Контрольная работа: по Концепции современного естествознания 3

1. Кныр В.А. Концепции современного естествознания. Обзорная лекция Хабаровск ТОГУ-ЦДОТ 2008 г.

2. Концепции современного естествознания. Под ред. профессора С. И. Самыгина. Серия «Учебни­ки и учебные пособия» — 4-е изд., перераб. и доп. — Ростов н/Д: «Феникс», 2003. — 448 с.

3. Спиркин А.Г. Философия. — М.: Гардарики, 2000. — 368 с.

4. Шкловский И. С. Проблемы современной астрофизики. М.: Наука,

5. Куликовский Т.П.. Звездная астрономия. М., 1978.

6. Новиков. И.Д. Эволюция вселенной. М., 1983.

7. Шкловский И.С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. М.: Наука, 1977.

1. Панорама современного естествознания

1.1.Введение.

В XX в. естествознание развивалось невероятно быстрыми темпами, что обусловливалось потребностями практики. Промышленность требовала новых технологий, в основе которых лежало естественнонаучное знание.

Естествознание - наука о явлениях и законах природы. Современное естествознание включает множество естественнонаучных отраслей: физику, химию, биологию, физическую химию, биофизику, биохимию, геохимию и др. Оно охватывает широкий спектр вопросов о разнообразных свойствах объектов природы, которую можно рассматривать как единое целое. Огромное ветвистое древо естествознания медленно произрастало из натурфилософии - философии природы, представляющей собой умозрительное истолкование природных явлений и процессов. Поступательное развитие экспериментального естествознания привело к постепенному перерастанию натурфилософии в естественнонаучные знания, и как результат — феноменальные достижения во всех областях науки и, прежде всего, в естествознании, которыми так богато ушедшее XX столетие.

1.2 Физика – микромир, макромир, мегамир.

В недрах натурфилософии зарождалась физика - наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Физика - основа естествознания. В соответствии с многообразием исследуемых форм материи, и ее движения она подразделяется на физику элементарных частиц, ядерную физику, физику плазмы и т. д. Она знакомит нас с наиболее общими законами природы, управляющими течением процессов в окружающем нас мире и во Вселенной в целом. Цель физики заключается в отыскании общих законов природы и в объяснении конкретных процессов на их основе. По мере продвижения к этой цели перед учеными постепенно вырисовывалась величественная и сложная картина единства природы. Мир представляет собой не совокупность разрозненных, независимых друг от друга событий, а разнообразные и многочисленные проявления одного целого. Микромир . В 1900г. немецкий физик Макс Планк предложил совершенно новый подход - квантовый, основанный на дискретной концепции. Он впервые ввел Квантовую гипотезу и вошел в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории . С введением квантовой концепции начинается - этап современной физики, включающий не только квантовые, но и классические представления. На основании квантовой механики объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц - появились новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие. В первые десятилетия XX в. исследовалась радиоактивность, и выдвигались идеи о строении атомного ядра. В 1938г. сделано важное открытие: немецкие радиохимики О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили деление ядер урана при облучении их нейтронами. Это открытие способствовало бурному развитию ядерной физики, созданию ядерного оружия и рождению атомной энергетики. Одно из крупнейших достижений физики XX в. - это, безусловно, создание в 1947г. транзистора выдающимися американскими физиками Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли. С развитием физики полупроводников и созданием транзистора зарождалась новая технология - полупроводниковая, а вместе с ней и перспективная, бурно развивающаяся отрасль естествознания - микроэлектроника. Представления об атомах и их строении за последние сто лет изменились радикально. В конце XIX — начале XX вв. в физике были сделаны выдающиеся открытия, разрушившие прежние представле­ния о строении материи. Открытие электрона (1897г.), за­тем протона, фотона и нейтрона показали, что атом име­ет сложную структуру. Исследование строения атома ста­новится важнейшей задачей физики XX века. После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 году нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц. В том чис­ле: позитрон, (античастица электрона); мезоны — неста­бильные микрочастицы; различного рода гипероны — не­стабильные микрочастицы с массами больше массы нейт­рона; частицы резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10^-22 -10^-24 с); нейтрино — стабильная, не имеющая электрического заряда частица, обладающая поч­ти невероятной проницаемостью; антинейтрино — антича­стица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного заряда, и др.

Элементарные частицы в настоящее время обычно раз­деляют на следующие классы:

1. Фотоны — кванты электромагнитного поля, части­цы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электромагнитном.

2. Лептоны (от греч. leptos — легкий), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают силь­ным взаимодействием, но участвуют в слабом взаимодей­ствии, а имеющие электрический заряд — также и в элект­ромагнитном взаимодействии.

3. Мезоны — сильно взаимодействующие нестабильные частицы.

4. Барионы (от греч. barys — тяжелый), в состав кото­рых входят нуклоны (нестабильные частицы с массами, большими массы нейтрона), гипероны, многие из резонансов. Приблизительно в 1963-1964 годах появилась гипотеза о существовании кварков — частиц, из которых состоят барионы и мезоны, являющиеся сильно взаимодействую­щими и по этому свойству объединенными общим назва­нием адронов. Кварки имеют весьма необычные свойства: обладают дробными электрическими зарядами, что не ха­рактерно для других микрочастиц, и, по-видимому, не мо­гут существовать в свободном, не связанном виде. Число различных кварков, отличающихся друг от друга величи­ной и знаком электрического заряда и некоторыми други­ми признаками, достигает уже нескольких десятков.

Мегамир. Теория Большого Взрыва. В 1946-1948 гг. Г. Гамов разработал теорию горячей Вселенной (модель Большого Взрыва). Согласно этой модели вся Вселенная 15 млрд. лет назад (по другим оценкам 18 млрд. лет) была сжата в точку с бесконечно большой плотностью (не меньше чем 10⁹³ г/см³ ). Такое состояние называется сингулярностью , законы физики к нему не применимы . Причины возникновения такого состояния и характер пребывания материи в этом состоянии остаются неясными. Это состояние оказалось неустойчивым, в результате произошел взрыв и скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной. В момент Большого Взрыва Вселенная мгновенно нагрелась до очень высокой температуры более 10²⁸ К. Уже через 10^-4 с после Большого Взрыва плотность во Вселенной падает до 10¹⁴ г/см³ . При такой высокой температуре (выше темпера­туры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут . Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых пре­обладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 секунды пос­ле взрыва, несмотря на очень высокую температуру, была огромной: в 4000 миллионов раз больше, чем у воды. В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд. градусов (10⁹ К). Плотность вещества также снизилась, но еще была близкой к плотности воды. При этой, хотя и очень высокой, температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого водорода (дейтерия) и ядра гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут со­стояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Только по истечении нескольких сотен тысяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия. Силы гравитации превращали газ в сгустки, ставшие мате­риалом для возникновения галактик и звезд.

Таким образом, физика XX века давала все более глу­бокое обоснование идеи развития. Макромир. В макрофизике можно выделить достижения в трех направлениях: в области электроники (микросхемы), в области создания лазеров и их применения, области высокотемпературной сверхпроводимости. Слово “лазер” представляет собой аббревиатуру английской фразы “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, переводимой как усиление света в результате вынужденного (индуцированного) излучения . Гипотеза о существовании индуцированного излучения была высказана в 1917 г. А Эйнштейном. Советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длинной волны l=1,27 см. Первым квантовым генератором был рубиновый твердотельный лазер. Также были созданы: газовые, полупроводниковые, жидкостные, газодинамические, кольцевые (бегущей волны).

Лазеры нашли широкое применение в науке – основной инструмент в нелинейной оптике , когда вещества прозрачные или нет для потока обычного света меняют свои свойства на противоположные.Лазеры позволили осуществить новый метод получения объемных и цветных изображений, названный голографией , широко применяются в медицине , особенно в офтальмологии , хирургии и онкологии , способные создать малое пятно, благодаря высокой монохроматичности и направленности.

Лазерная обработка металлов . Возможность получать с помощью лазеров световые пучки высокой мощности до 10¹² –10¹⁶ вт/см² при фокусировки излучения в пятно диаметром до 10-100 мкм делает лазер мощным средством обработки оптически непрозрачных материалов, недоступных для обработки обычными методами (газовая и дуговая сварка). Это позволяет осуществлять новые технологические операции, например, просверливание очень узких каналов в тугоплавких материалах, различные операции при изготовлении пленочных микросхем, а также увеличения скорости обработки деталей. При пробивании отверстий в алмазных кругах сокращает время обработки одного круга с 2-3 дней до 2 мин. Наиболее широко применяется лазер в микроэлектронике, где предпочтительна сварка соединений, а не пайка. Лазерная связь и локация . По сравнению с существующими средствами радиосвязи и радиолокации лазерные обладают двумя основными преимуществами: узкой направленностью передачи и широкой полосой пропускания передаваемых частот. Сам лазер создает направленный луч (расходимостью ~10'), а применение оптической системы позволяет сформировать еще более параллельный луч (расходимостью ~2-3''). Один лазерный луч позволяет передавать сигнал в полосе частот ~100 Мгц. Это дает возможность одновременной передачи 200 телевизионных каналов. Лазерная локация применяется также в геофизике для определения высоты облаков, исследовании инверсионных и аэрозольных слоев в атмосфере, турбулентности и т.п. Лазерные системы навигации и обеспечения безопасности полетов . Одним из основных элементов инерциальных систем навигации, широко используемых в авиации, являются гироскопы , которые в основном и определяют точность системы. Лазеры успешно применяются как измерители скорости полета (воздушной и путевой), высотомеры . Лазерные курсоглиссадные системы обеспечивают безопасность полетов , связанную с увеличением точности систем посадки, снижения ограничений по метеоусловиям, обеспечением больших удобств работы экипажа при выполнении такого ответственного участка полета, как посадка. Лазерные системы управления оружием резко повысили точность попадания. Лазерная полуактивная система наведения состоит из лазерного целеуказателя (лазерной системы подсвета цели) и боеприпаса с лазерной головкой самонаведения.

Высокотемпературные сверхпроводники (Высокие T_c ) — семейство материалов (сверхпроводящих керамик) с общей структурной особенностью, относительно хорошо разделёнными медно-кислородными плоскостями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди всех известных сверхпроводников. Нормальное (и сверхпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ (Теория Бардина, Купера, Шриффера). Последовательной теории сверхпроводимости в купратах в настоящее время не существует; однако, проблема привела ко многим экспериментальным и теоретическим результатам, и интерес в этой области — не только в достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. За экспериментальное открытие первого высокотемпературного сверхпроводника в 1987 была присуждена Нобелевская премия.

2. Достижения в основных направлениях современной химии.

Химию принято подразделять на пять разделов : неор­ганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений.

Основными задачами неорганической химии являются: изучение строения соединений, установление связи строе­ния со свойствами и реакционной способностью, разработка методов синтеза и глубокой очистки ве­ществ. Большое внимание уделяется кинетике и механизму неорганических реакций, их каталитическому ускорению и замедлению. Для синтезов все чаще применяют методы физического воздействия: сверхвысокие температуры и давления, ионизирующее излучение, ультразвук, магнитные поля. Химические реакции часто сочетают с получением волокнистых, слоистых и монокрис­таллических материалов, с изготовлением электронных схем. Неорганические соединения применяются как конст­рукционные материалы для всех отраслей промышленнос­ти , включая космическую технику, как удобрение и кормо­вые добавки, ядерное и ракетное топливо, фармацевтиче­ские материалы.

Органическая химия — наиболее крупный раздел хи­мической науки. Если число известных неорганических веществ исчисляется тысячами, то органических веществ известно несколько миллионов. Общепризнано огромное значение химии полимеров. Так, еще в 1910 году С.В. Ле­бедев разработал промышленный способ получения бута­диена, а из него каучука. В 1936 году У. Карозерс синтезирует «найлон», открыв новый тип синтетических полимеров — полиамиды. В 1938 году Р. Планкет случайно открывает тефлон, со­здавший эпоху синтеза фторполимеров с уникальной термостабильностью, создаются «вечные» смазочные масла (пластмассы и эластомеры), широко используемые косми­ческой и реактивной техникой, химической и электротех­нической промышленностью. Благодаря этим и многим другим открытиям из органической химии выросла химия высокомолекулярных соединений (или полимеров). Начавшиеся в 30-40-е годы широкие исследования фосфорорганических соединений (А.Е. Арбузов) привели к открытию новых типов физиологически активных соеди­нений — лекарственных препаратов, отравляющих ве­ществ, средств защиты растений и др.Химия красителей практически дала начало химиче­ской индустрии. Например, химия ароматических и гетеро­циклических соединений создала первую отрасль химиче­ской промышленности, продукция которой ныне превосхо­дит 1 млрд. тонн, и породила новые отрасли — произ­водство душистых и лекарственных веществ. Проникновение органической химии в смежные облас­ти — биохимию, биологию, медицину, сельское хозяйство — привело к изучению свойств, установлению структуры и синтезу витаминов, белков, нуклеиновых кислот, антибио­тиков, новых средств ускорения роста растений и средств борьбы с вредителями. Роль органической химии в биохимии трудно переоце­нить. Так, в 1963 году В. Виньо синтезировал инсулин, также были синтезированы окситоцин (пептидный гормон), вазопрессин (гормон обладает антидиуретическим действи­ем), брадикинин (обладает сосудорасширяющим действи­ем). Разработаны полуавтоматические методы синтеза по­липептидов (Р. Мерифилд, 1962). Вершиной достижений органической химии в генной инженерии явился первый синтез активного гена (X. Ко­рана, 1976). В 1977 году синтезирован ген, кодирующий синтез человеческого инсулина, а в 1978-м — ген соматостатина (способен угнетать секрецию инсулина, пептидный гормон). Физическая химия объясняет химические явления и устанавливает их общие закономерности. Физическая хи­мия последних десятилетий характеризуется следующими чертами: в результате развития квантовой химии (исполь­зует идеи и методы квантовой физики для объяснения химических явлений) многие проблемы химического строения веществ и механизма реакций решаются на основании теоретических расчетов; наряду с этим широко использу­ются физические методы исследования — рентгеноструктурный анализ, дифракция электронов, спектроскопия, ме­тоды, основанные на применении изотопов и др.

Аналитическая химия рассматривает принципы и ме­тоды изучения химического состава вещества. Включает количественный и качественный анализ. Современные ме­тоды аналитической химии связаны с необходимостью по­лучения полупроводниковых и других материалов высо­кой частоты. Для решения этих задач были разработаны чувствительные методы: активационный анализ, химикоспектральный анализ и др.

Современная химия предстает перед нами как исклю­чительно многогранная и разветвленная система знаний, для которой характерно интенсивное развитие. Важней­шим стратегическим ориентиром этого процесса является все более тесный синтез химии как науки и химии как технологии промышленного производства.

3. Достижения в области биологии

Современная биология основывается на тех достижениях , которые были сделаны в этой науке во второй половине XIX в.: создание Ч. Дарвином эволюционного учения, основополагающие работы К. Бернара в области физиологии, важнейшие исследования Л. Пастера, Р. Коха и И.И. Мечникова в области микробиологии и иммунологии, работы И.М. Сеченова и И.И. Павлова в области высшей нервной деятельности и, наконец, блестящие работы Г. Менделя, хотя и не получившие известности до начала XX в., но уже выполненные их выдающимся автором.

Развитие генетики после этого происходило быстро. Был принят принцип дискретности в явлениях наследственности, открытый еще Менделем; опыты по изучению закономерностей наследования потомками свойств и признаков родителей были значительно расширены. Было принято понятие «ген», введенное известным датским биологом Вильгельмом Иогансоном (1857-1927) в 1909 г. и означающее единицу наследственного материала, ответственного за передачу по наследству определенного признака.