-
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || [email protected] 1
Сканирование и форматирование: Янко Слава (Библиотека Fort/Da)
|| [email protected] || [email protected] ||
http://yanko.lib.ru || Icq# 75088656 || Библиотека:
http://yanko.lib.ru/gum.html || Номера страниц - внизу update
19.11.06
ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Т.Я.ДУБНИЩЕВА
КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Допущено Министерством образования Российской Федерации в
качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по социально-экономическим специальностям
5-е издание, переработанное и дополненное
Москва
2003
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб.
пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд.,
перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 608
с.
http://yanko.lib.ru/http://yanko.lib.ru/gum.htmlmailto:[email protected]:[email protected]://yanko.lib.ru/http://yanko.lib.ru/gum.html
-
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || [email protected] 2
УДК 50(075.8) ББК 20я73 Д79 Рецензенты: акад. В.М. Титов
(Институт гидродинамики им. М.А.Лаврентьева Сибирского отделения
РАН); проф. С. М. Репинский (Институт физики полупроводников
Сибирского отделения РАН); проф. П. Е. Твердохлеб (Институт
автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН) Дубнищева Т.Я.
Д79 Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студ.
вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд., перераб. и доп. —
М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 608 с. ISBN
5-7695-0999-6 В пособии через научные картины мира и программы
гармонично согласованы вопросы истории науки и культуры с вопросами
развития естественных наук. При изложении материала использованы
системный подход, идеи синергетики и глобального эволюционизма, что
способствует формированию целостного мировоззрения. Основные
понятия, концепции и законы даны в развитии, показана независимость
процесса познания, дающая навыки самостоятельных суждений и
способствующая развитию ассоциативного мышления и формированию
творческой личности. Для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по социально-экономическим специальностям. УДК
50(075.8) ББК 20я73 ISBN 5-7695-0999-6 © Дубнищева Т.Я., 2003 ©
Издательский центр «Академия», 2003
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб.
пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд.,
перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 608
с.
-
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || [email protected] 3
Электронное оглавление
Contents Электронное оглавление
..............................................................................................................................3
ВВЕДЕНИЕ
.....................................................................................................................................................9
Глава 1. ЛОГИКА ПОЗНАНИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
.........................12
1.1. Наука — часть культуры
.....................................................................................................................................................
12 1.2. Формирование критерия научности
...................................................................................................................................
15 1.3. Методы естествознания, всеобщность его законов. Системный
подход........................................................................
17
Научный метод
............................................................................................................................................................
18 Теории — основная форма научного знания.
...........................................................................................................
18 В описательных
теориях.............................................................................................................................................
18 Понятия и термины
.....................................................................................................................................................
18 Наблюдения
.................................................................................................................................................................
18 Как метод научного познания
анализ........................................................................................................................
18 Эксперимент
................................................................................................................................................................
19 Создание моделей
.......................................................................................................................................................
19 Обращение к теории
...................................................................................................................................................
19 Рис. 1.1. Модель научной теории в виде многослойной оболочки
(наружная — непрерывно расширяющаяся сфера предсказаний, внутренняя
— фундаментальные
принципы)...................................................................
20
Системный
подход......................................................................................................................................................
20 1.4. Понятия «научная программа» и «научная картина
мира»..............................................................................................
22
Научная картина мира
(НКМ)....................................................................................................................................
22 Механическая картина мира (МКМ)
.........................................................................................................................
23 Электромагнитная картина мира
(ЭКМ)...................................................................................................................
23 Квантово-полевая картина мира
(КПКМ).................................................................................................................
24 Современная, эволюционная картина
мира..............................................................................................................
24
1.5. Математическая научная программа в развитии
..............................................................................................................
24 1.6. Понятия «научная парадигма» и «научная революция»
..................................................................................................
25
Научные
парадигмы....................................................................................................................................................
25 1.7. Оценки научных успехов и
достижений............................................................................................................................
27 1.8. Современная научно-техническая революция: достижения и
проблемы.......................................................................
28
Вопросы для самопроверки и повторения
....................................................................................................................
30 Глава 2. ПОНЯТИЯ ПРОСТРАНСТВА, ВРЕМЕНИ И МАТЕРИИ.
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
.................................................................................................................................31
2.1. Понятие «пространство»
.....................................................................................................................................................
31 2.2. Масштабы расстояний во Вселенной. Методы оценок размеров и
расстояний
............................................................ 33
Геоцентрическая система Мира (Солнечной системы)
...........................................................................................
34 Гелиоцентрическая система (от греч. helios — солнце)
..........................................................................................
34 Рис. 2.1. Определение размеров Земли по Эратосфену
.......................................................................................
34
Параллакс — угловое смещение предмета, которым можно
характеризовать расстояние до него.................... 35 Рис. 2.2.
Метод
триангуляции:...............................................................................................................................
36
2.3. Понятие «время» в своем развитии
....................................................................................................................................
38 Пространственно-временной
континуум..................................................................................................................
38 Свойства пространства-времени в
ОТО....................................................................................................................
39 Рис. 2.3. Экспериментальные подтверждения теории
относительности, приведшие к изменению свойств времени и
пространства:
........................................................................................................................................
40
2.4. Временные масштабы во Вселенной. Методы измерения времени
................................................................................
40 Сутки
............................................................................................................................................................................
40 Рис. 2.4. Схема суточного и годового движения Солнца (плоскость
горизонта проведена для наблюдателя средних широт Северного
полушария)
.................................................................................................................
41
Секунда
........................................................................................................................................................................
41 Календарем
..................................................................................................................................................................
42 Возраст Вселенной всего лишь в 2,5 раза превышает возраст
Солнца..................................................................
44
2.5. Структурные уровни организации материи
......................................................................................................................
45 Молекула
.....................................................................................................................................................................
45 Атом
.............................................................................................................................................................................
45 Микромир — мир очень малых микрообъектов, размеры которых от
10-10 до 10-18 м, а время жизни может быть до 10-24 с.
.............................................................................................................................................................
45
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб.
пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд.,
перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 608
с.
-
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || [email protected] 4
Макромир — это мир объектов, соизмеримых с человеческим опытом.
Размеры макрообъектов измеряются от долей миллиметра до сотен
километров— от секунд до лет.
.................................................................................
46
2.6. Понятие «поле». Уравнения Максвелла. Свет —
электромагнитная волна
...................................................................
46
Поле..............................................................................................................................................................................
46 Рис. 2.6. Электромагнитное
поле:..........................................................................................................................
47
Световая волна — это волна электромагнитная,
.....................................................................................................
48 Плотность потока энергии в волне,
...........................................................................................................................
48 Импульс электромагнитной
волны............................................................................................................................
49
2.7. Типы фундаментальных взаимодействий в
физике..........................................................................................................
49 Гравитация (от лат. gravitas — тяжесть) — исторически первое
исследованное взаимодействие. .................... 50
Электромагнитное
взаимодействие,..........................................................................................................................
50 Сильные и слабые ядерные взаимодействия
............................................................................................................
51
2.8. Попытки построения Теории Всего Сущего
.....................................................................................................................
51 Теория квантовой гравитации должна была соединить ОТО и
квантовую механику.......................................... 53
Теории супергравитации
............................................................................................................................................
53 Теория суперструн
......................................................................................................................................................
53
Вопросы для самопроверки и повторения
....................................................................................................................
55 Глава 3. МИРОЗДАНИЕ В СВЕТЕ КЛАССИЧЕСКОЙ МЕХАНИСТИЧЕСКОЙ
ПАРАДИГМЫ..........................................................................................................................................................................56
3.1. Модель материальной точки и законы классической
механики......................................................................................
56 3.2. Масса инертная и гравитационная. Принцип эквивалентности
......................................................................................
58 3.3. Движения планет и законы Кеплера
..................................................................................................................................
59
Рис. 3.1. Схемы, поясняющие первый (а) и второй (б) законы
Кеплера............................................................
60 3.4. Закон всемирного тяготения
...............................................................................................................................................
61
Рис. 3.2. Орбита кометы
Галлея.............................................................................................................................
61 3.5. Связь законов сохранения со свойствами пространства и
времени
................................................................................
63 3.6. Колебания и волны в природе и их описание. Гармонический
осциллятор...................................................................
66
Рис. 3.3. Модель математического
маятника........................................................................................................
66 Рис. 3.4. Схема образования стоячей волны
.........................................................................................................
68
3.7. Распространение звука в средах и реакция организма на
звуковые волны
....................................................................
69 3.8. Волновое описание процессов. Типы и свойства волн. Спектр и
его
анализ.................................................................
71
Рис. 3.5. Схема принципа Гюйгенса (если ширина щели велика по
сравнению с длиной падающей волны, то она проходит через нее без
искажений; влияние дифракции больше заметно у краев щели)
......................... 72 Рис. 3.6. Схема, поясняющая эффект
Доплера
.....................................................................................................
73
3.9. Эффект Доплера, его исследование и значение для науки
..............................................................................................
73 Рис. 3.7. Колебания блеска
цефеид........................................................................................................................
75 Рис. 3.8. Красное смещение в спектрах далеких галактик (к
пояснению закона Хаббла) ............................... 76
3.10. Явление резонанса. Резонансы в движении планет
........................................................................................................
76 Рис. 3.9. Схема, поясняющая образование для земного наблюдателя
фаз Венеры, открытых М.В.Ломоносовым:
.................................................................................................................................................
77
Вопросы для самопроверки и повторения
....................................................................................................................
77 Глава 4. КОНЦЕПЦИИ КЛАССИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ И СТАТИСТИЧЕСКОЙ
МЕХАНИКИ
.................................................................................................................................................79
4.1. Теплота, температура и механический эквивалент
теплоты............................................................................................
79 Рис. 4.1. Сравнение температурных шкал Фаренгейта, Цельсия и
Кельвина ................................................... 80
Рис. 4.2. Схема опытов Джоуля:
............................................................................................................................
81
4.2. Понятие «внутренняя энергия». Первое начало термодинамики
....................................................................................
81 4.3. Преобразование тепловой энергии в механическую
работу............................................................................................
83
Рис. 4.3. Схема работы тепловой
машины:...........................................................................................................
84 4.4. Понятие «энтропия». Суть спора о «тепловой смерти
Вселенной»................................................................................
85 4.5. Начала термодинамики. Энтропия и вероятность. Принцип
Больцмана........................................................................
87 4.6. Микро- и макропеременные в описании систем. Основные модели
..............................................................................
89 4.7. Основные положения молекулярно-кинетической теории и
эмпирические газовые законы .......................................
90
Рис. 4.4. График зависимости объема газа от температуры,
экстраполированный к точке, в которой объем был бы равен
нулю..................................................................................................................................................
91
4.8. Связь параметров газа с его микроструктурой. Распределение
Максвелла
...................................................................
91 Рис. 4.5. Распределение молекул по скоростям при температурах Т1
Т2, Т3...................................................... 92
4.9. Распределение частиц газа во внешнем поле и в атмосферах
планет
.............................................................................
93 Число Авогадро
...........................................................................................................................................................
94
4.10. Понятие «флуктуация» и точность
измерений................................................................................................................
95 4.11. Процессы обратимые и необратимые. Принцип локального
равновесия.....................................................................
95
Вопросы для самопроверки и повторения
....................................................................................................................
98 Глава 5. КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ И КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ
МАТЕРИИ
.....................................................................................................................................................99
5.1. Ограниченность законов классической оптики. Измерение
скорости света
..................................................................
99
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб.
пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд.,
перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 608
с.
-
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || [email protected] 5
Рис. 5.1. Камера обскура и ход лучей в
ней........................................................................................................
100 Рис. 5.2. Схема получения голограммы: а — по методу Габора; б —
по методу Денисюка (отражательная голограмма)
...........................................................................................................................................................
101 Рис. 5.3. Схема измерения скорости
света..........................................................................................................
102
5.2. Волновые свойства света. Спектр электромагнитного излучения
................................................................................
103 Рис. 5.4. Схема спектра электромагнитных волн
...............................................................................................
105
5.3. Явление дисперсии сред и доказательство материального
единства мира
..................................................................
105 5.4. Законы теплового излучения, кризис классической теории и
появление квантовой гипотезы..................................
107
Рис. 5.5. Спектры излучения абсолютно черного тела при разных
температурах (интенсивность — в относительных единицах)
....................................................................................................................................
108 Рис. 5.6. Ультрафиолетовая катастрофа в теории теплового
излучения:.........................................................
109
5.5. Открытие электрона и радиоактивности. Рождение
представлений о сложном строении атома
.............................. 109 5.6. Планетарная модель строения
атома. Современная наука и постулаты
Бора..............................................................
112
Рис. 5.7. Спектральные серии атома водорода:
..................................................................................................
113 Рис. 5.8. Схема строения атома углерода: планетарная модель (а)
и относительные размеры ядра и атома
(б)................................................................................................................................................................................
114
5.7. Корпускулярные свойства света. Фотоны Эйнштейна и
доказательство их реальности
............................................ 115 Рис. 5.9. Схема
эффекта Комптона
......................................................................................................................
116
5.8. Поглощение и испускание квантов света. Спонтанное и
вынужденное излучения
.................................................... 116 Рис. 5.10.
Схема получения вынужденного излучения
.....................................................................................
118
5.9. Корпускулярно-волновые свойства вещества и значение их
открытия........................................................................
118 Вопросы для самопроверки и повторения
..................................................................................................................
119
Глава 6. КОНЦЕПЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ И СТРУКТУР В
МИКРОМИРЕ........................120 6.1. Описание движения
микрочастиц. Принципы дополнительности и причинности
..................................................... 120
Волновая механика
...................................................................................................................................................
120 Матричная
механика.................................................................................................................................................
121 Квантовая механика
..................................................................................................................................................
121
6.2. Принципы соответствия и неопределенности. Роль прибора и
процесса измерения в квантовой механике............ 123 6.3.
Строение химических элементов и понимание Периодической таблицы
Менделеева............................................... 125
Рис. 6.1. К пояснению понятия спина электрона
...............................................................................................
126 6.4. Радиоактивные элементы и возможности превращения
элементов..............................................................................
128
Рис. 6.2. Диаграмма, иллюстрирующая правила смещений атомов при
радиоактивных превращениях (по оси ординат — массы атомов, по оси
абсцисс — порядковый номер
элемента)............................................ 129 Рис. 6.3.
Схема ядерного распада
........................................................................................................................
132
6.5. Представления о строении атомного ядра
.......................................................................................................................
134 Рис. 6.4. Зависимость удельной энергии связи от атомной массы
...................................................................
135
6.6. Элементарные частицы и проблема поиска «первичных
объектов».............................................................................
137 Вопросы для самопроверки и повторения
..................................................................................................................
139
Глава 7. КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА (ОТ МИКРОМИРА К
МАКРОМИРУ)......140 7.1. Представление о строении молекул
.................................................................................................................................
140
Рис. 7.1. Ионная связь на примере структуры молекулы
NaCl:........................................................................
141 Рис. 7.2. Примеры химических связей:
...............................................................................................................
142
7.2. Развитие представлений о составе веществ. Законы
стехиометрии..............................................................................
143 7.3. Развитие структурной химии
............................................................................................................................................
146
Рис. 7.3. Первые три молекулы ряда углеродных молекул с
линейными цепочками: ................................... 146 7.4.
Строение веществ в разных агрегатных состояниях
......................................................................................................
148
Рис. 7.4. Структура одного из типов кристаллов
льда.......................................................................................
150 Рис. 7.5. Структура графита
.................................................................................................................................
150
7.5. Строение и свойства
металлов..........................................................................................................................................
152 Таблица 7.1. Удельная теплоемкость с некоторых металлов при
комнатной температуре ........................... 153 Рис. 7.6.
Пример потенциальной ямы для электрона в твердом
теле...............................................................
153 Рис. 7.7. Энергетические зоны в металле (а) и образование зон
при сближении атомов (б) ......................... 154 Рис. 7.8.
Схема связи ширины запрещенной зоны и электрических свойств
кристалла в металле (а), полупроводнике (б) и диэлектрике (в)
................................................................................................................
155
7.6. Структура и уникальные свойства
воды..........................................................................................................................
156 Рис. 7.9. Вода в различных фазах
........................................................................................................................
156 Рис. 7.10. Структура молекулы воды
..................................................................................................................
157 7.7. Строение и свойства атома углерода, определившие его роль
в природе ................................................ 157 Рис.
7.11. Схема соединения атомов углерода друг с другом в органических
молекулах:............................ 159
Вопросы для самопроверки и повторения
..................................................................................................................
160 Глава 8. КОНЦЕПЦИИ ПРОЦЕССОВ И ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ
ИМИ..................161
8.1. Химический катализ и методы управления химическими
процессами
........................................................................
161
(1)............................................................................................................................................................................
161
(2)............................................................................................................................................................................
161
(3)............................................................................................................................................................................
162
(4)............................................................................................................................................................................
162
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб.
пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд.,
перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 608
с.
-
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || [email protected] 6
8.2. Цепные реакции и свободные
радикалы..........................................................................................................................
164 8.3. Особенности растворения в воде различных
веществ....................................................................................................
165
Рис. 8.1. Тройная точка воды
...............................................................................................................................
166 Аномальность свойств воды
....................................................................................................................................
166 Рис. 8.2. Водородные связи в молекуле
воды:....................................................................................................
167 Рис. 8.3. Шкала кислотности (щелочности) некоторых жидкостей
.................................................................
167
Химические свойства воды
......................................................................................................................................
168 8.4. Процессы диффузии и осмоса, их роль в клеточных мембранах
..................................................................................
169
Рис. 8.4. Примеры необратимых процессов:
......................................................................................................
170 8.5. Понятия фазы и фазового перехода. Фазовые переходы первого
и второго рода
....................................................... 171 8.6.
Сверхтекучесть и сверхпроводимость
.............................................................................................................................
174
Современная теория сверхпроводимости
...............................................................................................................
177 8.7. Возникновение самоорганизации в неравновесных системах.
Понятие обратных связей .........................................
177
Рис. 8.5. Ячеистая структура жидкости при неустойчивости в
ячейке Бенара ............................................... 178
Вопросы для самопроверки и повторения
..................................................................................................................
179
Глава 9. КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ, ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И ЗАРОЖДЕНИЯ
СТРУКТУР В МИРЕ
ЗВЕЗД....................................................................................................................180
9.1. Строение типичной звезды. Источники энергии Солнца и звезд
..................................................................................
180 Рис. 9.1. Схема внутреннего строения Солнца с распределением
температур внутри него: ......................... 181
Магнитные поля играют на Солнце существенную
роль......................................................................................
181 Рис. 9.2. Схема синтеза гелия из атомов водорода
............................................................................................
183
9.2. Звезды, их характеристики и эволюция
...........................................................................................................................
184 Светимость звезды
....................................................................................................................................................
185 Рис. 9.3. Схема распространенности химических элементов во
Вселенной ...................................................
185
Спектральные классы ввел в 1900 г. американский астроном
Э.Пикеринг, обозначив их буквами латинского алфавита.
....................................................................................................................................................................
186 Рис. 9.4. Диаграмма Герцшпрунга — Рессела (спектр — светимость)
............................................................
186
Главная последовательность
....................................................................................................................................
187 Рис. 9.5. Схема возможного эволюционного трека звезды с массой,
несколько большей массы Солнца ... 187
Масса звезды
.............................................................................................................................................................
187 Рис. 9.6. Распределение физических характеристик звезд и
звездной эволюции ........................................... 188
Рис. 9.7. Эволюция звезд, типы ядерных реакций в них и
распределение химических элементов (характеристика «металличности»
звезд)
...........................................................................................................
189
9.3. Переменные звезды и их эволюция. Конечные стадии эволюции
звезд и
Солнца...................................................... 189
9.4. Галактика, ее форма и строение. Солнечная система в
Галактике................................................................................
192
Рис. 9.8. Схема положения Солнечной системы в Галактике
(отмечено крестиком):.................................... 193 Рис.
9.9. Подсистемы Галактики:
........................................................................................................................
193
9.5. Многообразие мира галактик. Содержание и значение закона
Хаббла
........................................................................
195 Рис. 9.10. Местная группа галактик
....................................................................................................................
195 Рис. 9.11.
Галактики:.............................................................................................................................................
196
Черные дыры
.............................................................................................................................................................
199 9.6. Сценарий стационарной Вселенной и «Космология Большого
Взрыва»
.....................................................................
199
Рис. 9.12. Схемы, поясняющие модель Большого Взрыва (1—4 —
стадии развития взрыва)....................... 201 9.7. Рождение
частиц по современной модели развития Вселенной
...................................................................................
202 9.8. Модель инфляционной Вселенной. Возникновение во Вселенной
крупномасштабных неоднородностей.............. 203
Рис. 9.13. Инфляционная модель развития Вселенной —
последовательность событий в очень ранней Вселенной
..............................................................................................................................................................
205
Глава 10. КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ, ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И
ЗАРОЖДЕНИЯ СТРУКТУР В МИРЕ
ПЛАНЕТ...............................................................................................................208
10.1. Элементы планетной космогонии
..................................................................................................................................
208 Рис. 10.1. Формирование планет из протосолнечной туманности
...................................................................
210
10.2. Формирование малых тел Солнечной системы, Луны и Земли.
Движения Земли, строение геосфер и изучение процессов
...................................................................................................................................................................................
212 10.3. Распространенность и круговороты химических элементов на
Земле
.......................................................................
216
Рис. 10.2. Относительная распространенность химических элементов
в Солнечной системе в зависимости от порядкового номера
.........................................................................................................................................
217 Рис. 10.3. Схема внутреннего строения Земли с указанием ведущих
химических элементов в каждой
оболочке.................................................................................................................................................................
218
10.4. Модели появления геологических структур на поверхности
Земли
...........................................................................
220 Рис. 10.4. Геохимические циклы Земли:
.............................................................................................................
221 Рис. 10.5. Схема глобальной тектоники Земли (движение вещества
показано стрелками) ........................... 225
10.5. Геохронологическая шкала эволюции
Земли................................................................................................................
225 Рис. 10.6. Биогеологическая история Земли
.......................................................................................................
226
10.6. Самоорганизация при образовании планет и взаимодействии
геосфер......................................................................
228 Рис. 10.7. Земля как большой магнит (траектории заряженных
частиц показаны штриховыми линиями, магнитные силовые линии —
сплошными)........................................................................................................
229
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб.
пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд.,
перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 608
с.
-
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || [email protected] 7
Рис. 10.8. Наглядное представление системы Солнце — межпланетная
среда — Земля .............................. 230 Вопросы для
самопроверки и повторения
..................................................................................................................
232
Глава 11. ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ, СВОЙСТВА И УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ
МАТЕРИИ. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ УРОВЕНЬ
.......................................................................................233
11.1. Общая характеристика науки о живом и развитие традиционной
биологии
............................................................. 233
11.2. Основные свойства живой материи
...............................................................................................................................
236 11.3. Уровни организации живой природы на
Земле.............................................................................................................
238 11.4. Молекулярно-генетический уровень организации живой
материи. Строение и структура макромолекул белков 240
Рис. 11.1. Схема упорядочения структуры белка — свертывание в
глобулу .................................................. 242
11.5. Установление строения и структуры молекул ДНК и РНК
.........................................................................................
243
Рис. 11.2. Структурные формулы пуринов и
пиримидинов:.............................................................................
243 11.6. Молекулярные механизмы генетической репродукции, синтеза
белка и изменчивости ..........................................
245
Рис. 11.3. Репликация молекулы ДНК
................................................................................................................
247 Рис. 11.4. Схема биосинтеза белка:
.....................................................................................................................
248 Рис. 11.5. Процесс транскрипции: синтез РНК на ДНК-матрице
.....................................................................
249 Рис. 11.6. Получение и клонирование рекомбинантной ДНК
..........................................................................
251 Рис. 11.7. Основные этапы передачи генетической
информации.....................................................................
253
11.7. Молекулярный механизм процессов обмена веществ и энергии
................................................................................
254 Рис. 11.9. Схема, поясняющая функции процесса дыхания
(высвобождение энергии, используемой в процессах метаболизма и
образование строительных блоков, из которых в клетке синтезируются
другие соединения)
...........................................................................................................................................................
256
АТФ — это аденозинтрифосфат
..............................................................................................................................
256 Лизосомы
...................................................................................................................................................................
257
11.8. Молекулярные основы воспроизведения генетической
информации и осуществления связи между клетками.... 257 Митоз (от
греч. mitos — нить)
.................................................................................................................................
257 Рис. 11.10. Схема регулирования жизнедеятельности животных
центральной нервной системой и гормональными механизмами
.............................................................................................................................
259
Вопросы для самопроверки и повторения
..................................................................................................................
260 Глава 12. ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ. КОНЦЕПЦИИ
ЭВОЛЮЦИОННОЙ БИОЛОГИИ
.........................................................................................................261
12.1. Основные положения клеточной теории, методы изучения
состава клетки
.............................................................. 261
Клетка.........................................................................................................................................................................
261 Клеточная теория, или цитология (от греч. kytos... — сосуд,
клетка),..................................................................
261 Рис. 12.1. Схема деятельности основных структурных компонентов
клетки ................................................. 262
Размеры
клеток..........................................................................................................................................................
262 Рис. 12.2. Специализация различных
клеток:.....................................................................................................
263
12.2. Строение и функции основных органелл клетки
..........................................................................................................
265 Рис. 12.3. Интенсивность падающего на Землю солнечного
излучения Ηλ в зависимости от длины волны
(а):................................................................................................................................................................................
266 На рис. 12.3, а, б, в
................................................................................................................................................
266
12.3. Функции клеточных мембран. Работа «ионного насоса»
............................................................................................
268 Рис. 12.4. Схема работы ионного насоса через клеточные мембраны
.............................................................
268
12.4. Процессы фотосинтеза и клеточного
дыхания..............................................................................................................
269 Рис. 12.5. Распределение мощности солнечного излучения,
падающего на Землю ....................................... 270 Рис.
12.6. Роль растений в процессе фотосинтеза
..............................................................................................
270 Рис. 12.7. Механизмы фотосинтеза растений: цепь переноса
электрона с образованием АТФ и НАДФ+Н и углеродный цикл
...................................................................................................................................................
271 Рис. 12.8. Продукты световых и темновых реакций фотосинтеза
....................................................................
272 Рис. 12.9. Схема управляющих механизмов клетки
..........................................................................................
274
12.5. Формирование идей эволюции в биологии
...................................................................................................................
274 12.6. Понятие о неодарвинизме и синтетической теории
эволюции....................................................................................
277 12.7. Понятия микро- и макроэволюции. Естественный отбор —
направляющий фактор эволюции .............................. 279
12.8. Основные гипотезы происхождения
живого.................................................................................................................
281
Рис. 12.10. Схема, показывающая возможные пути происхождения
жизни ................................................... 282 12.9.
Концепция происхождения живого по гипотезе
Опарина—Холдейна.......................................................................
284
Рис. 12.11. Схема опыта Миллера по синтезу органических веществ
из смеси метана, аммиака и воды при искровом разряде
..................................................................................................................................................
285
12.10. Современная оценка концепции биохимической эволюции в
биологии..................................................................
287 Концепция Вернадского появилась в 1931 г.
.........................................................................................................
287 Концепция «генобиоза» (информационная) появилась в 50-е гг. в
связи с работами Холдейна. ..................... 287 Концепция
голобиоза, признающая первичность белков, не потеряла своего
значения. .................................. 287 Судьба
коацерватной капли
.....................................................................................................................................
288 Рис. 12.12. Схема гиперкаталитического цикла (по Эйгену)
............................................................................
289
Вопросы для самопроверки и повторения
..................................................................................................................
290 Глава 13. КОНЦЕПЦИИ САМООРГАНИЗАЦИИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ
В
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб.
пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд.,
перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 608
с.
-
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || [email protected] 8
СЛОЖНЫХ СИСТЕМАХ
........................................................................................................................291
13.1. Возникновение упорядоченности в гидродинамике. Понятие хаоса
..........................................................................
291
Хаотические
эффекты,..............................................................................................................................................
291 Рис. 13.1. Пример хаотического движения:
........................................................................................................
293
13.2. Порядок и хаос в больших системах. Понятие фрактала
.............................................................................................
293 Рис. 13.2. Фазовая траектория маятника: без затухания (а) и с
затуханием (б) .............................................. 294
Рис. 13.3. Странный
аттрактор.............................................................................................................................
294
13.3. Пороговый характер самоорганизации и представление о
теории катастроф
........................................................... 296
Рис. 13.4. Примеры проецирования поверхностей на
плоскость:.....................................................................
296
13.4. Математические закономерности эволюции. Понятие
бифуркации...........................................................................
297 Рис. 13.5. К пояснению законов Фейгенбаума:
..................................................................................................
298 Рис. 13.6. Затягивание потери устойчивости при динамической
бифуркации................................................ 299
13.5. Синергетика — новый научный метод
..........................................................................................................................
299 Рис. 13.7. Биспиральные вихревые структуры в закрученных
потоках, проявляющиеся посредством визуализации поля оптической
фазовой плотности (а) и поля скоростей в заданном сечении
(б)............... 301 Рис. 13.8. Визуализированные волновые
структуры на поверхности вращающихся пластин при различных угловых
скоростях и
радиусах:............................................................................................................................
301
13.6. Эволюционная химия. Возникновение упорядоченности в
химических реакциях
................................................... 301 13.7.
Возникновение самоорганизации в морфогенезе
.........................................................................................................
304 13.8. Моделирование отношений между трофическими уровнями в
биоценозах
.............................................................. 305
13.9. Элементы теории самоорганизованной
критичности...................................................................................................
308
Рис. 13.9. Упорядоченные структуры, возникающие на поверхности
песка при развитии сдвиговых деформаций
...........................................................................................................................................................
308 Рис. 13.10. Модель
землетрясения.......................................................................................................................
309
Вопросы для самопроверки и повторения
..................................................................................................................
310 Глава 14. КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НА БИОСФЕРНОМ
УРОВНЕ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ
...............................................................................311
14.1. Биосферный уровень организации жизни. Основы учения
В.И.Вернадского о биосфере .......................................
311 14.2. Распределение на Земле солнечной энергии. Биотический
круговорот
.....................................................................
313
Рис. 14.1. Схема солнечно-земных связей
..........................................................................................................
314 Рис. 14.2. Превращения солнечной энергии
.......................................................................................................
314 Рис. 14.4. Круговорот азота в биосфере
..............................................................................................................
315 Рис. 14.3. Пирамида преобразования энергии (а) и передача
энергии по трофическим уровням (б) ........... 317 Рис. 14.5.
Круговорот органических веществ (в млрд кг) в биосфере:
............................................................
318
14.3. Связи между организмами в экосистеме
.......................................................................................................................
318 Рис. 14.6. Стадии роста и созревания плода растения,
приведенные в относительных размерах, и интенсивности
дыхания........................................................................................................................................
320 Рис. 14.7. Связь между количеством выдыхаемой теплоты и массой
тела...................................................... 320
14.4. Самоорганизация в формировании
климата..................................................................................................................
320 14.5. Концепции эволюции растительного и животного мира
.............................................................................................
324
Рис. 14.8. Биогеохимическая связь эволюции живого и планеты
Земля, представленная в виде «спирали времени»
................................................................................................................................................................
325
14.6. Человек — качественно новая ступень развития биосферы
........................................................................................
327 14.7. Концепции коэволюции и ноосферы
.............................................................................................................................
329 14.8. Естественно-научная картина мира и общественная мысль
........................................................................................
331
Вопросы для самопроверки и повторения
..................................................................................................................
334
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................335
СПИСОК
ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................................................336
ОГЛАВЛЕНИЕ...........................................................................................................................................337
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб.
пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд.,
перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 608
с.
-
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || [email protected] 9
ВВЕДЕНИЕ Естествознание — неотъемлемый компонент культуры,
определяющий мировоззрение человека.
Научное мировоззрение обеспечивает восприятие достижений науки
обществом и устойчивость к манипуляциям общественным сознанием.
Рациональный метод, сформировавшийся в рамках естественных наук,
проникает и в гуманитарную сферу, и в общественную жизнь. Он
существенно дополняет художественный метод познания
действительности.
В 70-е годы ХХ в. шли философские споры о системном подходе наук
к своим объектам. Такой подход требовался в общественных науках,
которые перешли к рассмотрению сложных, многоуровневых систем.
Облик естествознания менялся в общекультурном и историческом
контекстах.
Современная научная картина мира отличается сложностью
рассматриваемых систем. Так, с помощью ЭВМ решаются задачи, которые
не могли быть решены четверть века назад. Оказалось, что в сложных
системах вдали от равновесия могут возникать из хаоса упорядоченные
состояния. Хаос стал выступать созидательным началом,
конструктивным и обязательным механизмом эволюции. В настоящее
время обществу необходимо решать сложные задачи выхода из
многочисленных кризисов, причем пути выхода не должны быть
катастрофическими, фактически — это задачи балансировки между
рисками и безопасностью. Проблемы выбора стратегии связывают с
нелинейной динамикой, разработавшей различные пути перехода от
хаоса к порядку. Явления самоорганизации начали изучаться в
естествознании, экологии, экономике. Будущие специалисты во многих
областях должны получить представление о современной научной
картине мира.
Актуальность курса «Концепции современного естествознания»
созвучна потребностям в целостном взгляде на окружающий мир. Данная
дисциплина введена в учебные планы более чем сорока
социально-экономических и гуманитарных специальностей вузов. Она
является продуктом междисциплинарного синтеза, основанного на
эволюционно-синергетическом подходе. К настоящему времени в
основном определились цели, содержание и структура курса.
Предлагаемое учебное пособие написано в соответствии с
Государственным образовательным стандартом. Методологические
установки и релятивистское миропонимание включены в главы, 3
посвященные формированию научных программ и картин мира, понятий
времени, пространства, движения и, конечно, космологии. Курс
построен без традиционного деления на отдельные дисциплины и
направлен на создание единой картины мира, которая включает
терминологию, язык, сложившиеся понятия и современные достижения.
Для удобства пользования пособием выделено 14 глав по основным
темам.
Сначала в главе 1 рассматриваются вопросы логики познания,
научного метода, процессов формирования картин мира и научных
программ. Показано, как человек сумел расширить границы
непосредственного восприятия мира, создавая методы, приборы,
проникая и в микромир, и в космос; как он сумел узнать и,
сопоставляя, измерить этот огромный мир. Рассмотрены изменения
представлений о пространстве, времени и движении от Декарта,
Галилея и Ньютона до Эйнштейна и его последователей. В главе 2
обсуждаются масштабы Вселенной и ее объектов в пространстве и во
времени, иерархическое строение материи и фундаментальные
взаимодействия. В главе 3 вводятся простейшие модели для описания
движений изолированных систем. С помощью этих моделей описываются
движения в макро- и мегамире; обсуждаются концепции детерминизма и
причинности классической физики. Отмечено, что единство природы и
универсальность ее законов наиболее ярко проявляются в
колебательных и волновых процессах. Показано, как законы сохранения
и принципы симметрии приобретают столь значимый статус в описании и
восприятии природы человеком, как успехи точного естествознания
повлияли на формирование понятий экономической теории. Выделена
роль закона тяготения в становлении идеи единства материального
мира. Глава 4 посвящена динамическим и статистическим
закономерностям окружающего мира. Фактически это — переход от
использования простейших классических моделей к сложным системам,
когда необходимо сопоставлять микроскопическое описание систем с
макроскопическим, когда модельные параметры на микроуровне
сопоставляются с характеристиками сложной системы. Обсуждены начала
термодинамики и основные понятия: теплота, равновесие, внутренняя
энергия, энтропия.
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учеб.
пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 5-е изд.,
перераб. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 608
с.
-
Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || [email protected] 10
Глава 5 посвящена концепции атомизма и ее приложению к
организации материи в микро- и макромире. На примере
корпускулярно-волнового дуализма света и вещества продемонстрирован
переход от наглядного моделирования объектов мира к их объединению.
В главе 6 рассмотрены особенности взаимодействий и структур в
микромире. Уделено особое внимание мировоззренческим установкам так
называемого неклассического описания мира, когда понятие
вероятности становится основным. В главе 7 дается описание строения
вещества от микрочастиц до объектов макромира, а в главе 8 —
концепции взаимодействий и структур 4
объектов микро- и макромира, связанных с изменениями состояний и
процессами. В главе 9 детально рассмотрены процессы в мегамире —
звезды, галактики, Вселенная.
Обсуждаются концепции эволюции во Вселенной. В главе 10
представлена космогония тел Солнечной системы, геологическая и
геохимическая история нашей планеты и ее спутника — Луны.
Затем (глава 11) рассмотрены основные формы, свойства и уровни
организации жизни на Земле, более подробно представлены развитие
биологии как науки о живой материи и традиционной и
физико-химической биологии. Обсуждается самый глубинный уровень
организации живого — молекулярно-генетический. Глава 12 посвящена
онтогенетическому уровню организации жизни. Обсуждаются различные
подуровни (клеточный, тканевый, органный, организменный,
популяционный, видовой), а также концепции эволюции в науке о живом
и биохимические процессы, приведшие к зарождению жизни. Выделены
аналогии при изучении природных систем как систем сложных. В
соответствии с общей направленностью курса после описания объектов
природы, их строения и функций рассмотрены особенности их
эволюции.
В главе 13 изложены основы концепции самоорганизации и
построения теории описания неравновесных процессов в сложных
системах. Показана роль обратных связей в организации процессов,
происходящих в сложных системах, далеких от равновесия. Рассмотрены
примеры возникновения самоорганизации материи в разных предметных
областях. Дано представление о междисциплинарном подходе к изучению
сложных систем — синергетики, теории диссипатичных процессов и
теории катастроф.
В заключительной главе представлены концепции эволюционных
процессов в сложной системе — биосфере Земли. Рассмотрены явления
самоорганизации и инертности человеческого общества и концепция
коэволюции, взаимодействия внутри сложных систем, соотношения в
сообществах и возможности компьютерного моделирования. Дана
характеристика антропному принципу и космическому значению
возникновения жизни на Земле.
Общепризнано, что образование, культура, наука — краеугольные
камни развития общества. По отношению государства к этим трем
сферам легко представить себе его будущее. Страна, недооценивающая
роль указанных сфер, обречена на прозябание в постиндустриальном
мире.
В 1992 г. состоялась беспрецедентная по масштабу и уровню
Международная конференция по устойчивому развитию, на которой было
признано, что существующая парадигма развития цивилизации должна
быть кардинально изменена. В принятом участниками конференции (в
том числе главами правительств и государств) документе «Повестка
дня на XXI век» было признано, 5
что «развитие будет устойчивым», если «удовлетворяются
потребности ныне живущих поколений без лишения возможности
последующих