевидцы, видевшие инопланетян;

4. Жизнь существовала вечно;

5. Вернадский: «жизнь и материя неразрывны, взаимосвязаны и между ними нет временной последовательности, однако жизнь зародилась из биологического вещества»;

6. Тимирязев - теория эволюции. Этапы формирования жизни: биологическое вещество > излучение + биологическое вещество > галактика, вселенная > планеты > первичная атмосфера > органические вещества в гидросфере > аминокислоты > коацерватные капли (Опарин) > ДНК > белок.

Факторы, необходимые для возникновения жизни

1. Длительное время;

2. Наличие определенного источника энергии;

3. Наличие определенных химических веществ;

4. Отсутствие газообразного кислорода;

7. Теория абиогенного происхождения жизни Опарина (1923). Основана на физико-химических представлениях об условиях, имевшихся на ранней Земле, связывая их с геологической эволюцией, эволюцией химических элементов солнечной системы, а так же активностью солнца. Жизнь зародилась в несколько этапов:

1. В процессе охлаждения Земли переход оды из парообразного состояния в жидкое + неорганические вещества;

2. Из неорганических соединений (водород Н₂, кислород О₂, углекислый газ СО₂, аммиак NН₃) образовались органические;

3. Постепенное усложнение органических соединений (первичные белковые структуры);

4. Образование гидрофильных комплексов вокруг белковых структур (прообраз оболочки), и гидрофильные оболочки (двойная мембрана);

5. Появление генетического кода.

Гетеротрофы и автотрофы

Гетеротрофы питаются органическими молекулами за счет расщепления их с помощью ферментов (катализаторов).

Автотрофы - вырабатывают органические вещества из неорганических в результате фотосинтеза.

6СО2 +6Н2О+энергия света=С6Н12О6 +6О2

Трехмерность пространства

Есть 3 способа познания: аналитический (научный); художественный (чувственный); иррациональный (например, религиозный).

3 закона Ньютона, 3 закона термодинамики, 3 поколения элементарных фундаментальных частиц, 3 геометрии пространства (геометрия Евклида - плоская, геометрия Римана - сферическая, Лобачевского - гиперболическая); Дарвин - изменчивость, наследственность, отбор; 3 измерения времени - прошлое, настоящее, будущее и т.д.

Согласно 1/r², все энергетические гравитационные силы ослабляются. С увеличением расстояния силовые линии поля распределяются по все большей поверхности сферы, а площадь сферы увеличивается пропорционально квадрату радиуса.

Природа пыталась создать вселенную с разными свойствами, но, по мнению ученых, лишь в трехмерном пространстве имеются связанные между собой состояния. Лишь в этом случае возможно образование сложных и разнообразных структур, способных к возникновению и распаду, а изменение этих фундаментальных постоянных ведет не просто к количественным изменениям, а в прицепе к кардинальным качественным изменениям природы мира.

Четырехмерную систему пространства сконструировал франц. физик Колуца, пятимерную - Клэйн (объединив гравитацию Эйнштейна и электромагнетизм Максвелла + время); шестимерная - Бартини (рус) - объединил 3 пространства и 3 времени.

Особенности механики Ньютона

В классической механике время выступает как параметр движения. Таким образом, особенности классической механики Ньютона - детерминизм (определенность): если известны начальные условия и уравнение, то мы можем предсказать движение. Предсказать движение - обратимость времени.

Физ. описание процессов в классической механике неполно и отражает лишь какие-то одни стороны реальной природы, не затрагивая других ее глубинных свойств, учет которых должен автоматически приводить к тому, что ситуации, когда время меньше нуля (t < 0) должны быть запрещены, и в противном случае возникает парадокс времени.

Английский астроном Эддингтон ввел понятие «стрелы времени» (от прошлого к будущему), после чего ученые предложили описывать ход времени тремя стрелами. Первая - связана с расширением вселенной после большого взрыва; вторая - связана с ростом энтропии в классической термодинамике; третья - биологическая и историческая эволюция.

В истории для человечества понимание времени как параметра, изменяющегося в одном направлении только от прошлого к будущему большую роль играло то, что на последовательность имеющихся и несовпадающих событий накладывались природные процессы, связанные с движением Земли вокруг Солнца, Луны вокруг Земли, смены дня и ночи и т.д. («невозможно дважды войти в одну и ту же реку времени»).

Есть предположение ученых, что деление времени на одинаковые интервалы, и принятые астрономические шкалы времени в качестве единственно правильных не совсем верно. Профессор Николай Козырев считает, что в существующем пространственно-временном континууме прошлое, настоящее и будущее существует одновременно. Козырев, рассматривая время, как физ. явление, начал рассматривать его не как параметр движения (длительность процесса), а время с точки зрения пространства (имеющего кривизну, массу, обладающую физ свойствами), то и время будет обладать физ свойствами, и в этом случае время само не может воздействовать на физ процессы и на вещество, и становится активным участником мироздания. Степень активности времени Козырев назвал «плотностью времени», ход времени может создавать дополнительное напряжение и, тем самым, менять потенциальную и полную энергии. Козырев делает вывод, что ход времени может быть источником энергии. Таким образом, время играет активную роль в материальных процессах и вещество может быть детектором, обнаруживающим изменения плотности времени. «время нельзя отрывать от материи» (Козырев), т.е. сама жизнь использует ход времени в качестве дополнительного источника энергии.

Вывод: время, благодаря своим физ. свойствам вносит в Мир жизненное начало, препятствует наступлению тепловой смерти и обеспечивает существующую в нем гармонию жизни и смерти.

Антивещество во вселенной и антигалактики

26 октября 1959 г. нобелевская премия по физике присуждена двум американским ученым-атомщикам за открытие антипротона, доказывающего существование двух форм материи - частиц и античастиц. 69-летний ученый Эмилио Серге и Оуэн Чемберлен. вселенная эволюция пространство время

Согласно одному из основных положений новой теории допускается вероятность существования иного мира, или антимира, состоящего из антиматерии. Однако ученые 20 в. доказали, что это не две формы материи. Антимир полностью противоположен материальному миру, т.к. антиматериальный атом имеет антисвойства материального атома и, помимо материального мира существует другой мир, о котором ничего неизвестно. Ученые считают, что между антиматериальным и материальными мирами возможны столкновения, которые могут привести к их взаимоуничтожению.

Если во вселенной есть вещества, то может ли там быть антивещество?

Исходя из положений молекулряной физики, можно предположить, что вещество и антивещество встречаются во вселенной в равных количествах (т.е. могут быть антизвезды, антигалактики и т.д.). И, если это существует, то как отличить звезду и антизвезду? По мнению ученых, только не электромагнитными измерениями. Доля антивещества в межзвездном газе не может превышать 10^-7 на см^-3, то звезды в нашей галактике состоят преимущественно из обычного вещества.

Адроны - сильно взаимодействующие;

Лептоны - слабовзаимодействующие;

Гипероны - гиперчастица, большая, тяжелая;

Барионы - менее тяжелые частицы. Происходит деление барионов на те частицы, которые существуют очень недолго. В теории элементарных частиц существует закон сохранения барионного числа в любом процессе. Он обеспечивает стабильность аннигиляции.

Аннигиляция - процесс, в котором исчезают обе начальные частицы, и вся их масса полностью переходит в энергию.

Фундаментальные взаимодействия

Частицы взаимодействуют между собой путем обмена квантами силовых полей. Наблюдается четыре типа сил:

1. Сильная (ядерная), связывающая протоны и нейтроны в ядрах химических элементов;

2. Электромагнитная;

3. Слабая (ответственная за медленные бета-распады);

4. Гравитационная (закон тяготения). Природа гравитационного взаимодействия не определена и совершенно не ясно, как данное взаимодействие передается через пространство.

Предполагается, что кванты (переносчики четырех силовых полей) - это:

1. При сильном взаимодействии - безмассовые глюоны;

2. Для электромагнитного - безмассовые фотоны (кванты света);

3. Для слабого - бозоны (3 частицы вместе в 90 раз тяжелее протона;

4. Для гравитационного - безмассовые гравитоны.

И глюоны, и кварки обладают «зарядом», который принято называть цветом.

Черные дыры и механизм образования и эволюции звезд

Согласно модели большого взрыва, все элементы вселенной образовались в результате термоядерных реакций. При гравитационной конденсации звезды из облака межзвездных газа и пыли высвобождается потенциальная энергия. Часть этой энергии расходуется на излучение, а остальная часть преобразуется в кинетическую энергию конденсирующихся атомов, что повышает t^о звезды. При t^о, когда t^о = 10⁷ К и плотности 100 гр/см³ начинаются термоядерные реакции, которые могут идти в зависимости от первоначального состава межзвездной пыли и звезд по двум схемам (или цепочкам).

Первая схема: звезды, в основном, состоят из водорода (от 60 до 90%) и гелия (от 10 до 40%) + тяжелые элементы (от 0,1 до 3%). Они называются звездами, в состав которых входят и тяжелые элементы, помимо Н и Не - звезды населения 1;

Звезды населения 2 образовались из первичных водорода и гелия и в них практически нет тяжелых элементов.

Новые звезды возникают из-за неустойчивости при извержении веществ в пространство, и светимость их резко увеличивается. Частота извержения меняется от нескольких месяцев до нескольких лет.

Сверхновые звезды. Их образование связано со взрывом массивной звезды, что бывает 1 раз в несколько столетий.

Солнце - звезда. 74% водорода, 24% гелия, 2% тяжелых элементов.

Черные дыры

Впервые они обнаружены в 1783 году английским астрономом Джеком Митчеллом, математически они стали описаны лишь в 1971 г. когда первая орбитальная обсерватория с рентгеновским телескопом зафиксировала яркий рентгеновский источник, мигающий 1 тире раз в секунду в созвездии «лебедь», а т.к. информация об этом не могла дойти быстрее скорости света, значит, в диаметре он не мог быть более 300 км. Таким образом, было точно определено, что «нечто», размером с астероид посылало рентгеновские лучи на межзвездное расстояние. Как оказалось, в этом месте находится жаркая супергигантская звезда с огромной силой притяжения, и в 10 раз тяжелее солнца. Такой объект может быть только черной дырой, а его излучение вызывается трением газа и пыли звезды супергиганта, собирающегося вокруг него.

Ученые считают, что черные дыры возникают из коллапсов взрывающихся звезд на стадии образования сверхновых, при этом гравитация достигает 10 млрд G (10 м/с - ускорение свободного падения). Разрушенное вещество и все формы радиации из нашей вселенной исчезают, создавая нечто подобное «бездонной яме», в которой нечто, даже свет, не могут ускользнуть от огромной силы тяжести буквально искажает пространство, время, вещество, сводя его к математической единице. Время в гравитационной тяжести замедляется, и за горизонтом границ черной дыры останавливается совсем. Человек, видимый с внешней поверхности, будет навечно захвачен внутрь, и. по-видимому, попадает в некоторую точку, где все часы (биологические, механические) останавливаются. А если в водоворот радиации попадает некто, обладающий сознанием, то течение времени для него будет казаться нормальным, но как только он окажется в глубине черной дыры, он сам сведется к математической единице.

Вывод: таким образом, предположение, что черные дыры создаются сверхбольшим давлением и находясь поблизости друг от друга, имеют тенденцию притягиваться; это привело к идее сверхчерных дыр, которые постоянно расширяются, поглощая мелкие черные дыры. Это согласуется с написанным в ведах мифом о пожаре, спалившим всю вселенную, превратившем ее в ночь Брахмы.

Что происходит за черными дырами: космические источники, где вещество исходит из тонких центральных частей. Это тоже соответствует учению вед, что из Брахмы возникает новое творение.

Хаос и порядок в космосе

На самом деле, хаос - это не отсутствие структуры, а тоже структура, но определенного типа. Впервые это было отмечено ученым Лоренсом, который в1963 г. математически описал глобальные метеорологические процессы на нашей планете. Таким образом, математически описав хаотический процесс довольно сложными нелинейными уравнениями, и это значит, что хаос содержит внутренний порядок, пусть и достаточно сложный.

Модель Лоренса: движение молекул воздуха в атмосфере возникает в результате совместного действия гравитационного поля Земли и различных t^о, создаваемые внешним источником тепла (океан, нагретый солнцем). В результате создаются потоки нагретого воздуха вверх, а холодного - вниз. Это типичный хаотический процесс, неорганизованный и случайный. Но этот процесс может существенно измениться, если градиент какой-то температуры случайно превысит некоторое критическое значение. Тогда в атмосфере могут образоваться такие зоны или области, внутри которых теплый воздух идет вверх, а по краям - вниз, и таких «столбов» будет множество. Это и приводит к саморегуляции теплового потока, и в целом возникает уже упорядоченное макроскопическое движение воздуха, т.е. хаос превращается в порядок. Но в целом эта система неравновесна, хотя упорядочена и организованна. Такие структуры упорядоченного хаоса называются диссипативными, от лат. - рассеивать свободную энергию. Диссипативные структуры - открытее системы, в которых, при больших отклонениях от равновесия, возникают упорядоченные состояния.

Опыт «ячейки Бинара». Классический пример упорядочения структуры из хаоса: на сковороде, подогретой снизу, находится масло с металлическими опилками. За счет постоянного подогрева легкие и тяжелые верхние слои стремятся поменяться местами до какого-то момента. При достижении критической разности, температур, так же, как и в модели Лоренса, возникает организованный конвекционный поток, и поверхностный слой масла подпрыгивает, разделяясь на правильные шестиугольные ячейки, напоминающие пчелиные соты, которые сразу видно. Вывод: с позиции физики произошёл фазовый переход, образовалась новая структура, неравновесная, но требующая нагревания (энергии).

Реакция Белоусова-Жаботинкого - это самопроизвольная периодическая химическая реакция открыта Белоусовым в 1951 г. Данная реакция показала нетрадиционность химии, т.к. все химические реакции считаются необратимыми, а эта оказалось обратимой. Это была реакция окисления лимонной кислоты (катализатором), в результате в определенной последовательности возникали окислительно-восстановительные реакции, а раствор самопроизвольно периодически менял цвета. Впоследствии эти реакции стали использовать для разных веществ. Сейчас они известны, как колебательные реакции. Вывод: эти реакции показали, что если вещество не находится в состоянии равновесия, то оно обретает новые свойства.

Аттракторы

Аттракторы - это точки, притягивающие траекторию какой-либо развивающейся динамической системы.

Аттракторы типа «седло» идут с потерей энергии, т.е. их траектории могут расходиться. Если траектории расходятся, то эти аттракторы называются «странными» (1971 г.) термин Люэля и Такенса. Странный аттрактор - это математический образ сложного движения в диссипативных динамических системах (примером аттрактора может быть поток быстро текущей воды в горных реках через камень; когда струйки воды меняют траекторию движения, а в целом этот поток устойчив на поверхности камня и не выходит за пределы).

Проблемой устойчивости решений уравнений динамики занимается раздел математики, называемый «теорией катастроф» который определяет скачкообразные изменения (катастрофу) параметров системы как внезапный ответ на плавное изменение внешних условий. В этом понимании «катастрофа» и есть бифуркация.

Пример изменения бифуркации в теории катастроф - психология спорта айкидо. Это японский вид борьбы, основанный на неожиданности поведения спортсмена. Айкидо использует свойства катастроф, когда спортсмен должен победить не за счет большей физической силы или мощного удара (он вообще может не нападать на человека), но своими неожиданными движениями выводит нападающего из состояния равновесия. Мастерством в айкидо считается добиться победы не касаясь соперника.

Вывод:

· айкидо - это архитектура воздействия на сложную систему;

· наша вселенная следует по пути, включающем в себя последовательности бифуркаций - это путь, ведущий к жизни, культуре, искусству.

Размещено на Allbest.ru