Концепции современного естествознания

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Введение

Основное содержание дисциплины «Концепции современного естествознания». в соответствии с ГОС должно включать в себя следующие разделы: естественнонаучная и гуманитарная культура; научный метод; история естествознания; панорама современного естествознания; тенденции развития; корпускулярная и континуальная концепции описания природы; порядок и беспорядок в природе; хаос; структурные уровни организации материи; микро-, макро- и мегамиры; пространство, время; принципы относительности; принципы симметрии; законы сохранения; близкодействие, дальнодействие; состояние; принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности; динамические и статистические закономерности в природе; законы сохранения энергии в макроскопических процессах; принципы возрастания энтропии; химические системы; энергетика химических процессов, реакционная способность веществ; особенности биологического уровня организации материи; принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем; многообразие живых организмов –  основа организации и устойчивости биосферы; генетика и эволюция; человек: физиология, здоровье, эмоции, творчество, работоспособность, биоэтика; человек, биосфера и космические циклы; ноосфера, необратимость времени; самоорганизация в живой и неживой природе; принципы универсального эволюционизма; путь к единой культуре.

 Как следует из приведенного перечня, дисциплина «Концепции современного естествознания» энциклопедична по своей сути, а материал, подлежащий изучению в рамках этой дисциплины очень трудно изложить в одном учебнике приемлемого объема. Возможно, по этой причине многочисленные учебники и учебные пособия по данной дисциплине так сильно разнятся между собой.

Естествознание всегда было и остается ядром науки, которую по праву считают наиболее значимым духовным достижением человечества, важнейшим компонентом человеческой культуры. Человек, не интересующийся достижениями естественных наук, в наше время не только не может считать себя образованным и культурным, но и вряд ли достигнет больших успехов в своей профессии, какой бы далекой от естествознания она не казалась.

Научно-технический прогресс, основанный в первую очередь на достижениях  естественных наук, предъявляет все более высокие требования не только к инженерно-техническим работникам, но и к финансистам и менеджерам, политикам и социологам, юристам и предпринимателям. Современный деловой человек должен хорошо ориентироваться в достижениях науки и техники, предвидеть возможные варианты изменений в конкретных областях деятельности, оценивать перспективы вложения средств. Зная законы развития природных систем, легче ориентироваться в выборе путей развития и совершенствования деятельности конкретных социальных систем.

Предлагаемый в данном учебном пособии минимум сведений из естествознания должен быть, несомненно, полезен для студентов гуманитарных специальностей, должен способствовать расширению их кругозора и повышению культуры мышления. Однако более важной задачей дисциплины является формирование научного мировоззрения, которое во многом определяется наличием хотя бы самых общих представлений о научной картине мира, знакомством с наиболее общими концепциями, которые выработало естествознание за свою многовековую историю.

Актуальность формирования научного мировоззрения в известной мере обусловлена и тем обстоятельством, что в последнее время все большее распространение (в том числе и через средства массовой информации) получают всевозможные ненаучные виды знания: магия, астрология, различные мистические и эзотерические учения. Пропаганда подобных учений (равно как и религиозная пропаганда), вытесняет естественнонаучную картину мира на периферию сознания будущих специалистов-гуманитариев, препятствует формированию рационалистического видения мира и способности методологически правильно применять естественнонаучные знания в своей  профессиональной деятельности.

Естествознание – это та часть науки, тот ее раздел, который направлен на изучение окружающего мира в его естественном состоянии. Физика и химия, география и геология, астрономия и астрофизика, биология и генетика, физиология и психология – эти и огромное множество других наук, изучающих различные материальные системы, в том числе нашу планету, Космос, живое вещество и самого человека как высшее творение природы, – составляют современное естествознание.

Когда говорят – современное, современность, то обычно понимают нынешнее состояние вещей. Однако изучать только последние научные данные и достижения естествознания вряд ли имеет смысл, т.к. современная наука –  это и все то, что лежит в ее основе, ее краеугольные камни, заложенные предшествующими поколениями ученых. Наука, как и весь наш мир, это не набор отдельных, мало связанных между собой частей и фрагментов, а нечто  целое, несмотря на огромное разнообразие и разновременность появления составляющих ее отдельных научных дисциплин.

Научное исследование – это достаточно сложный процесс, его результатами на разных этапах могут быть эмпирические обобщения, гипотезы, модели, законы, теории (каждое из этих понятий имеет свой вполне определенный смысл). Наиболее значимые из научных достижений, те основополагающие научные идеи, которыми руководствуются в дальнейшем другие исследователи, можно определить общим словом – концепции (от лат. conceptus – понятие,  conceptio – понимание). Определение данного понятия, которое можно найти в энциклопедических словарях, звучит так: «Концепция –  это определенный способ понимания, трактовки какого-либо предмета, явления, процесса, руководящая идея для их систематического освещения, ведущий замысел, …».

Время от времени в науке (как и в любой другой области человеческой деятельности) возникает вопрос о правомерности той или иной концепции, на смену одним концепциям, зачастую после весьма ожесточенной борьбы, приходят другие. Необходимость нового концептуального подхода чаще всего возникает в силу того, что в процессе развития любой области знаний объем накопленной информации непрерывно (и с постоянно возрастающей скоростью) увеличивается. Возникающая на какой-то стадии задача сведения огромных массивов разнообразной информации в единую систему, согласования большого числа различных фактов, точек зрения, гипотез и т. п., часто не только слабо связанных между собой, но и противоречащих друг другу, в ряде случаев может быть решена только на основе новой концепции.

Огромное многообразие объектов исследования в естествознании, в качестве которых выступают самые разные материальные объекты (не только предметы, но и связанные с ними явления и процессы), предопределяет необходимость классификации как форм организации (форм движения) материи, так и самих объектов.

С учетом специфики материальных объектов и наличия общих (для выделенной общности объектов) законов и принципов движения формы организации материи подразделяют на три уровня:

 - неорганическая (неживая) материя;

- живое вещество;

- общество.

Объекты материального мира в зависимости от размеров также принято  относить к одному и трех типов миров:

- микромир (мир микроорганизмов, клеток, молекул, атомов и элементарных частиц);

- макромир (мир предметов, которые наиболее доступны для наблюдения и наиболее изучены в силу того, что их размеры соизмеримы с размерами самого наблюдателя);

- мегамир (мир планет, звезд, галактик и более крупных космических образований).

Главной задачей дисциплины является ознакомление с основными понятиями и проблемами современного естествознания, освещение и раскрытие  наиболее значимых концепций  естествознания и науки в целом. Основное внимание уделяется рассмотрению наиболее общих принципов Природы,  позволяющих понять ее как единое целое. Речь идет о тех  законах и закономерностях, которые справедливы для материальных объектов (систем) независимо от их размеров, формы организации материи и других специфических особенностей.

Методологическим стержнем курса является использование системного и эволюционно-синергетического подходов при рассмотрении и анализе явлений и процессов материального мира. Усвоение этих методов должно оказать реальную помощь будущим специалистам, как в осмыслении диалектической противоречивости  развивающегося мира, так и при решении конкретных практических задач.

1. Научное знание и научный метод

Естественнонаучное и гуманитарное знание: проблема двух культур. Идея расчленения мира науки на две части (на науки о природе  и науки о духе) впервые была сформулирована немецким философом В. Дильтеем в конце XIX века. А в 60-х годах прошлого столетия известный английский писатель Ч. Сноу впервые заявил не только о существовании «двух культур», но и об их конфликте.

Противостояние естественнонаучной и гуманитарной культур возникло не случайно, в первую очередь, оно обусловлено спецификой объектов и методов исследования. Кроме того, в природе действуют стихийные процессы, а изменения в обществе зачастую происходят благодаря интеллекту или воле отдельных людей. Поведение природных объектов чаще всего однозначно определяется теми или иными законами, а о предсказуемости поведения конкретного человека или группы людей говорить очень сложно. Нельзя не отметить и двойственный характер мира культуры, суть этой двойственности заключается в том, что мир человеческой культуры не соседствует с миром природы, а существует внутри него, является его частью.

В вопросе о соотношении естествознания и гуманитарного знания есть несколько точек зрения. Сторонники одной из них считают, что естествознание с его точными методами исследования должно быть образцом для гуманитарного знания. Радикальные представители подобных взглядов (т.н. позитивисты) считают идеалом науки математическую физику, а методом построения любого научного знания – аксиоматико-дедуктивный метод. Защитники противоположной точки зрения не без оснований утверждают, что подобный подход не учитывает всей сложности и специфики гуманитарных наук и поэтому является для них непродуктивным. Крайние сторонники таких взглядов  отказываются признавать какую-либо общность гуманитарного и естественнонаучного знания. Наиболее взвешенной представляется та точка зрения, согласно которой науки о природе и науки о духе различаются по предмету и методу, но при этом признается научный характер обеих сфер исследования.

В последние десятилетия естествоиспытатели и гуманитарии все больше стремятся понять и использовать методы друг друга. В гуманитарных исследованиях все чаще применяется системный подход, используются концепции эволюции и самоорганизации, методы кибернетики и теории информации. Гуманитарии начинают понимать не только важность и необходимость использования технических и информационных средств, но и эффективность тех методов исследования, которые были разработаны в рамках естествознания. С другой стороны, становится все более понятной ущербность однобокого технократического подхода к решению даже узкопрофессиональных задач естественнонаучного характера, важность осознания единства мира и наличия взаимосвязей между явлениями и процессами, происходящими в различных его сферах.

Дифференциация и интеграция научного знания. В развитии науки отчетливо прослеживаются две противоположные, и в то же время взаимодополняющие тенденции. Первая из этих тенденций – дифференциации, т.е. движение по пути специализации, по пути отделения (и отдаления) наук друг от друга, имеет многовековую историю, эта тенденция до конца Х1Х в. преобладала в развитии науки. В результате дифференциации (известный математик Д. Гильберт назвал этот процесс растеканием реки знаний) объект науки оказался расчлененным на множество составляющих – число отдельных научных дисциплин в конце ХХ в. составляло около 15 тысяч.

Дробление науки – это неминуемый этап и весьма эффективный метод познания: не изучив части, невозможно понять целое. По мере специализации науки методы и инструменты исследований становятся все более тонкими, совершенствуются оснащение науки, методы наблюдений и регистрации,  математический аппарат, бурно развиваются численные методы эксперимента. Однако с повышением филигранности научные исследования становятся все уже, поэтому в ряде случаев их результаты интересуют лишь небольшую группу ученых, работающих в том же направлении.

Легко понять, что тщательному анализу могут быть подвергнуты только отдельные фрагменты реального мира. Не менее понятно и то, что, изучая только фрагменты, легко упустить из виду связи между ними, а также связи  между изучаемыми объектами и окружающей их средой. Суть противоречия заключается в том, что наука фрагментарна, а реальный мир представляет собой некую целостность, все части которой тесно взаимосвязаны.

В основе процессов интеграции, которая в настоящее время является ведущей тенденцией развития естественнонаучного знания, лежат несколько факторов. Во-первых, для объяснения тех или иных полученных результатов или с целью получения новых результатов в рамках какой-либо конкретной науки весьма полезным может оказаться использование методов и средств, разработанных ранее в рамках других наук. Многие научные методы используются учеными самых различных специальностей. В результате происходит сближение наук, границы между ними иногда размываются, время от времени появляются т.н. «смежные» научные дисциплины.

Второй фактор, способствующий интенсификации интеграционных процессов, связан с тем, что с течением времени ученым приходится решать все более и более сложные задачи. Проблемы, стоящие перед современной наукой – это, как правило, проблемы комплексного характера, для их решения требуются ученые самых различных научных направлений. С этим  же фактором связано появление теорий общеметодологического характера, таких как кибернетика, синергетика или общая теория систем.

Суть третьего фактора заключается в том, что поиск неких «объединительных» принципов, законов и теорий, к которым можно было бы свести огромное многообразие природных явлений, является одной из основных задач любой фундаментальной науки (и целью научной деятельности каждого ученого).

Критерии научного знания. Понятие научной парадигмы. Для того, чтобы ответить на вопрос, является ли то или иное знание научным, необходимо определить критерии научности (критерии отделения научного знания от ненаучного). К основным критериям подобного рода относят критерии верификации (от лат. verus – истинный, и facio – делаю) и фальсификации. Верифицируемость знания означает возможность его проверки эмпирическим путем, а фальсифицируемость (возможность фальсификации) – возможность его экспериментального опровержения.  

В современно науковедении используются и другие гносеологические критерии отличия и предпочтения знания – полезность, систематичность, непротиворечивость, когерентность, простота, красота.

С середины XX века разграничение научного и ненаучного знания перестали связывать с определением четких границ раздела, решение этой проблемы базируется теперь на определении соответствия нового знания господствующему в данное время научному мировоззрению. С этой целью американский ученый Т. Кун  ввел понятие «парадигма» (от греч. paradeigma – образец, пример). Парадигма – это совокупность общепризнанных исходных концептуальных научных положений. На основе парадигм формируются принципы и критерии научного знания. Со сменой парадигм происходит смена стандартов научного знания, поэтому научные теории, сформулированные в рамках разных парадигм, не могут быть корректно сопоставлены, поскольку они основаны на разных стандартах научного знания.

Характеристики и структура научного знания. Познание (последовательное движение к знанию) может существовать не только в форме интересующего нас научного знания (науки), но и в других формах, таких как обыденное знание, мифологическое знание, искусство, ремёсла и пр. Достаточно широкое распространение, к сожалению, имеет и т.н. псевдонаучное знание (астрология, магия, экстрасенсорика и т.п.). Отметим, что научное знание далеко не всегда является истинным, примером научного знания, истинность которого под вопросом, является любая научная гипотеза. К основным характерным особенностям научного знания, отличающих его от других форм, относят рациональность, объективность, доказательность, структуированность и др.

Рассматривая научное знание как систему, в его структуре следует выделить два основных компонента и два способа ведения исследований: эмпирический (экспериментальный) и теоретический. Важным элементом этой структуры является также мировоззренческий (концептуальный) компонент.

Эмпирический способ научного познания основан на непосредственном изучении реально существующих объектов исследования и осуществляется на основе сбора информации об исследуемых объектах путем проведения наблюдений, выполнения различных измерений, постановки экспериментов и обработки их результатов.

Теоретический подход к научному познанию, основанный на обобщении исходных экспериментальных данных (научных фактов), имеет целью найти и сформулировать закономерности, присущие изучаемым (наблюдаемым) объектам. Результатами теоретических исследований являются гипотезы, принципы, закономерности и законы, теоремы, теории и т.п. Теоретическое знание почти всегда в значительной степени базируется на результатах экспериментов, однако эти результаты можно осмысливать, интерпретировать и обобщать, исходя из различных теоретических предпосылок.  

Мировоззренческий компонент научного знания включает в себя не только общие представления об окружающем мире, но и стиль мышления, основанный на нормах и критериях научного исследования, а также философские основания (идеи, принципы, идеалы и нормы научного знания), обеспечивающие согласование научных результатов с общепринятой парадигмой или обосновывающие отказ от нее.

Методы и методология познания. Термин «метод» (от греч. methodos – путь к чему-либо) в общем случае означает способ достижения какой-либо цели. Английский философ Ф. Бэкон, характеризуя метод применительно к процессу познания, уподоблял его фонарю, который освещает в ночи дорогу путнику.

Научный метод – это определенная совокупность приемов, процедур и операций практического или теоретического познания действительности. Любой научный метод основан на системе принципов, следуя которым исследователь может достичь поставленной цели. Владение методом означает не только знание того, как и в какой последовательности совершать определенные действия для решения поставленной задачи, но и умение эти действия совершить. По степени общности и широте применения в научных исследованиях методы научного познания подразделяют на три уровня: всеобщие (диалектический и метафизический методы), общенаучные и частнонаучные ( применяются только в конкретных (частных) науках.

Рассмотрим более подробно общенаучные методы. Некоторые из них, такие как наблюдение, измерение и эксперимент, применяются только при эмпирическом подходе к исследованиям. Другие методы, такие как идеализация, формализация, индукция и дедукция, наоборот, используются только при теоретическом подходе. Есть и такие методы, которые являются универсальными в том смысле, что их можно использовать при проведении как теоретических, так и экспериментальных исследований. К универсальным методам можно отнести, в частности, моделирование, анализ, синтез, поиск аналогий.

Общенаучные методы эмпирического познания. Наблюдение - это чувственное (преимущественно визуальное, в том числе с использованием технических средств) осознанное отражение исследователем (наблюдателем) объектов окружающей действительности. Как правили, наблюдение заключается в сборе первичной информации путем непосредственной регистрации  параметров и характеристик исследуемых объектов.

Исследуемый объект в большинстве случаев недостаточно только наблюдать. Необходимо также составить его научное описание, в котором подробно, достоверно и объективно должны быть зафиксированы те качества наблюдаемого объекта, которые относятся к предмету изучения. Используемые в описании термины должны иметь четкий смысл и быть понятными для разных исследователей.

Целью измерений является определение количественных характеристик тех или иных свойств изучаемого объекта при помощи специальных технических средств (измерительных устройств). Измерение является необходимым компонентом большинства научных экспериментов. Результатом измерения является количественная величина – некоторое число, соотнесенное с единицей измерения. Единица измерения – это эталон, с которым сравнивается измеряемая характеристика объекта. Единицы измерения подразделяются на основные  (независимые) единицы, которые служат базисными при построении системы единиц, и производные, которые образуются из базисных единиц путем математических преобразований.

Эксперимент, являющийся основным методом эмпирического способа познания, основан на активном, целенаправленном, контролируемом и результативном воздействии  на исследуемый объект. Основное отличие эксперимента от наблюдения состоит в том, что при наблюдении ученый лишь пассивно следит за объектом исследования, в то время как экспериментатор может его изменять, преобразовывать, ставить в специально созданные искусственные условия, целенаправленно вмешиваясь в ход событий.  

Общенаучные методы теоретического познания. Возникновение и разработка научных теорий неразрывно связаны с процессами идеализации и абстрагирования, в результате которых рождаются научные понятия, а те, в свою очередь, требуют формулирования научных терминов.

Понятие – это логически оформленная наиболее общая мысль об объекте, оно является отражением объекта в части его наиболее существенных свойств и отношений. Термин - слово или словосочетание, предназначенное для обозначения определенного понятия. Возникновение и существование понятия невозможно, если нет его названия (соответствующего ему термина). Научные понятия и термины формируются главным образом в результате абстрагирования (формирования абстракций). Используются при этом и такие методы, как сравнение, анализ, синтез, обобщение и др.

 Абстракция – это результат мысленного отвлечения от действительности, основанный на мысленном выделении наиболее существенных (устойчиво повторяющихся) и отвлечении от других (несущественных, частных) признаков, свойств и связей объекта. В результате абстрагирования рождается новый (искусственный, абстрактный) объект, который хотя и аналогичен реальному объекту, но является по сравнению с ним в значительной мере упрощенным, т.к. из рассмотрения исключаются различного рода побочные факторы. В качестве примеров абстракций можно привести такие как «абсолютно черное тело», «абсолютно упругая жидкость», «идеальный газ», «закрытая система» и т.п. Отметим, что для создания абстрактного объекта необязательно использовать реальные свойства и отношения реальных объектов. Примерами подобных абстракций, весьма широко используемых при построении различных естественнонаучных теорий, являются такие гипотетические объекты как «бесконечно малая величина» и «материальная точка». Отметим, что диапазон применения подобных понятий очень широк. Так, например, понятие материальной точки используется не только при решении задач статистической механики или атомной физики, но и при описании движения таких больших тел, как планеты и звезды.

Использование абстракций особенно продуктивно при реализации такого метода теоретического познания, как мысленный эксперимент, т.к. в рамках этого специфического метода ученые вынуждены оперировать абстрактными объектами, замещающими реальные. Чаще всего мысленный эксперимент является предварительным (виртуальным) вариантом реального эксперимента с тем или иным материальным объектом, однако он может играть и значительную самостоятельную роль в процессе научного познания. Кроме того, существуют такие ситуации, когда проведение реальных экспериментов является принципиально невозможным, в этих случаях мысленный эксперимент является единственно возможным.

Анализ и синтез, индукция и дедукция.  Анализ (от греч. analysis – разложение) – расчленение, разделение (мысленное или реальное) исследуемого объекта на части (компоненты) с целью их отдельного изучения. Анализ является важным и  необходимым компонентом познания, однако для постижения сущности объекта как единого целого нельзя ограничиваться изучением лишь его частей. Анализ должен быть дополнен изучением объекта исследования как единого целого, для чего необходимо раскрыть существующие связи между компонентами объекта, рассматривать их в совокупности, в единстве и во взаимозависимости. Другими словами, анализ должен быть дополнен  синтезом.

Синтез (от греч. synthesis – соединение) – метод познания, противоположный анализу, его суть заключается в соединении (мысленном или реальном) отдельных элементов объекта в единое целое (систему). Синтез не должен сводиться к механическому соединению разъединенных элементов, этот метод предполагает установление места и функции каждого элемента и установление связей между ними.

Таким образом, анализ и синтез не являются оторванными друг от друга методологическими процедурами, выступая в органическом единстве, они, по существу, представляют собой две стороны единого (аналитико-синтетического) метода познания. При проведении гуманитарных и социально-экономических исследований объекты исследования могут быть подвергнуты лишь мысленному расчленению и воссоединению, однако в естественных науках анализ и синтез используются не только теоретически, но и практически.

Индукция (от лат. inductio – наведение) – метод познания, основанный на таких умозаключениях, результатом которых является получение какого-либо общего вывода (утверждения) на основе исходных частных посылок (фактов). Например, установив, что многие металлы хорошо проводят электрический ток, можно сделать вывод о том, что все металлы должны обладать малым удельным электрическим сопротивлением. Можно сказать, что индукция – это движение мышления от частного, единичного к общему, переход от анализа к синтезу. Следует отметить, что знание, полученное с использованием индуктивного метода, нельзя считать достоверным, оно может быть и ошибочным.

Индукцию нельзя рассматривать в отрыве от другого метода познания – дедукции. Дедукция (от лат. deduction – выведение) – это получение частных выводов на основе знания соответствующих общих положений,  процесс рассуждений на основе движения мысли от общего к частному. Например, из общего положения, что все металлы являются хорошими проводниками электричества, можно вывести дедуктивное заключение о высокой электрической проводимости конкретного металла. Получение новых научных знаний при помощи дедукции характерно для естественных наук, однако особенно большое значение дедуктивный метод приобрел в математике.

Метод использования аналогий и моделирование. Аналогия – (от греч. analogia – соответствие, сходство) – сходство объектов в каком-либо отношении. При использовании аналогии знание, полученное ранее при изучении какого-либо объекта, переносится на менее изученный, но сходный по существенным качествам объект. Установление сходства (или различия) между объектами осуществляется посредством их сравнения по какому-либо признаку. Для того, чтобы использовать аналогии, необходимо убедиться в наличии значительного сходства сравниваемых объектов, т.е. выявить у них как можно больше общих свойств, а также убедиться в том, что эти общие свойства являются существенными.

При использовании аналогии непосредственно исследуется один объект, а вывод делается о другом объекте. При этом исследуемый объект можно рассматривать как модель, а объект, на который переносится информация, полученная в результате исследования модели, - как оригинал. В общем случае исследование оригинала, основанное на исследовании его модели, называется моделированием. Любое моделирование базируется на соответствии (хотя бы в определенной части свойств) оригинала и замещающей его модели. В зависимости от характера используемых в научном исследовании моделей различают несколько видов моделирования.

Мысленное моделирование связано умозрительными представлениями реального объекта в форме тех или иных воображаемых моделей. Мысленные модели часто являются первым этапом при создании моделей других видов (например, математических, компьютерных) и могут быть реализованы в виде материальных физических моделей.

Для физического (материального) моделирования характерно физическое или геометрическое подобие модели оригиналу, а также воспроизведение в модели тех процессов, которые свойственны оригиналу. По результатам исследования физических свойств модели делают выводы о явлениях, происходящих (или тех, которые могут произойти) в реальных условиях. При физическом моделировании явления одной природы можно моделировать явлениями другой природы, например, механические колебания могут моделироваться электрическими колебаниями.

Математическое моделирование связано с тем, что многие сложные системы (технические, экологические, экономические и т.п.) не могут быть исследованы с требуемой точностью при использовании обычных теоретических методов, а прямые (натурные) эксперименты над ними либо невозможны, либо требуют значительных финансовых или временных затрат. В ряде случаев исследуемые системы существуют в единственном числе, цена ошибок в экспериментах с подобными системами чрезвычайно высока. В таких случаях математическое моделирование является наиболее приемлемым, а иногда – единственно возможным инструментом исследования.

Численное (компьютерное) моделирование (вычислительный эксперимент) основано на использовании математической модели изучаемого объекта и применяется в случаях, требующих огромного объема вычислений. Существенно, что вычислительный компьютерный эксперимент позволяет анализировать нелинейные и нестационарные явления в физике, химии, биологии, социологии, экономике и других науках. Эффективное использование методов численного моделирования позволяет существенно сократить сроки научных и конструкторских разработок.

2. Краткая характеристика основных этапов в развитии

естествознания и соответствующих научных картин мира

Натурфилософская картина мира. В истории изучения природы можно выделить несколько этапов, каждому из которых соответствует не только свои представления о сути основных естественнонаучных понятий (таких как материя, движение, пространство, время), но и свое миропонимание (свои картины мира). Естественнонаучная картина мира – это система представлений о наиболее общих закономерностях в природе.

Первый этап в развитии естествознания охватывает достаточно протяженный временной интервал – от античных времен (начиная с VII в. до н.э.) до окончания эпохи Возрождения (XVI – XVII вв.). Этот этап часто называют натурфилософским, что вполне оправдано, т.к. процесс разделения накопленных знаний о природе на множество естественнонаучных дисциплин находился в зачаточном состоянии, а различные природные явления объяснялись главным образом на основе умозрительных философских рассуждений и принципов. 

Основы современного естествознания были заложены в Древней Греции, в первую очередь,  необходимо отметить заслуги ионийских философов (Фалес Милетский, Анаксимандр, Анаксагор, Анаксимен, Гераклит и другие).  Величайшей заслугой ионийцев следует считать то, что, пытаясь познать и объяснить мир, они не прибегали к гипотезам о богах, а в поисках доказательств тех или иных своих предположений использовали не только мысленные, но и реальные физические эксперименты.

Появление принципиально иных традиций и иных методов познания в античной натурфилософии связано с именами Пифагора и Платона. Пифагору и его ученикам наука обязана, в первую очередь, возникновением традиции использования математических методов и математических доказательств, без которых современное естествознание представить невозможно.  Пифагором и его последователями, в частности, созданы учения о подобии и о пропорциях, введены понятия средних величин, установлены правила суммирования членов простейших арифметических прогрессий.

В отличие от ионийцев, веривших, что мир можно и нужно изучать, используя в качестве методов наблюдение и эксперимент, Пифагор учил, что законы природы можно вывести исключительно из умозаключений. Его метод, по сути, можно назвать «антиэмпирическим». Неприязнь пифагорейцев к эксперименту, без которого невозможно установить, какая из альтернативных гипотез ближе к истине, привело к тому, что свободное столкновение противоборствующих точек зрения перестало поощряться, неудобные факты стали замалчиваться, началось сближение науки с мистицизмом. К сожалению, эти негативные тенденции впоследствии под влиянием таких авторитетов как Платон и Аристотель только усилились.

Творчество Аристотеля (384 – 322 до н.э.) поражает разнообразием  затронутых проблем и является своего рода вершиной натурфилософского этапа развития естествознания. С Аристотеля начинается дифференциация натурфилософии, его многочисленные труды положили начало таким наукам, как физика и механика, космология и метеорология, биология и зоология, логика и психология. Аристотель соединил в единое целое основные идеи античности и создал систему понятий и принципов, считавшихся фундаментальными в течение двух тысячелетий. Круг вопросов, которые удалось осветить Аристотелю, был столь широк, что вполне правомерно говорить о создании им картины мира.

Понятия материи, пространства и времени в аристотелевской картине мира связаны между собой, при этом трактовка материи такова, что существование пустоты не допускается. Равномерное движение может быть только насильственным, т.е. возможным только при наличии внешнего действия (силы), а падение тела на Землю Аристотель относил к естественным движениям, при этом скорость падения  тем больше, чем больше  масса тела. Он считал, что пространство космоса ограниченно, Земля расположена в его центре, а звезды и планеты закреплены на твердых прозрачных средах. Источником движения и энергии, согласно Аристотелю, является разум мирового масштаба, т.е. бог.

Несмотря на противоречивость и ошибочность многих положений, аристотелевская картина мира благодаря своей цельности и многогранности стала широко пропагандироваться. Постепенно авторитет Аристотеля стал непререкаемым, а его учение стало считаться единственно верным учением о природе, что существенно тормозило развитие естествознания в Средние века. Однако ближайшие после смерти Аристотеля несколько столетий оказались весьма плодотворными для развития науки, имена, достижения и открытия древнегреческих ученых этого периода (Евклида, Архимеда и многих других) навечно вписаны в историю науки.  

В Средние века вследствие значительного усиления влияния церкви на общество развитие науки практически остановилось. Догматическое следование каким-либо канонам и нормам всегда приводит к торможению развития, это правило справедливо для любой области человеческой деятельности, но к науке относится в первую очередь. За тысячу лет в Европе не было сделано ни одного заслуживающего внимания научного открытия. Некоторое развитие науки наблюдалось лишь на Востоке, где религиозное давление на нее было не таким сильным, как в Европе (учение о двойственности истины – религиозной и научно-философской – позволило арабской цивилизации, по крайней мере, избавиться от инквизиции). Благодаря усилиям арабских ученых возникает алгебра, разрабатываются учения о прецизионных измерениях, в том числе об очень точном взвешивании, алхимия становится все более похожей на химию.

Механистическая картина мира. Эпоха Нового времени начинается с XVII века, к этому веку относят начало второго этапа в развитии естествознания, с этим веком связано создание классической механики и первой научной картины мира. Свой вклад в процесс очищения естествознания от метафизических натурфилософских представлений внесли Леонардо да Винчи, Коперник, Галилей, Гюйгенс, Кеплер и многие другие выдающиеся ученые XVI-XVII вв.

Ньютон, которому по праву принадлежит основная заслуга в становлении нового мировоззрения, не только внес решающий вклад в разработку классической механики, ему удалось создать первую научную картину мира, которую называют механической или механистической картиной мира (МКМ).

В рамках МКМ гравитационные силы (силы взаимного притяжения) связывают все существующие тела, но заметными эти силы становятся лишь в  мегамире. В частности, эти силы связывают в единую систему все планеты,  обращающиеся вокруг Солнца.  В качестве универсальных принципов взаимодействия тел в МКМ используются принцип суперпозиции (результирующее действие на тело определяется векторной суммой всех приложенных к нему сил) и принцип дальнодействия (действие передается с бесконечно большой скоростью, т.е. мгновенно). При движении тела под действием приложенных сил изменяются его импульс (количество движения) и механическая энергия. К основным законам, имеющим в рамках МКМ универсальный характер, помимо закона всемирного тяготения и законов механики, относятся законы сохранения энергии, импульса и момента количества движения.

Работы Ньютона (не только физические открытия, но и развитый им совместно с Лейбницем и другими учеными математический аппарат) предопределили дальнейшее развитие физики и всего естествознания, незыблемым основанием которого стала считаться классическая механика. Ньютон, а вслед за ним и другие ученые считали возможным вывести из законов механики все остальные законы природы. Обусловленное таким подходом механистическое мировоззрение господствовало в естествознании вплоть до ХХ века. В рамках этого мировоззрения материальный мир рассматривался как огромная механическая система, поведение которой (включая движение всех ее частей) полностью определяется законами классической механики. Отсюда следовал вывод о том, что в природе действует неумолимая необходимость, позволяющая рассчитать как прошлое, так и будущее любой материальной частицы.

Успехи классической механики привели к закреплению представлений об универсальности причинной обусловленности и об исключительно детерминистском характере любых закономерностей в природе. Становление концепции механистического детерминизма в значительной степени связано с усилиями французского математика, философа и астронома П. Лапласа. Преобладающей в этой концепции стала идея о том, что любое состояние Вселенной есть следствие предыдущих и причина последующих ее состояний. В рамках МКМ отсутствуют представления о развитии, в ней нет места каком-либо качественным преобразованиям, а суть всех наблюдаемых явлений сводится к чисто количественным изменениям.

В XVIII-XIX вв. были обнаружены и исследованы явления (тепловые, электрические, магнитные и др.), теоретическая интерпретация которых в рамках МКМ оказалась невозможной.  Законы механики не могли дать ответа на многие вопросы, в частности, на вопросы о природе необратимости тепловых процессов, тем более, о природе света и электромагнитного поля. Постоянство скорости света, вытекающее из теории электромагнитного поля и подтвержденное эмпирически, противоречило классическому принципу относительности и механическому принципу сложения скоростей. В конечном итоге, ученым пришлось признать несостоятельными попытки использовать механистический подход для описания электромагнитных, химических и др. явлений и процессов и отказаться от признания универсальной роли механики в естествознании.

Электромагнитная картина мира. Существенные изменения в представлениях о сути многих фундаментальных понятий естествознания, произошедшие в начале ХХ века, связаны, в первую очередь, с обнаружением электромагнитного поля. Понятие «поле» ввел в научный оборот английский физик М. Фарадей, основоположник учения об электромагнетизме. В 1831 г. Фарадей, исходя из идеи о взаимной связи явлений природы, открыл явление электромагнитной индукции. В 1845 г. он  первым высказал смелое предположение о наличии глубокого родства электричества и света. Считая, что электрические и магнитные воздействия передаются промежуточной средой, Фарадей внес свой вклад в возрождение натурфилософских представлений о существовании светоносного эфира.

«Поле сил» Фарадея первоначально рассматривалось как абстрактное математическое понятие, но очень скоро другой выдающийся английский физик Дж. К. Максвелл придал этому понятию конкретный физический смысл. Им была создана исключительно стройная теория электромагнитного поля. В 1888 г. немецкий физик Г. Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, а также высказанную Фарадеем и теоретически обоснованную Максвеллом гипотезу о единой физической сущности света и электричества. Герцу впервые удалось осуществить беспроводную передачу электромагнитной энергии и экспериментально измерить длину (а значит, и скорость распространения) электромагнитной волны. Так было уставлено существование качественно нового вида материи – электромагнитного поля.

Исследования в области электромагнетизма очертили пределы применимости механистического подхода при описании природы.  С середины ХIХ века МКМ рассматривается уже только как часть физической картины мира, хотя механистические представления оставались главенствующей концептуальной базой естествознания вплоть до ХХ века. Тем не менее, МКМ начала постепенно уступать свои позиции новой – электромагнитной картине мира (ЭКМ).

В рамках МКМ все явления природы физики, как уже отмечалось, стремились свести к механическим. Точно так же в рамках новой картины мира наблюдается стремление свести все явления (включая и механические) к электромагнетизму. Концепция дальнодействия Ньютона в ЭКМ заменяется концепцией близкодействия Фарадея. С появлением ЭКМ в познании окружающего мира был сделан существенный шаг вперед, ученым удалось объяснить многие природные явления, не подававшиеся ранее объяснению. В то же время необходимо отметить, что в ЭКМ, точно так же, как в МКМ, все происходящее в природе оставалось жестко предопределенным.

В начале ХХ века создание физической картины мира представлялось ученым практически завершенным. После грандиозных успехов классической теории казалось, что в этой картине остается уточнить лишь несколько не очень существенных деталей. Некоторое смущение, например, вызывало наличие статистических закономерностей, обнаруженных и исследованных Максвеллом и Больцманом, приходилось выводить эти закономерности за рамки картины мира, отказывая им в фундаментальности.

Вскоре после создания электродинамики выяснилось, что вид уравнений Максвелла не сохраняется при переходе от одной инерциальной системы к другой, т.е. был выявлен различный характер движения вещества и поля. Разрешить возникшее противоречие удалось выдающемуся ученому А. Эйнштейну, создавшему в 1905 г. специальную теорию относительности (СТО). Найденное Эйнштейном решение потребовало радикального пересмотра всех фундаментальных понятий естествознания – пространства, времени, материи и движения. Отдав предпочтение в описании свойств природы законам электродинамики, Эйнштейн дополнил ЭКМ идеей относительности пространства-времени, сформулировал новый принцип сложения скоростей, установил взаимосвязь между массой тела и его энергией.

Квантово-полевая (неклассическая) картина мира. С созданием СТО классическая механика Ньютона стала рассматриваться как частный случай релятивистской (от лат. relativus – относительный) механики. Необходимость учета релятивистских поправок при определении массы тела, длины отрезка или промежутка времени возникает лишь при очень высоких (приближающихся к скорости света) скоростях движения тел, а в мире обычных скоростей (в макромире) законы классической механики остаются справедливыми.

С открытием электронов и явления радиоактивного распада стало ясно, что необходимо отказаться от представлений о неизменности и неделимости атомов. Для объяснения законов фотоэффекта и некоторых свойств электромагнитного излучения (спектральное распределение излучения абсолютно черного тела, линейчатый характер спектра излучения и поглощения атомов) также потребовались новые идеи, появление которых тесно связано с выявлением сложной структуры атомов. Все эти идеи легли затем в основу новой (неклассической) механики, создание которой ознаменовало начало нового этапа в развитии физики и всего естествознания.  Соответствующую этому этапу естественнонаучную картину мира называют неклассической или квантово-полевой.

Первые квантовые идеи были высказаны в 1900 г. немецким физиком  Планком, которому удалось теоретически рассчитать зависимость спектральной плотности мощности излучения абсолютно черного тела от частоты. Для решения этой задачи ему пришлось выдвинуть поразительную по тем временам гипотезу, согласно которой энергия при излучении испускается не непрерывно, а дискретными порциями (квантами). В соответствии с этой гипотезой энергия одного кванта пропорциональна частоте излучения:

  Е = hν,

коэффициент пропорциональности h = 6,626·10-34 Дж·с в этом выражении, получивший впоследствии название постоянная Планка, пополнил перечень универсальных мировых констант.

Планк выдвинул свою гипотезу только для частного случая – с целью объяснения спектра теплового излучения. Через 5 лет А. Эйнштейн, используя данную гипотезу, объяснил, почему энергия электронов, вырываемых из вещества падающим светом(фотоэлектронов) зависит только от частоты света и не зависит от его интенсивности. Для обозначения кванта света Эйнштейн ввел понятие фотон (от греч. fotos - свет), подчеркнув тем самым, что дискретную порцию света следует рассматривать как частицу квантовой природы.

Эйнштейновская теория фотоэффекта положила начало развитию представлений о двойственной (корпускулярно-волновой) природе света. Развивая эти представления, французский физик Луи де Бройль в 1924 г.  выдвинул гипотезу о наличии волновых свойств у частиц материи, и вскоре после этого была обнаружена дифракция электронов.

Современная картина мира. В настоящее время близок к завершению процесс формирования новой (современной) естественнонаучной картины мира, которую чаще всего характеризуют как эволюционно-синергетическую.

В рамках классического естествознания мир устроен просто и подчиняется детерминистским и обратимым во времени фундаментальным законам. Научную рациональность было принято усматривать лишь в вечных и неизменных законах, а все временное и преходящее рассматривалось как иллюзия. Современное естествознание отличается от классического, в первую очередь, отказом от сформулированных предпосылок. Было выяснено, что обратимость и жесткий детерминизм в окружающем нас мире применимы только в простых предельных случаях, а существующие в природе не иллюзорные, а вполне реальные случайность и необратимость необходимо рассматривать скорее как общее правило, чем  как исключение. Одним из принципиальных отличий современной картины мира от МКМ и ЭКМ является признание идей необратимости времени и глобального эволюционизма, в соответствии с которыми материя и Вселенная в целом не могут существовать вне развития.

Предпосылки проникновения эволюционных идей в физику появились еще в начале XIX века –  в 1811 г. французский физик и математик Ж.Б. Фурье установил, что теплота самопроизвольно может передаваться только от более нагретых тел к менее нагретым. Другими словами, было установлено, что тепловые процессы являются принципиально необратимыми, и, строго говоря, с этого времени физика уже не укладывалась в рамки классической механики Ньютона и в рамки концепции детерминизма. Тем не менее, вплоть до середины XX в. эволюционное учение интенсивно развивалось лишь в рамках его прародительницы – биологии. В научных дисциплинах биологического профиля современный эволюционизм предстает как многоплановое учение, ведущее поиск закономерностей и механизмов эволюции сразу на многих уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном и даже биогеоценотическом. Наиболее выдающиеся успехи достигнуты на молекулярно-генетическом уровне: расшифрован генетический механизм передачи наследуемой информации, выяснены роль и структура нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), найдены методы определения последовательностей нуклеотидов в них и т.п.

Несмотря на то, что на уровне живой материи и, тем более, на социальном уровне эволюционные изменения и их необратимость вполне очевидны, в физике долгое время сохранялась иллюзия обратимости времени.  Причина заключалась в том, что классическая механика – это механика обратимых процессов, способных протекать как в прямом, так и в обратном направлении, и, соответственно, обратимых систем, способных возвращаться в исходное состояние. Пропасть, отделявшая в XIX в. науки о живом от наук о неорганическом мире была столь глубокой, что перебраться через нее ученые в то время так и не смогли. Естественные науки, прежде всего физика и астрономия, долгое время оставались в стороне от эволюционных идей. Вселенная в целом представлялась ученым равновесной и неизменяемой, и, поскольку время ее существования считалось бесконечным, то вполне вероятным представлялось появление (в результате случайных локальных возмущений) наблюдаемых неравновесных образований (галактик, звезд, планетных систем и т. д.). Противоестественным явлением, или артефактом (лат. arte — искусственно + factus. — сделанный), выглядело и появление жизни на нашей планете. Считалось, что такого рода «отклонения» в существовании Вселенной — явления временные, с остальным космосом не связанные.

«Антиэволюционные» убеждения физиков впервые были поколеблены в 20-х гг. ХХ века после открытия нестационарности Вселенной и появления затем гипотезы Большого Взрыва. Зарождение Вселенной, согласно этой гипотезе, выводится из некоего исходного сверхплотного состояния (сингулярности) с последующей эволюцией, приведшей в конечном счете к ныне наблюдаемому облику. Таким образом, в середине ХХ в. идея эволюции завладела космологией, а затем физикой и естествознанием в целом. Эволюционную концепцию современного естествознания можно сформулировать следующим образом: «Все существующее есть результат эволюции», а представление о всеобщем характере эволюции является одной из главных отличительных черт современной научной картины мира.

Вторая отличительная черта современной картины мира связана с возникновением в 70-х гг. прошлого века нового междисциплинарного направления – синергетики, претендующей на описание движущих сил эволюции любых объектов нашего мира. Появление синергетики (другое название – теория самоорганизации) связано со стремлением ученых понять причины существенной асимметрии процессов деградации и развития в живой и неживой природе. В классической науке XIX в. господствовало сформировавшееся под воздействием равновесной термодинамики убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос). В основе этой тенденции лежит тот факт, работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Другими словами, во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует направленность, выделенная самой природой.

«Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему». Для отражения направленности перераспределения энергии в замкнутых системах Клаузиус ввел в термодинамику новое понятие — «энтропия» (от греч. entropia – превращение, поворот). В последствии под энтропией стали понимать меру беспорядка системы), а более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: «При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает».

В соответствии со вторым началом термодинамики любая изолированная система со временем должна перейти в наиболее простое состояние – состояние термодинамического равновесия. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что и эквивалентно хаосу. Вывод, неизбежно следующий из 2-го начала, достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех ее видов в тепловую энергию, которая рассеется, т.е. равномерно распределится между всеми элементами системы. Если Вселенная замкнута, то и ее ждет именно такая незавидная участь (это состояние Вселенной получило название «Тепловая смерть»).

Примеров, подтверждающих справедливость второго закона термодинамики, на уровне неживой материи более чем достаточно. Однако, живая природа почему-то вовсе не стремилась к термодинамическому равновесию и хаосу. Более того, процесс развития растительного и животного мира (в полном соответствии с дарвиновской теорией эволюции) характеризовался непрерывным усложнением этого мира, возрастанием уровня организации и порядка живых систем. Налицо была явная нестыковка законов развития неживой и живой природы.

После замены модели стационарной Вселенной на модель развивающейся Вселенной, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов, стало ясно, что принцип возрастания энтропии не столь универсален, как казалось поначалу, и что для сохранения непротиворечивости общей картины мира в развитии материи должна существовать не только разрушительная, но и созидательная тенденция. На этой волне и возникла синергетика — теория самоорганизации.

Общий смысл комплекса синергетических идей заключается в том, что процессы разрушения и созидания во Вселенной равноправны, а процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным формам.

3.  Концепция системности.  Системный подход и системный метод

Понятия системы и системного метода. Создание системного метода по праву считается одним из наиболее значимых достижений научной мысли ХХ века. С середины этого столетия понятие «система» (от греч. systema – целое) становится одним из ключевых философско-методологических и научных понятий и  «поворотным пунктом в современной научной мысли» (как и предсказывал австрийский биолог Людвиг фон Берталанфи, опубликовавший в 1945 г. первые научные работы, содержащие идеи системной методологии).

 В основе системного метода и системного подхода к исследованиям окружающего нас мира лежит рассмотрение объекта исследования (предмета, явления или процесса) как некоторого целостного образования, т.е. как  системы, обладающей свойствами, которых нет у составляющих эту систему элементов. Эти новые свойства, которые называют эмерджентными или интегративными, система приобретает вследствие эффекта ее целостности, т.е. благодаря взаимодействию ее частей (элементов) между собой.

Системный метод, появившийся после того, как в рамках частных наук были исследованы отдельные стороны, особенности и свойства различных объектов, ознаменовал переход от дисциплинарного подхода к исследованиям( когда каждая из наук сосредотачивалась на изучении своего узкого круга проблем) к междисциплинарному подходу, что позволило раскрыть более глубокие закономерности, присущие широкому кругу явлений, выявить взаимосвязи между разными классами явлений.

Определяя понятие, различные ученые приписывали системам тот или иной набор характеризующих их признаков (свойств). Самое короткое определение принадлежит Л. фон Берталанфи: «Система – это комплекс взаимодействующих элементов». В других определениях понятия системы используется больше характерных признаков, чаще всего в них встречаются такие атрибуты как наличие эмерджентных свойств и наличие цели (целесообразности).

Отметим, что при любом определении очень сложно провести грань между системой и совокупностью элементов, которая не является системой (подобные объекты иногда называют простыми совокупностями или агрегатами). Существует и такое мнение, что столь широкое понятие, как система, нельзя определить чисто логически через другие понятия, его следует признать исходным (неопределяемым) и раскрывать его содержание с помощью примеров.

Вопрос о том, является или не является тот или иной объект системой, не вполне корректен, в случае необходимости любой объект исследования можно рассматривать как систему. Гораздо более важен другой вопрос – следует или не следует прибегать к использованию системного метода при проведении конкретного исследования. Достаточно очевидно, что целесообразность использования системного подхода возрастает по мере увеличения:

 • сложности объекта исследования;

• сложности задачи исследования;

• требований к точности результатов исследования;

• рисков, связанных ошибочностью результатов исследования.

 Классификация систем.  Огромное множество систем предопределяет необходимость их классификации, которая может производиться по самым различным признакам. Исходя из природы объекта, все системы можно разделить на материальные и идеальные (последние называют также абстрактными или концептуальными). К материальным системам относятся естественные (неорганические и органические), искусственные (все, что создано не природой, а человеком) социальные и смешанные системы.

Материальные системы в свою очередь делятся на классы, например, физические, химические, биологические, геологические, экологические и т.д. Внутри каждого класса систем можно выделить подклассы. Например, для анализа движения планет Солнечной системы, относящейся к классу физических систем, помимо 2-го закона Ньютона, достаточно использовать лишь закон всемирного тяготения, поэтому данную систему можно трактовать как гравитационную. Точно так же внутри класса физических систем можно выделять электрические, электромагнитные, механические, тепловые и другие системы.

Во временном аспекте системы можно рассматривать как статические и динамические. Подобное деление (как, впрочем, и любое другое) в известной степени условно, т.к. все в мире находится в постоянном движении. Тем не менее, системы, динамические свойства которых несущественны, целесообразно рассматривать, как статические. Среди динамических систем  выделяют детерминистские и стохастические (вероятностные, вероятностно-статистические) системы. Состояние и поведение детерминистской системы в любой момент времени может быть рассчитано с достаточно высокой точностью, воздействие имеющихся случайных факторов на динамику таких систем можно пренебрегать. В отличие от них в стохастических системах преобладающую роль играют случайные процессы и факторы, предсказание поведения подобной системы может иметь лишь вероятностный характер.

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают открытые и закрытые (изолированные) материальные системы. Такая классификация также носит условный характер. Представление о закрытых системах, возникшее в классической термодинамике, является абстракцией, в действительности все системы обмениваются с окружающей средой энергией, материей или информацией, а потому по определению являются открытыми.

Важным классификационным признаком является сложность системы. В качестве примеров сложных систем можно привести такие, как производственный (технологический) процесс, производственное предприятие, любое живое существо, климатические процессы и т.п. Деление систем на простые и сложные зависит от числа переменных (или от количества информации, которая необходима для описания и анализа той или иной системы).

Важной характеристикой (на данный момент времени) является состояние системы. Любая система описывается определенным комплексом существенных переменных и параметров, и для того, чтобы выразить ее состояние, необходимо определить значения этих переменных и параметров в рассматриваемый момент времени. Различают равновесные и неравновесные состояния и, соответственно, равновесные и неравновесные системы. Равновесные состояния системы (и сами системы) могут быть устойчивыми и неустойчивыми. Понятие устойчивости системы чаще всего связывают с ее способностью возвращаться в состояние равновесия после исчезновения внешних воздействий, которые вывели ее из этого состояния.

По математическому описанию различают линейные и нелинейные системы. К линейным системам, характеристики которых описываются линейными (алгебраическими или дифференциальными) уравнениями, применим принцип суперпозиции.

 Строение и структура систем. Система и окружающая среда. Строение системы определяется ее сложностью и характеризуется теми компонентами, из которых она состоит. Крупные блоки, входящие в состав сложной системы и имеющие свое функциональное назначение, называют подсистемами. В составе такой сложнейшей системы как человеческий организм выделяют костно-мышечную, сердечно-сосудистую, пищеварительную, нервную и многие другие его части, называемые, как правило, системами. Однако, строго говоря, эти части правильнее называть подсистемами, т.к. в изолированном виде каждая из них функционировать не может, хотя и обладает определенной автономностью.

Под структурой системы понимают совокупность тех специфических взаимосвязей и взаимодействий, благодаря которым и возникают новые целостные свойства, присущие только системе и отсутствующие у отдельных ее составляющих. Необходимость привлечения таких понятий, как структура (или организация) возрастает по мере увеличения сложности изучаемых систем. Сами же эти понятия означают, что соответствующая система состоит из множества узлов (звеньев, блоков и т.п.), связанных между собой теми или иными функциональными связями, в том числе и обратными связями. 

Отметим, что структура той или иной системы не является единственно возможной. Но если структура системы не является оптимальной, т.е. не обеспечивает наилучших условий для ее функционирования и развития, то, рано или поздно, такая система прекратит свое существование, уступив место другим, более совершенным. Сказанное относится не только к социальным и техническим системам, но и к биологическим, но и к естественным материальным системам неживого мира.

Многие системы построены по т.н. иерархическому принципу, подразумевающему подчиненность каждого уровня в строении системы вышестоящему. Проще всего понять этот принцип, рассматривая социальные системы (наиболее характерный пример – армия). Однако своего рода иерархичность можно усмотреть и в строении простых материальных объектов. Тот же камень состоит из кристаллов, каждый кристалл – из молекул, молекула – из атомов и т.д.

Таким образом, весь окружающий нас мир, его предметы, явления и процессы оказываются совокупностью самых разнообразных по своей природе и структурным особенностям систем. При этом внутри каждой системы находится система или совокупность систем меньших размеров, и каждая система, так или иначе, взаимодействует с другими, находящимися внутри нее, на одном с ней уровне или снаружи.  

Системный метод подразумевает определение границ исследуемой системы и определение тех систем из окружающей среды (ОС), с которыми исследуемая система значимо взаимодействует. ОС оказывает существенное влияние на функционирование и эволюцию любой системы, характер и результаты этого влияния могут быть различными, но в любом случае анализировать систему вне связей с ОС методологически неверно, а практически чаще всего бесполезно.

Связи системы с ОС (внешние связи) могут быть  самыми разнообразными: существенными и несущественными, непосредственными и косвенными, стабилизирующими и возмущающими, детерминированными и стохастическими, полезными и вредными, прямыми и обратными и т.д. Именно обратные связи заслуживают детального рассмотрения, т.к. их влияние на поведение и эволюцию систем исключительно велико. Система обладает обратными связями, если она способна реагировать на изменения в ОС (или в ней самой). Более узкое токование: обратная связь – это связь между выходом и входом системы или отдельного ее блока.

Обратные связи могут быть положительными и отрицательными. Положительная обратная связь усиливает внешнее воздействие, отрицательная же, наоборот, это воздействие компенсирует, уменьшая его влияние на состояние или поведение системы. Достаточно очевидно, что отрицательная обратная связь стабилизирует систему, удерживая ее в состоянии равновесия (и, тем самым, препятствуя ее развитию). В противоположность этому положительная обратная связь “раскачивает” систему, при наличии положительной обратной связи даже незначительные возмущения могут привести к существенным изменениям в системе, в том числе к ее переходу в качественно новое состояние.

Науки о сложных системах. Идеи и методы системной методологии, появившиеся в середине ХХ века, были быстро подхвачены и развиты при реализации крупных целевых проектов и программ. Появились новые ученые (системные аналитики), новые институты, новые науки и научные направления. Применение системных идей в экономике, при анализе социальных и других сложных процессов привело к созданию таких системных дисциплин как исследование операций, теория игр и теория принятия решений. К этому же ряду следует отнести такие новые науки как системный анализ и системотехника.

Но все эти дисциплины являются все же только приложениями некоторых системных идей. Вершиной же развития системного метода считается общая теория систем, изучающая наиболее общие свойства систем и применимая для анализа естественных, технических, социально-экономических и любых других систем, каждая из конкретных систем при этом может рассматриваться как частный случай подобной общей теории. Инициатором создания такой общей теории систем был все тот же Л. фон Берталанфи, который формулировал ее задачи следующим образом: «…предмет этой теории составляет установление и вывод тех принципов, которые справедливы для “систем” в целом… независимо от их физической, биологической или социальной природы».

Разумеется, было бы наивно полагать, что может быть создана некая универсальная теория, из которой можно вывести конкретные свойства произвольной системы. Ведь создание подобной теории предполагает абстрагирование от любых конкретных и частных свойств отдельных систем. Речь идет лишь о том, что общие системные понятия и принципы могут (и должны) использоваться для лучшего понимания и объяснения работы конкретных систем.

Одним из наиболее значительных шагов вперед в развитии идей системного метода стало появление кибернетики, представляющей собой общую теорию управления, применимую к любым управляемым системам. Отдельные разрозненные теории управления к тому времени существовали и в технике, и в биологии, и в социальных науках, однако появление единого междисциплинарного подхода позволило раскрыть наиболее общие и глубинные закономерности управления сложными системами.

Кибернетика (буквально –  искусство управления) появилась на стыке математики, техники и нейрофизиологии, ее основателем по праву считают американского математика Н. Винера, опубликовавшего в 1948 г. книгу с названием «Кибернетика». Оригинальность новой науки заключалась в том, что она изучает не вещественный состав систем и не их структуру, а результаты работы систем определенного класса. В кибернетике впервые появилось широко используемое ныне понятие черного ящика как устройства, выполняющего определенную операцию, при этом важно знать, что мы имеем на входе и на выходе этого ящика, но совсем необязательно знать, что у него внутри, и как он работает.  В кибернетике системы и их блоки изучаются по тем функциям, которые они выполняют, и по реакциям на внешние воздействия. Наряду с вещественным и структурным подходами, благодаря кибернетике появился функциональный подход как еще один элемент системного метода.

В рамках кибернетики впервые было показано, что  управление с самых общих позиций представляет собой процесс накопления, передачи и преобразования информации. Его можно отобразить с помощью последовательности точных предписаний – алгоритма, посредством которого осуществляется достижение поставленной цели. Естественным продолжением кибернетики стала теория информации, вводящая понятие информации как некоторого количества и развивающая принципы передачи информации. Информация (от лат informatio – ознакомление, разъяснение) может рассматриваться как мера организованности системы (в противоположность понятию энтропии, являющейся мерой неорганизованности, хаоса). Информация растет с увеличением сложности, т.е. разнообразия системы. Один из основных законов кибернетики – закон необходимого разнообразия – гласит, что для эффективного управления какой-либо системой разнообразие управляющей системы должно быть  больше разнообразия управляемой системы.

Синергетика – весьма молодая наука, ее появление относят к 70-м ХХ в. У истоков этой науки стояли такие известные ученые, как И. Пригожин и Г. Хакен. Синергетика (греческий термин «синергия» означает сотрудничество, совместное действие) – это наука о поведении и особенностях наиболее сложных из всех известных систем, а именно неравновесных систем. Появление синергетики связано не только с идеями системного метода, но и с развитием эволюционных представлений и теорий. С появлением синергетики эволюционный подход, который с успехом использовался применительно к органическим и биологическим системам, проник и в физику, появились общие (т.е. применимые к системам любой природы) представления об эволюции, в частности, представления о связи между эволюцией системы и ее энергообменом с окружающей средой.

В рамках синергетики были сформулированы условия и изучены закономерности процессов самоорганизации материи.  К самоорганизующимся относят системы, которые при выполнении определенных условий могут приобретать качественно иную структуру и (или) функцию без существенного внешнего вмешательства. Всякая самоорганизующаяся система обладает способностью переходить из однородного неупорядоченного состояния (состояния покоя) в неоднородное и в значительной мере упорядоченное состояние.

Еще одно молодое научное направление изучения сложных систем еще не имеет установившегося названия (в разных источниках используют такие термины как хаос, теория хаоса, динамический хаос, хаос в динамических системах). С понятием «хаос» обычно  связывают  беспорядочное случайное поведение элементов некоторой системы (подобные явления чрезвычайно многочисленны: движение атмосферных потоков, конвективное течение в нагреваемой жидкости, поведение автомобилей в дорожной пробке, процессы в сложных электрических цепях, колебания численности популяций, движение игральной кости и т.п.).  

Несмотря на обилие принципиально стохастических явлений и процессов, многие исследователи (по крайней мере, до середины ХХ века) не сомневались в том, что точная предсказуемость любых явлений принципиально достижима – для этого необходимо лишь собрать и обработать достаточный объем информации. Однако после того, как было установлено, что даже простые детерминированные системы с малым числом компонентов могут порождать и проявлять случайное, хаотическое поведение (причем эта случайность имеет принципиальный характер, т.е. от нее нельзя избавиться, собирая все больше информации), такая  точка зрения была поставлена под сомнение.

Хаос, царящий в равновесных системах, носит сугубо статистический характер, т.е. имеют место лишь случайные отклонения системы от состояния равновесия. Реакция такой системы на то или иное возмущающее воздействие линейна – она прямо пропорциональна возмущающей силе и стремится вернуть систему в прежнее состояние. Но если система сильно неравновесна, то есть обладает значительным избытком свободной энергии, то в ней может возникать хаос особого рода, называемый динамическим; реакция такой системы на возмущающие воздействия нелинейна и может быть сколь угодно большой при сколь угодно малом первичном возмущении.

Динамический хаос замечателен тем, что за внешне совершенно непредсказуемым поведением системы кроется строгий детерминизм – все происходящие в ней процессы можно математически рассчитать с любой требуемой точностью. Еще одна особенность такого хаоса заключается в том, что он может служить источником самозарождения строго упорядоченных структур, например, в турбулентном потоке  могут возникать устойчивые вихри.

Достижения науки XX века привели к постепенному отказу от концепции детерминизма. Первым из таких достижений стало одно из основных концептуальных положений квантовой механики – принцип неопределенности, который гласит, что положение и скорость частицы одновременно не могут быть точно измерены. Данный принцип обусловливает неподчинение классическому детерминизму лишь микрочастиц, связанное с тем, что системы микромира – это системы, состоящие из огромного количества частиц. Что же касается макроскопических (крупномасштабных) систем, то причины их возможной непредсказуемости  явлений существенно иные.

Выяснилось,  что случайное, хаотическое поведение проявляют даже системы, не отличающиеся ни особой сложностью, ни неопределенностью. В связи с этим выдающийся французский ученый (математик, физик и философ) А. Пуанкаре, которого можно считать родоначальником современной концепции хаоса, отмечал, что непредсказуемые, развивающиеся «по воле случая» явления характерны для таких систем, в которых незначительные изменения в настоящем приводят к значительным изменениям в будущем. Пуанкаре утверждал, что малые различия в начальных условиях могут вызвать громадные различия в конечном явлении, поэтому предсказание становится невозможным, и явление развивается совершенно случайно.

4. Эволюция систем и эволюционные концепции

 Основные закономерности эволюции систем. Согласно современным представлениям все три уровня организации материального мира (неживую природу, живую материю и общество) охватывает единый процесс развития. В глобальном мировом эволюционном процессе эти три уровня представляются звеньями одной цепи, в связи с чем требуется создание единого языка (единой терминологии) для описания процессов эволюции самых разнообразных систем. Концепция глобального эволюционизма с одной стороны, дает представление о мире как о целостности, позволяя осмыслить общие законы бытия в их единстве, а с другой – ориентирует современное естествознание на выявление общих закономерностей эволюции материи на всех ее структурных уровнях, на всех этапах ее самоорганизации.

Одна из таких глобальных закономерностей – неравномерность развития мира и отдельных его систем, тесно связанная с тем обстоятельством, что любая система при неограниченном изменении параметров, определяющих ее состояние или поведение, рано или поздно перестает быть линейной. С другой стороны, неравномерность развития систем есть проявление одного из основных законов диалектики – закона перехода количественных изменений в качественные.

Вторая важнейшая закономерность, которая подчеркивается в концепции глобального эволюционизма – направленность развития мирового целого и отдельных его частей на повышение своей структурной организации. Эволюция, развитие носят направленный характер – происходит непрерывное усложнение организационных структур и форм. Существенно, что при этом число (разнообразие) различных организационных форм также непрерывно увеличивается (закон дивергенции). Наиболее явно направленность эволюции проявляется на уровне живого вещества, однако и на уровне неживой материи, и на социальном уровне  легко увидеть проявления рассматриваемой закономерности.

Еще одна закономерность эволюционных процессов, которую нельзя не отметить, заключается в непрерывном увеличении скорости эволюции. Данная закономерность также легко прослеживается при рассмотрении любого исторического процесса, будь то геологическая история Земли, эволюция живого вещества, или история общества. Данная закономерность является следствием и усложнения, и роста разнообразия организационных форм материи. Именно поэтому скорость эволюции живой материи существенно выше, чем неживой, а изменения в обществе происходят с колоссальной скоростью.

 Механизмы эволюции систем и факторы, определяющие ход эволюционных процессов. До появления Дарвинской работы (1859г.) «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь», где были изложены основы впоследствии общепризнанной эволюционной теории развития жизни на Земле, в науке господствовала теория катастроф Ж. Кювье. В основе концепции катастрофизма лежит идея о решающем влиянии различного рода катастроф на развитие нашей планеты.  

Согласно современным представлениям концепции катастрофизма и эволюционизма следует не противопоставлять друг другу, а объединить в одно целое, разделив механизмы эволюционных процессов на две группы: адаптационные и бифуркационные механизмы (терминология академика Моисеева Н.Н.). В таблице 3.1. указаны основные особенности данных механизмов эволюции.

Таблица 4.1.

Характерные особенности механизмов эволюции
Адаптационный механизм	Бифуркационный механизм
Изменения в системе происходят медленно (плавно)	Изменения в системе происходят быстро (скачкообразно)
Изменения происходят в пределах достаточно узкого эволюционного канала	Канал эволюции в процессе бифуркации разветвляется
Используются отрицательные обратные связи	Используются положительные обратные связи
Поддерживается равновесное состояние системы	Состояние системы быстро уходит от равновесного
Изменения в системе можно предвидеть (предсказать)	Выбор состояния системы предсказать невозможно
Система может вернуться в исходное состояние	Возврат в исходное состояние невозможен

В пределах адаптационного механизма  развитие системы (в полном соответствии с воззрениями Дарвина) происходит путем приспособления к изменяющимся условиям внешнего мира (или лучшего приспособления к неизменным условиям), проявления подобного механизма эволюции имеют место не только в живой природе, но и в физических системах,  и в технике, и в общественной сфере. Основная особенность данного механизма состоит в том, что можно (с определенной точностью) предвидеть развитие событий, без такого предвидения, в частности, было бы невозможна селекционная работа (получение новых сортов растений или пород животных). Пока внешние возмущения не способны вывести систему за границы определенного коридора (которые достаточно близки и достаточно обозримы в перспективе), механизм ее развития можно считать адаптационным.  В неживой природе границы таких эволюционных каналов  определяются законами физики, химии и т.п., в живом мире – правилами естественного отбора, развитие общественных (социальных) систем также управляется своими объективные законами, в частности, экономическими.

Любое постепенное (медленное) изменение тех или иных свойств развивающихся систем (например, выработка рефлексов) – есть результат адаптации. Эволюционируя в рамках адаптационного механизма, любая система лишь незначительно отклоняется от равновесного состояния, решающую роль в сохранении равновесия при наличии внешних воздействий играют отрицательные обратные связи. Таким образом. развитие любой системы в рамках адаптационного механизма направлено на увеличение устойчивости этой системы, а увеличение устойчивости, как легко понять, противодействует развитию. В системах, устойчивость которых доведена до предела, любые изменении я становятся невозможными, и они могут сохраняться в неизменном виде миллионы и миллиарды лет.  Если бы в нашем мире существовали только адаптационные механизмы эволюции, он был бы совсем неинтересным, в нем не было бы даже намека на то многообразие, которое есть сегодня в  природе и в обществе (не было бы и нас самих, как одного из элементов этого разнообразия).

На любую систему в процессе  ее эволюции в рамках адаптационного механизма действует множество случайных факторов (возмущений), которые стремятся вывести систему из равновесного состояния, т.е. вывести ее за границы определенного эволюционного канала. Следует подчеркнуть роль этих малых возмущений (флюктуаций) в процессах развития, как начальных толчков для любых последующих изменений.  Не было бы флюктуаций – не было бы и никаких изменений, а, значит, и никакого развития.

В процессе своего развития в пределах адаптационного механизма система рано или поздно достигает некоей критической точки (критического значения параметров). Отрицательные обратные связи уже не способны удержать систему в равновесном состоянии, наоборот, решающую  роль начинают играть положительные обратные связи, многократно увеличивающие как степень воздействия флуктуаций, так и скорость ухода состояния системы от равновесного.  Переход системы через  критическую точку – это, по сути, и есть бифуркация, этот переход ведет к резкому качественному изменению самой системы, или процессов, протекающих в ней. Существенно, что  за счет влияния случайных факторов, даже очень незначительных по своему воздействию, предсказать характер развития после бифуркации невозможно (система «забывает» свое прошлое). Здесь мы видим вторую роль флюктуаций в эволюционных процессах – как фактора, определяющего выбор состояния системы в критические моменты ее развития.

Все системы обладают некоторыми пороговыми состояниями, переход через которые ведет к резкому качественному изменению протекающих процессов или  к изменению организации самих систем. Переход системы в новое состояние неоднозначен, т.е. после бифуркации существует целое множество возможных структур, в рамках которых в дальнейшем будет развиваться система. Предсказать заранее, какая из этих структур реализуется, нельзя в принципе, т.к. это неизбежно зависит от присутствующих случайных воздействий на систему, которые в момент перехода и будут определять процесс отбора нового состояния. В критической точке происходит своего рода разветвление путей эволюции, и в силу вероятностного характера перехода через пороговое состояние обратного хода эволюции уже нет, эволюция приобретает направленность, становится, как и само время, необратимым. Пороговые состояния свойственны не только процессам на уровне неживой материи, но и тем, что протекают в мире живой природы и в обществе. Здесь их проявления значительно сложнее, особенно в обществе, где к фактором, определяющим ход эволюции, добавляется еще один – интеллект. Тем не менее, все сказанное выше справедливо для любых развивающихся систем.

Таким образом, процесс развития (будь то какой-нибудь из простых рассмотренных процессов, или глобальный единый процесс мирового развития) – это не игра случая, он  подчиняется определенным закономерностям и имеет направленность – происходит непрерывное усложнение организации. Любое развитее есть результат взаимодействия объективной необходимости (жестких законов, определяющих процесс развития в рамках адаптационного механизма) со столь же объективной стохастичностью (влиянием случайных факторов на дальнейший ход событий в момент бифуркации).

Единый процесс развития, как уже отмечалось, охватывает все три уровня организации материи (звенья в одной цепи) – неживую природу, живое вещество и общество. Поэтому весьма целесообразным представляется использование единого языка для описания процессов эволюции в этих трех сферах. В качестве ключевых слов, пригодных для описания процессов развития на различных стадиях, кроме уже упоминавшихся (бифуркация, адаптация) Н.Н. Моисеев предложил использовать дарвинскую триаду: изменчивость, наследственность, отбор, придав данным понятиям более широкий смысл, чем это делал Дарвин при описании процесса эволюции видов.

В частности, под изменчивостью следует понимать любые проявления случайности и неопределенности. Подобные процессы составляют суть явлений на уровне микромира, но имеют место и на макроуровне, как уже отмечалось, стохастичность  – это такая же объективная реальность, как и законы, описывающие детерминированные процессы. Вместе с тем изменчивость, проявляется не сама по себе, а в контексте необходимости, т.е. законов, управляющих движением материи. Классический пример в порядке иллюстрации –  уже упоминавшееся  турбулентное движение. В этом на первый взгляд абсолютно хаотическом движении жидкости или газа можно обнаружить строгую упорядоченность, в частности, средние характеристики процесса вполне стабильны. Точно также, все наблюдаемые нами (даже движения планет по своим орбитам) – это единство случайного и необходимого, стохастического и детерминированного.

Процессы, протекающие на любой стадии развития материального мира (броуновское движение, мутагенез, социальные конфликты) подвержены действию случайных факторов, источник которых, а тем более последствия их воздействия не всегда можно понять и учесть. Но именно случайности создают то поле возможностей, из которого потом вытекает многообразие организационных форм. И вместе с тем та же изменчивость служит причиной разрушения этих форм, диалектика синергетики (самоорганизации) такова, что одни и те же факторы изменчивости стимулируют и созидание и разрушение.

Термин «наследственность» в чистом виде применим лишь для описания живой материи. Но в более широком смысле под этим термином можно  понимать способность будущего любой системы зависеть от ее прошлого. Роль этого фактора на уровне неживой материи и на социальном уровне  часто недооценивается. Многие из тех явлений или событий, которые мы считаем случайными, т.е. относим их к проявлениям фактора изменчивости, на самом деле представляют собой следствия тех или иных феноменов, имевших место в прошлом, просто мы плохо знаем предысторию. Отметим, что будущее определяется прошлым далеко не однозначно в силу той же стохастичности. В то же время понять возможности будущего невозможно, не зная прошлого.

Третье понятие дарвинской триады – отбор. В биологии, т.е. в чисто дарвинском толковании смысл этого термина (внутривидовой отбор) хорошо понятен и заключается в том, что выживает сильнейший. Возникающие вследствие изменчивости, т.е. вследствие действия случайных факторов (в данном случае это мутации), те или иные признаки или особенности передаются за счет наследственности в будущее, но не все, а лишь те, которые позволяют победить в борьбе особей, т.е. выжить. До возникновения Разума и человеческого общества, для любых живых существ определяющими факторами естественного отбора были сила мускулов или сила челюстей или что-то в этом роде.

Для того, чтобы создать единый образ мирового эволюционного процесса, биологическую трактовку фактора «отбор» опять-таки  необходимо расширить. Наиболее общая формулировка звучит так: в любой системе из множества возможных (виртуальных, мыслимых) состояний или движений отбираются, т.е. пропускаются в реальность лишь некоторые исключительные, причем отбор осуществляется в соответствии с теми или иными принципами или правилами. На уровне неживой природы в качестве таких законов выступают все известные законы физики, химии и других наук, описывающих поведение неживой материи.

На уровне живой природы картина, как и следовало ожидать, усложняется, так как и сами системы становятся неизмеримо более сложными, и растет число факторов, влияющих на процесс эволюции. К законам сохранения  и другим законам, действующим на  уровне неживой материи, на биологическом уровне добавляются правила целеполагания. Основное из таких правил – тенденция к самосохранению, стремление сохранить свой гомеостазис (одних законов физики и химии здесь уже недостаточно).

Существенно, что единых правил, как в физике или химии, на уровне живой материи нет. Для каждого вида существуют свои оптимальные формы поведения (своя ранжировка функционалов), например, для волка крепкие ноги и зубы,  для летучей мыши – способность улавливать ультразвук и т.д. Кроме того, живое существо не обязательно должно (и не может) в каждом конкретном случае реализовывать оптимальное поведение. Т.е. фактор изменчивости начинает играть более существенную роль, с микроуровня он переходит на макроуровень. Другими слова законы живого мира, несводимые к законам физики, могут нарушаться, и за их нарушение живые существа, чаще всего расплачиваются своей жизнью. Однако диалектика такова, что благодаря повышению уровня изменчивости, скорость эволюции многократно возрастает. Если бы все живые вещества всегда вели себя только так, как надо, т.е. законы выполнялись бы с такой же неумолимостью как в физике, живой мир был бы таким же неизменным, как и неживая природа.

На социальном уровне организации матери картина отбора оптимальных состояний и путей развития становится еще сложнее. Субъективный фактор (фактор изменчивости) начинает играть еще большую роль, нежели на биологическом уровне, неоднозначность и неопределенность возникают буквально на каждом шагу. Если животные в сходных условиях в основном ведут себя одинаково, то про нас с вами этого сказать нельзя, в одних и тех же условиях два человека часто принимают совершенно разные решения. Различие в целях, различия в оценках ситуации, в путях достижения целей –  все это проявления фактора изменчивости. Кроме того, ранжирование функционалов на социальном уровне становится прерогативой интеллекта, что качественно меняет все алгоритмы отбора. Интеллект позволяет фильтровать возможные решения в поисках компромисса во много раз эффективнее и быстрее, чем естественный отбор.

 

5. Материя, движение и взаимодействие

Эволюция представлений о материи и движении. В истории развития представлений о сущности и видах материи можно выделить три периода. В античной и средневековой натурфилософии, а также в рамках механической картины мира понятия «материя» и «вещество» отождествлялись. Начиная с ХIХ века в естествознании начинают различать два вида материи – вещество (т.е. все то, что обладает массой покоя) и поле. Наконец, в конце ХХ века в физических представлениях о материи появилась ее третья  разновидность – т.н. физический вакуум.  Отметим, что строение и свойства физического вакуума изучены еще недостаточно, его рассматривают как некую гипотетическую тонкую среду нашего вещественного мира. В то же время считается установленным, что по плотности энергии физический вакуум превосходит «обычные» формы материи.

Понятие материи как некоего субстрата вещественного мира, равно как и основы двух основных концепций строения материи (континуальной и корпускулярной) были сформированы еще в античные времена. К этим же временам относятся и попытки познать первооснову мира – т.е. то, из чего состоят все тела и предметы.

Корпускулярная концепция (концепция дискретности или концепция атомизма), впервые высказанная Левкиппом, наибольшее развитие получила в трудах Демокрита. Атомы Демокрита (слово «атом», означающее в переводе с греческого «неделимый», придумал сам Демокрит) – это предельно малые невидимые для человека частицы материи, которые невозможно разделить на меньшие части. Они неразрушимы, неизменны, непроницаемы и находятся в вечном движении. Согласно концепции Демокрита, существуют только атомы и пустота, т.е. пространство, в котором беспорядочно движутся атомы, а все наблюдаемые изменения, включая образование не только отдельных тел, но и бесчисленных миров, есть следствие перегруппировки атомов.

Следует отметить, что понятия материи у Демокрита еще не было. Термин «материя» для обозначения вещественной основы мира первым ввел Аристотель, он же первым начал рассматривать материю как основную категорию изучения природы. В трудах Аристотеля впервые получила развитие и континуальная концепция строения материи и описания природы в целом (концепция непрерывности). Согласно его воззрениям, «Природа не терпит пустоты».

В XVIII в. было экспериментально установлено, что многие вещества способны разделяться на более простые компоненты, а те вещества, которые с помощью химических реакций такому разделению не поддавались, и были названы химическими элементами. Было установлено, что каждому химическому элементу соответствует свой вполне определенный атом, что все атомы одного вида (элемента) неразличимы между собой, и что наблюдаемые в природе сложные вещества образуются при объединении различных атомов в соответствующих пропорциях.  В 1869 г. выдающийся российский химик Д.И. Менделеев установил принцип построения периодической системы химических элементов, основанный «на их атомном весе и химическом сходстве».  Однако, возникшее еще в античные времена представление об атомах как о неделимых мельчайших частичках вещества и в ХIХ в. не вызывало сомнений не только у химиков, но и у физиков. Лишь в конце этого столетия в связи с открытием законов спектроскопии, радиоактивности, рентгеновских и катодных лучей вопрос о том, что же такое атом, начал волновать ученых.

Изменение представлений о структуре материи связано в первую очередь с обнаружением нового вида материи – электромагнитного поля. Несмотря на существенные отличия от вещественной формы материи, поле, как и вещество, наделено реальными физическими свойствами, такими, как энергия, импульс, скорость распространения. Вывод Максвелла о возможности существования самостоятельного (не связанного с наличием электрических зарядов) электромагнитного поля в виде электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве со скоростью, равной скорости света, является одним из наиболее весомых вкладов в развитие естествознания.

Становление электромагнитной (электродинамической) картины мира на рубеже XIX–XX вв. характеризуется переходом от атомистических представлений в описании строения материи к континуальным. В качестве основных понятий, раскрывающих континуальную природу материи, в этой картине мира выступают поле и излучение. В отличие от дискретного вещества поле как особый вид материи не обладает массой покоя и характеризуется непрерывностью. Исследование строения материи в рамках электродинамической картины мира происходило на уровне микромира и вылилось, по существу, в исследование элементарных частиц.  В качестве исходной формы материи признаются элементарные частицы (протон, нейтрон, электрон и др.), из которых состоят атомы и, соответственно, все дискретные тела. С другой стороны, излучение, характеризующееся частотой (или длиной волны), рассматривается и как поток фотонов – дискретных порций, обладающих энергией, величина которой пропорциональна частоте излучения.

Радикальные изменения представлениях о движении произошли в XVI - XVII вв.  Галилей, заложивший основы классической механики, сформулировал принцип относительности, установил закон инерции, закономерности свободного падения и движения тел по наклонной плоскости, принципы сложения движений. Используя экспериментальный метод, он (опровергнув учение Аристотеля) установил, что скорость свободно падающего тела не зависит от его массы, и что ее величина растет пропорционально квадрату времени падения. Суть закона инерции Галилея заключается в следующем: тело покоится или движется, не изменяя скорости и направления движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия (по Аристотелю, тело движется только при наличии внешнего действия, а когда это действие прекращается, тело останавливается).

В рамках МКМ поступательное движение тела рассматривается как перемещение его центра тяжести в трехмерном пространстве, в качестве параметров, характеризующих движение, используются координаты, время, скорость и ускорение. Для теоретического описания движения, которое строится на базе использования принципов относительности и инерции, используется понятие материальной точки, а главной механической характеристикой тела, рассматриваемой как мера его инерции, является масса.

В электродинамической картине мира утверждается относительность и взаимосвязь пространства, времени и движения материальной системы. Движение в ней рассматривается и как процесс распространения электромагнитных волн, пределом скорости распространения волн  (а также скорости движения дискретных частиц и тел) является скорость света в вакууме..

Современные представления о строении материи. Элементарные частицы. Как уже отмечалось, весь мир можно условно подразделить на три структурных уровня – мегамир, макромир и микромир. Мегамир включает в себя космические системы, Вселенную и характеризуется практически неограниченными масштабами. К макромиру относятся тела (которые в этом случае называются макроскопическими) размером от 10-8 до 105 м. Микромир иногда делят на два подуровня: атомно-молекулярный (области порядка10-10 - 10-9 м) и квантовый (область порядка 10-17 м). Подобное деление мира на уровни весьма условно, но принципиальным является то, что процессы, происходящие в микромире, нельзя анализировать так же, как макропроцессы в некотором уменьшенном масштабе, поскольку явления микромира подчиняются другим закономерностям.

В классической физике (связанной в основном с описанием макромира) вещество и поле противопоставляются друг другу: вещество – дискретно, а поле – непрерывно. Напротив, в микромире полевые и корпускулярные свойства материи объединяются: поле проявляет корпускулярные свойства и, наоборот, частица может проявлять волновые свойства. Между макромиром и микромиром существует еще одно различие, заключающееся в том, что макромир характеризуется существенными величинами масс тел и относительно малыми скоростями их движения, для микромира же характерны малые массы, но высокие скорости.

В   ХХ в. выяснилось, что не только атомы не элементарны и подвержены делению, но и атомные ядра делимы. Частицы, которые считались элементарными, как оказалось, «не элементарны», и могут претерпевать взаимные превращения, в результате которых некоторые из них исчезают, а другие появляются. Элементарными (субъядерными) стали называть такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. Эти частицы подразделяются на стабильные и нестабильные, нестабильные частицы распадаются на более стабильные, однако отсюда не следует, что первые состоят из вторых. Всем элементарным частицам присущи следующие основные черты: частицы, пока существуют, являются неизменными; частицы одного сорта абсолютно одинаковы, неразличимы; частицы могут рождаться и исчезать.

Элементарные частицы в настоящее время разделяют на следующие четыре класса: фотоны (кванты электромагнитного поля – частицы с нулевой массой покоя); лептоны (к этому классу элементарных частиц относятся электроны и нейтрино; мезоны (нестабильные частицы, участвующие в сильном взаимодействии; барионы (элементарные частицы, к которым относятся протоны, нейтроны, гипероны и другие, участвующие в фундаментальных взаимодействиях всех четырех видов). Барионы и мезоны являются сильновзаимодействующими частицами, по этому свойству они объединяются в группу с названием «адроны».

В начале второй половины XX века появилась гипотеза о существовании кварков – частиц, из которых состоят барионы и мезоны. Кварки обладают весьма необычным, нехарактерным для других частиц свойством – дробным электрическим зарядом. По-видимому, кварки не могут существовать в несвязанном, свободном виде. Число обнаруженных кварков различных видов, отличающихся друг от друга величиной и знаком электрического заряда и некоторыми другими признаками, достигло к настоящему времени нескольких десятков.

Соотношение понятий «взаимодействие» и «движение». Взаимодействие отдельных частей, движение и энергия представляют собой важнейшие атрибуты материи, без которых ее существование невозможно. Взаимодействие обусловливает соединение различных материальных элементов в системы, предопределяя системную организацию материи. Все свойства материи являются производными от взаимодействий, являются результатом структурных связей и взаимодействия между элементами материи.

Взаимодействие представляет собой протекающий во времени и пространстве процесс воздействия одних материальных объектов на другие путем обмена материей, энергией и движением, т.е. любое взаимодействие проявляется посредством определенного движения. Говоря о движении, обычно имеют в виду не только и не столько внутренние изменения материи, сколько внешнее перемещение тел в пространстве, где взаимодействия на первый взгляд не видно. Однако более пристальное рассмотрение позволяет сделать вывод о том, что и при перемещении тел в пространстве существует их взаимодействие с окружающей средой, в результате чего могут изменяться свойства движущихся тел. Не существует такого движения, которое не сопровождается взаимодействием элементов материи.

Основными формами существования материи являются вещество и поле, а взаимодействие и движение являются способами ее существования. Для всякого материального объекта существовать означает взаимодействовать, т.е. определенным образом проявлять себя по отношению к другим материальным объектам (элементам вещества или поля).

Формы движения материи можно классифицировать в соответствии с формами ее организации: движение в неживой природе, движение в живой Природе и социальное движение. В рамках физики ученые занимаются исследованием процессов, происходящих в неживой природе и являющихся основой более сложных процессов, протекающих в материальных объектах, соответствующих более высоким уровням организации материи.

На протяжении долгого времени физики понимали движение лишь как простое механическое движение – пространственное перемещение. В настоящее время движение этой простейшей формы понимается только как частный случай движения, изучаемого с физических позиций. Движение как проявление свойств материи неразрывно связано с так называемыми фундаментальными физическими взаимодействиями  (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия).

Общая характеристика фундаментальных физических взаимодействий. Каждое из фундаментальных физических взаимодействий в своей основе содержит изначально присущие материи особые свойства, природа и сущность которых до настоящего времени не вполне понятны. Человек сталкивается с проявлениями самых различных сил, связанных с взаимодействием различных материальных объектов (тел или полей). Действие одних сил происходит при непосредственном контакте тел (соприкосновении), другие силы действуют без такого контакта (на расстоянии), например, электромагнитные силы и силы гравитации. При всем многообразии действующих в природе сил соответствующие им взаимодействия можно свести к четырем фундаментальным. Ранжируя по степени интенсивности, их можно расположить в следующей последовательности: гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное.

Гравитационное взаимодействие является наименее интенсивным и распространяется на материальные объекты любого вида; данный вид взаимодействия имеет решающее значение, когда рассматриваются объекты, обладающие значительными массами.

Слабое взаимодействие, имеющее радиус действия менее 10-17 м, обусловливает процессы превращения одних элементарных частиц в другие, а также взаимодействие нейтрино с веществом. Типичный пример слабого взаимодействия – бета-распад нейтрона (в атомном ядре нейтрон стабилен, но «в одиночестве» распадается за 15 минут). Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны, масса которых достаточно велика (в сто раз превышает массу протона).

Электромагнитное взаимодействие, так же, как и гравитационное, относится к дальнодействующим (радиус их действия не ограничен). Оно определяет взаимодействие между заряженными частицами (например, между электронами и ядрами атомов), проявляется в химических связях, силах упругости, трения. Именно электромагнитные силы отвечают за стабильность атомов, определяют структуру молекул и ход химических реакций.

Сильное взаимодействие (как и слабое) является короткодействующим, радиус его действия около 10-15 м. Данное взаимодействие, обусловленное ядерными силами, обеспечивает соединение кварков в адроны и нуклонов в атомные ядра, благодаря нему ядра атомов являются весьма стабильными, устойчивыми к разрушению. Величина ядерных сил гораздо больше, чем электромагнитных, поэтому взаимодействие данного вида и было названо сильным.

Перечисленные фундаментальные взаимодействия являются причинами и источниками преобразований материальных любых объектов, природных процессов и явлений. Фундаментальные взаимодействия имеют как общие черты, так и отличия друг от друга. Общим для всех взаимодействий является то, что передача взаимодействия осуществляется не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью (не превышающей скорость света). Таким образом, в данном случае выполняется принцип близкодействия. Кроме этого, по современным представлениям взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, переносчика (транслятора) взаимодействия, при помощи которого оно происходит. В соответствии с этой концепцией взаимодействие между материальными объектами осуществляется посредством того или иного физического поля, непрерывно распределенного в пространстве, через среду, их разделяющую.

С появлением в начале XX века квантовой механики представление о физическом поле существенно расширилось и углубилось. Согласно квантовой концепции поля любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру. Следствием корпускулярно-волнового дуализма является то, что каждому физическому полю соответствуют определенные частицы – корпускулы. Например, электромагнитному полю соответствуют фотоны, это означает, что электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами (квантами электромагнитного поля), являющимися переносчиками данного взаимодействия. Точно так же и другие физические взаимодействия возникают и передаются в результате обмена материальных объектов квантами соответствующих полей.

6. Пространство и время. Специальная и общая теории

относительности

Эволюция представлений о пространстве и времени. Суть первоначальных представлений о пространстве и времени сводилась к тому, что они представляют собой некие внешние условия бытия, существующие независимо от материи. На основе подобных представлений Ньютоном была развита концепция абсолютного пространства и времени. Согласно этой концепции «абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным»; «абсолютное, истинное и математическое время само по себе и по самой своей сущности течет одинаково и безотносительно к чему бы то ни было внешнему…». Другими словами, и время, и пространство существуют вне каких-либо материальных процессов и абсолютно независимо от них.

Проблема пространства и времени тесно связана с концепциями близкодействия и дальнодействия. Напомним, что дальнодействие трактовалось (в частности, Ньютоном) как мгновенное распространение гравитационных и электрических воздействий через пустое абсолютное пространство. Напротив, концепция близкодействия (этой концепции придерживались Декарт, Гюйгенс, Фарадей, Максвелл) основана на представлении о том, что пространство заполнено эфиром, в котором любое взаимодействие передается от точки к точке, поэтому световые (и любые другие электромагнитные волны) распространяются с конечной скоростью. Именно такое понимание взаимодействия и пространства, возникшее в рамках классической физики, в XX веке (после отказа от гипотезы эфира) было развито в рамках теории относительности и квантовой механики.

Согласно современной (релятивистской) концепции, разработанной Эйнштейном в теории относительности, пространство и время представляют собой определенные формы координации материальных объектов и процессов, особенности и характер которых, в свою очередь, определяют основные свойства пространства и времени. Наличие у пространства и времени единого содержания – движущейся материи – показывает взаимосвязь пространства и времени, невозможность их существования абсолютно независимо друг от друга. С возникновением и развитием теории относительности ученые перестали рассматривать пространство и время как два атрибута материи – общее признание в естествознании и философии получил вывод о том, что их нужно объединить в понятие четырехмерного континуума и рассматривать как единую форму бытия материи – «пространство-время».

Основные свойства пространства и времени.  Рассмотрим общие и специфические свойства пространства и времени. К первой группе свойств относят:

      1. Объективность (независимость от человеческого сознания).

      2. Абсолютность, универсальность (пространство и время являются универсальными формами существования материи, проявляющимися на всех ее структурных уровнях и на всех этапах ее развития).

     3. Неразрывность связи пространства и времени друг с другом и с движущейся материей.

     4. Непрерывность структуры – отсутствие каких-либо разрывов в пространстве и во времени.

     5. Количественная и качественная бесконечность, неотделимая от структурной бесконечности материи (невозможно найти место, где отсутствовали бы пространство и время).

К специфическим свойствам пространства относят трехмерность, однородность и изотропность. Трехмерность означает, что пространство, в котором реализуются все известные процессы и взаимодействия, имеет три измерения, а положение любого объекта может быть определено с помощью трех независимых величин (координат).

Однородность пространства означает идентичность свойств всех точек пространства (отсутствие каких-либо выделенных точек). Однородности пространства соответствует симметрия относительно переноса системы координат – любой физический процесс протекает точно так же, если осуществить его в любой другой точке пространства.

Под изотропностью пространства понимают независимость его свойств от направления рассмотрения этих свойств (равноправность всех возможных направлений в пространстве). В изотропном пространстве любой физический процесс протекает так же, если осуществить его в любой другой системе отсчета, повернутой на произвольный угол (симметрия относительно поворота системы координат).

Время обычно характеризуют такими специфическими свойствами, как одномерность, необратимость, однородность.

Одномерность времени проявляется в линейной последовательности событий, связанных между собой, причем (в отличие от пространства) для определения положения во времени достаточно одной временной координаты. Кроме того, в отличие от пространства, обладающего свойствами изотропности и однородности, время обладает только свойством однородности, заключающимся в равноправии всех его моментов.

Однородность времени означает, что любой физический процесс протекает так же, если повторить его через произвольный промежуток времени (симметрия относительно изменения начала отсчета времени). Свойства однородности пространства и времени и изотропности пространства, как будет показано далее, теснейшим образом связаны с фундаментальными физическими законами – законами сохранения.

Необратимость является свойством времени, означающим однонаправленное его изменение от прошлого к будущему, обратное течение времени и возврат в прошлое невозможны. Необратимость времени связана с необратимостью протекания фундаментальных материальных процессов.

Принципы относительности. Классический принцип относительности (принцип физического равноправия инерциальных систем), сформулированный Галилеем в 1636 году, звучит так: во всех инерциальных системах отсчета движение тел происходит по одинаковым законам. Напомним, что инерциальными называются системы отсчета, в которых выполняется закон инерции: материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы (или действуют взаимно уравновешенные силы), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Строго говоря, понятие инерциальной системы отсчета является научной абстракцией, т.к. любая реальная система отсчета всегда связана с конкретным телом (например, с Землей). В соответствии с классическим принципом относительности  никакими механическими опытами, проводимыми в инерциальной системе отсчета, невозможно определить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно. Этот принцип, выступающий как один из принципов инвариантности, явился исходным пунктом теории относительности Эйнштейна.

Легко понять, что описание любого физического явления зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель. Например, пассажиры движущегося трамвая видят, что монета, выпавшая из руки одного из них, падает вертикально, а для пешеходов, стоящих на улице, движение этой монеты будет происходить по параболе. Таким образом, описание событий при переходе из одной системы отсчета в другую может изменяться, однако физические законы, соответствующие падению тел (равно как и любые другие законы природы) одинаковы для наблюдателей, находящихся как в неподвижной, так и в движущейся системе координат.

Другими словами, описание событий зависит от наблюдателя, а законы природы от него не зависят, т.е. являются инвариантными, в этом и заключается суть расширенного принципа относительности. Приведем эквивалентную формулировку этого принципа: физические законы имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета. Кроме принципа относительности из опыта известны и другие принципы инвариантности (или, говоря иначе, симметрии) законов природы, в частности, принципы симметрии, связанные с однородностью пространства и времени.

Основываясь на принципе относительности, Эйнштейн построил две отдельные (хотя и родственные, связанные друг с другом) теории. Классический принцип относительности Галилея утверждал инвариантность законов механики во всех инерциальных системах отсчета. Специальная (частная) теория относительности была создана Эйнштейном в результате попыток распространить действие этого принципа на законы электродинамики.  В общей теории относительности утверждается инвариантность законов природы в любых системах отсчета – как инерциальных, так и неинерциальных системах (движущихся с переменной скоростью по отношению к инерциальным системам).

Специальная теория относительности. Благодаря своей особой роли не только в электродинамике, но и в теории относительности Эйнштейна центральное место занимает скорость света. Долгое время ее считали бесконечно большой величиной, численное значение скорости света в свободном пространстве, приближенно равное 300000 км/с, было определено лишь в XIX веке. Эта величина является верхним пределом скорости любых объектов, волн и сигналов, предельной скоростью передачи информации и любых физических взаимодействий. В подавляющем большинстве случаев скорость света несоизмеримо велика по сравнению со скоростями тел в окружающем нас мире (например, скорость Земли в ее орбитальном движении вокруг Солнца составляет около 30 км/с, а скорость самого Солнца, движущегося вокруг центра Галактики, равна примерно 250 км/с).

В соответствии с расширенным принципом относительности скорость света в вакууме должна быть одинаковой во всех инерциальных системах отсчета. Этот принцип, казалось бы, противоречит здравому смыслу, так как  свет от движущегося источника (с какой бы скоростью он ни двигался) и от неподвижного источника должны доходить до наблюдателя одновременно. Однако в природе распространение света происходит именно так.

Чтобы обобщить принцип относительности и распространить его на все законы физики, Эйнштейну пришлось пересмотреть ньютоновские пространственно-временные представления. Из специальной теории относительности следует, что многие пространственно-временные свойства, считавшиеся до сих пор неизменными, абсолютными, фактически таковыми не являются – они относительны. В частности, в специальной теории относительности утратили свой абсолютный характер такие пространственно-временные характеристики, как протяженность объекта (длина), временной интервал, одновременность событий. Все эти характеристики, как показал Эйнштейн, зависят от взаимного (относительного) движения материальных объектов.

Специальная теория относительности объединяет пространство и время в целостный пространственно-временной континуум. В соответствии с этой теорией пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения – при увеличении скорости тела (до значений, близких к скорости света) его размеры тела сокращаются в направлении движения, временные процессы замедляются, кроме того, при этом возрастает масса тела.

При сложном (совокупном) движении материального объекта его скорость определяется сложением векторов скоростей, соответствующих компонентам движения. В этом смысле скорость относительна – ее величина зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель. В противоположность этому движение света принципиально отличается от движения других материальных объектов, скорость которых меньше скорости света – скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, В этом состоит суть важнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теории относительности.

Абсолютность, неизменность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство скорости света – твердо установленное свойство природы. Чрезвычайно важным является то, что без привлечения этой важнейшей величины – скорости света – невозможно решить проблему одновременности событий. Одновременность в теории относительности также является относительной, зависящей от системы отсчета. В классической механике, в которой время абсолютно, абсолютной является и одновременность явлений. В специальной теории относительности рассматриваются парадоксальные эффекты, возникающие при движении тел со скоростью, близкой к скорости света, и противоречащие обычным интуитивным представлениям о мире. Самый известный из этих эффектов – эффект замедления  (замедления хода часов): часы, движущиеся относительно наблюдателя, идут для него медленнее, чем такие же часы у него на руке.

Общая теория относительности. В отличие от специальной теории относительности общая теория относительности (ОТО) применима к любым системам отсчета. В математическом отношении ОТО гораздо сложнее, она включает в себя как частный случай специальную теорию относительности (а, следовательно, и законы Ньютона),. В ОТО установлена зависимость пространственно-временных отношений от материальных процессов, протекающих во времени и пространстве. В основе этой теории лежит принцип эквивалентности инерционной и гравитационной масс, установленный еще в классической физике: кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны инерциальным эффектам, возникающим под действием ускорения. 

В общей теории относительности Эйнштейн дает новую интерпретацию гравитации. В соответствии с законом всемирного тяготения между любыми двумя телами во Вселенной существует сила взаимного притяжения – именно поэтому, в частности, Земля вращается вокруг Солнца. Однако в ОТО это явление интерпретируется иначе: гравитационное поле любого тела является следствием деформации (искривления) пространства-времени под воздействием массы тела. При этом, чем тяжелее (массивнее) тело, порождающее гравитацию, тем сильнее деформируется пространство-время вокруг него и тем сильнее его гравитационное поле. То, что наблюдатель считает силой тяжести (силой в ньютоновском понимании), согласно ОТО есть мера внешнего проявления искривления пространства-времени. Отметим, что до настоящего времени подобная трактовка является наиболее удовлетворительным объяснением природы гравитации.

В ОТО установлено не только искривление пространства под действием гравитационного поля, но и замедление хода времени в сильных полях тяготения, которое тем заметнее, чем интенсивнее гравитационное поле (в гравитационном поле с достаточно высокой напряженностью возможна полная остановка времени). При этом со световым излучением происходит следующее: чем сильнее тяготение, тем больше увеличивается длина световой волны и уменьшается ее частота; при определенной величине напряженности гравитационного поля длина волны стремится к бесконечности, а ее частота соответственно к нулю. Для наблюдателя этот эффект проявляется в том, что источник светового излучения становится невидимым, поскольку свет не распространяется, не покидает источника. В частности, со светом, излучаемым Солнцем, такое могло бы случиться при его сжатии в шар с радиусом менее 3 км – тогда (в соответствии с законом всемирного тяготения) сила тяготения вблизи поверхности этого шара увеличится настолько, что свет не сможет покинуть поверхность звезды.

Общая теория относительности стала последней фундаментальной физической теорией, созданной в рамках построения электромагнитной картины мира. Современное понимание пространства и времени, как видно из вышеизложенного, тесно связано с теорией относительности.

7. Основные принципы современной физики.

Симметрия и законы сохранения

Принципы симметрии и их связь с законами сохранения. Наряду с известными фундаментальными физическими теориями, каждая из которых описывает вполне определенные процессы или явления (механическое или тепловое движение, электромагнитные колебания и волны, физические процессы микромира и т.д.), важное значение имеют более общие закономерности (правила), влияние которых распространяется на все физические процессы, на все формы движения материи. Эти общие правила и называют принципами. Один из таких принципов – принцип относительности – был рассмотрен выше. Отметим, что речь идет о тех принципах науки, которые в отличие от принципов, определяющих человеческое поведение, не могут быть нарушены, они неукоснительно выполняются самой Природой.

Термин «симметрия» (от греч. symmetric – соразмерность) в узком значении этого слова означает соразмерность, пропорциональность в расположении чего-либо. Согласно Г. Вейлю «симметричным называется предмет, который можно изменить в пространстве так, чтобы получить то, с чего начинали».

Геометрическая симметрия (соответствующая повороту или отражению) в природе встречается буквально на каждом шагу: от симметрии в строении молекул, симметрии кристаллических структур, симметрии снежинок и т.п. до зеркальной симметрии листьев растений и деревьев, симметрии человеческого тела и тел практически всех живых существ относительно «средней» плоскости. Однако нас интересует другая (физическая) симметрия, т.е. симметрия физических явлений и законов природы.

Принципы симметрии (или инвариантности) считаются важнейшими среди целой группы принципов современной физики. Следствиями принципов симметрии, как уже отмечалось, являются законы сохранения физических величин (согласно этим законам численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в процессах определенных типов). Различные проявления симметрии связаны с различными законами сохранения, например, закон сохранения энергии системы вытекает из свойства однородности времени, закон сохранения импульса – из свойства однородности пространства, а закон сохранения момента импульса – из свойства изотропности пространства, в котором находится система.

Симметрия, связанная с физическими законами, может быть непосредственно не связана с геометрией. Например, при перемещении некоторого тела в поле тяжести Земли на небольшие расстояния работа, затрачиваемая на подъем, зависит только от разности значений высоты, которую преодолело тело, и не зависит от абсолютной высоты. В данном случае мы имеем дело с симметрией относительно выбора начала отсчета высоты, подобная симметрия в физике называется калибровочной (связанной с изменением масштаба, калибра).

В общем случае под симметрией в физике следует понимать свойство физических законов оставаться неизменными (инвариантными) по отношению к тем или иным преобразованиям, связанным с условиями и параметрами наблюдения того или иного явления. Принципы симметрии можно соотнести с двумя ее вариантами: с пространственно-временной (внешней) симметрией и с внутренней симметрией, связанной со свойствами элементарных частиц.

Перечислим и кратко поясним другие варианты преобразований и связанные с ними законы сохранения физических величин.

Физическая симметрия относительно сдвига системы отсчета (системы пространственных координат как целого) означает равноправие всех точек пространства, т.е. однородность пространства. Перемещение (сдвиг) в пространстве любой физической системы никаким образом не влияет на физические процессы внутри этой системы, на характер процессов в данной области пространства. Из симметрии этого вида вытекает закон сохранения импульса.

Симметрия физических законов относительно поворота системы отсчета как целого означает эквивалентность (равноправие) всех направлений в пространстве, т.е. изотропность. Из инвариантности законов физики относительно этого преобразования вытекает закон сохранения момента импульса.

Симметрия относительно перехода к другой системе отсчета, движущейся относительно данной системы с постоянной по величине  и направлению скоростью, означает эквивалентность всех инерциальных систем: законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. В этом, как известно. заключается принцип относительности, в соответствии с которым физические законы не изменяются при преобразованиях Галилея (преобразованиях Лоренца в релятивистском случае), связывающих значения координат и времени в различных инерциальных системах отсчета. Из принципа относительности вытекает сохранение скорости движения центра масс изолированной механической системы.

Закон сохранения энергии в макроскопических процессах.  По мнению одного из наиболее известных физиков-теоретиков Р. Фейнмана закон сохранения энергии является наиболее трудным для понимания из всех законов сохранения, т.к. велика степень его абстрактности в отличие, например, от закона сохранения электрического заряда.

Энергию любого вида можно вычислить, используя известные соотношения, во многих случаях ее можно и измерить. Если сложить все значения, соответствующие энергии разных видов, то их сумма всегда будет одинаковой. Вместе с тем не существует никаких реальных частиц энергии, речь идет об абстрактном математическом правиле: существует число, которое не меняется, когда бы вы его ни подсчитали. Энергия может существовать во множестве различных форм. Есть энергия, связанная с движением тел или частиц (кинетическая энергия); энергия, связанная с гравитационным взаимодействием (потенциальная энергия); тепловая, электрическая и световая энергия; энергия упругости пружин; химическая энергия; ядерная энергия и, наконец, энергия, которой обладает частица в силу одного своего существования и которая прямо пропорциональна ее массе (Е = mс2).

Многие из этих видов (форм) энергии связаны между собой. Например, тепловая энергия тела – это суммарная кинетическая энергия движения частиц в нем, световая энергия есть не что иное, как электромагнитная энергия, упругая энергия и химическая энергия имеют одинаковое происхождение – в основе той и другой лежат силы взаимодействия между атомами.

Когда изменяется энергия какого-то одного вида, в соответствии с законом сохранения должна измениться и какая-то другая энергия (ровно на столько же, но в обратную сторону). Например, если сжигать бумагу, химическая энергия будет уменьшаться, но появится теплота там, где ее раньше не было, а суммарная энергия должна остаться прежней.

В обычной практике справедливость закона сохранения энергии не всегда очевидна, иногда совершенно непонятно, откуда взялась та или иная энергия, или куда она исчезла. Но, как бы ни был сложен процесс энергетических преобразований, полная энергия всегда сохраняется, нарушений этого закона никто и никогда не фиксировал.

Принцип соответствия, дополнительности и неопределенности.  Принцип соответствия, провозглашающий преемственность физических теорий, был впервые сформулирован Бором в 1923 году. Бор установил, что законы квантовой механики при больших значениях квантовых чисел переходят в законы классической механики.

Любые научные теории и законы не являются абсолютно адекватным, абсолютно точным отображением свойств действительности, они лишь в той или иной степени соответствуют существующим в природе объективным закономерностям. По мере углубления наших знаний о природе одни теории («менее точные») сменяются другими («более точными»), например, динамические теории сменяются статистическими, нерелятивистские – релятивистскими, и т.п. Всякая новая теория является развитием предыдущей, она не отвергает предыдущую полностью, а лишь определяет границы её применимости. Никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая прежнюю теорию, относящуюся к тем же явлениям, другими словами, должно иметь место соответствие «старых» и «новых» теорий.

Принцип дополнительности также был сформулирован Бором (в 1927 году) применительно к квантовой физике. В соответствии с этим принципом для полного описания квантово-механических объектов и явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) классических понятия (частица и волна) При этом взаимоисключающие представления не противоречат друг другу, а именно дополняют одно другое, что и отражено в названии принципа. Только совокупность таких представлений понятий может дать исчерпывающую (целостную) информацию о квантово-механических объектах и явлениях.

Суть принципа дополнительности, таким образом, заключается в том, что признается не только допустимым, но и необходимым использование двух языков, каждый из которых базируется на обычной логике, но описывает исключающие друг друга физические явления, связанные, например, с проявлением непрерывных и корпускулярных свойств микрочастиц или света. Применение этого принципа является, по сути, признанием того, что одной логической конструкции оказывается недостаточно для описания микромира во всей его сложности. Требование нарушить общепринятый подход к описанию картины мира впервые появилось в квантовой механике, и в этом состоит ее особое философское значение.

Согласно принципу дополнительности получение экспериментальной информации об одних физических величинах, соответствующих микрообъекту (молекула, атом, элементарная частица), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других физических величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата частицы и ее импульс (или скорость), энергия и время, кинетическая и потенциальная энергия, напряженность электрического (магнитного) поля в данной точке и число (плотность) фотонов, соответствующих данному электромагнитному полю.

С позиции физика-экспериментатора роль измерительного прибора при исследовании квантовых объектов заключена в подготовке некоторого исходного состояния квантовой системы. Однако надо иметь в виду, что такие состояния, в которых взаимно дополнительные величины одновременно имели бы точно определенные значения, принципиально невозможны. Причем, если одна из этих величин определена точно, то другая является полностью неопределенной. Таким образом, принцип дополнительности фактически отражает объективно существующие (т.е. никак не связанные с существованием наблюдателя) свойства квантовых систем.

 Другим физическим, но также имеющим философский смысл положением, непосредственно касающимся принципа дополнительности (и являющимся его частным выражением), является сформулированное Гейзенбергом соотношение неопределенностей и соответствующий ему принцип неопределенности.

Говоря о частице, обычно представляют себе микроскопический сгусток вещества, находящийся в данный момент в определенном месте, обладающий определенными параметрами – энергией, скоростью, импульсом и др. При этом мы предполагается возможным абсолютно точно измерить координаты, импульс и энергию этой частицы в любой момент времени. Однако, оказалось, что для микрочастиц такое представление об измерении их параметров неправомерно.

Когда закладывались основы квантовой механики, проблему измерения первым осознал Гейзенберг. Начав со сложных математических формул для описания поведения материальных объектов на атомном уровне, он в 1927 году пришел к удивительной по простоте формуле, количественно описывающей эффект воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира. Эта формула называется соотношением неопределенностей:

 Δx∙Δv ˃ h/m.

На основе этого соотношения Гейзенбергом был сформулирован принцип, впоследствии названный его именем: никакая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра масс (центра тяжести) и ее импульс одновременно принимают вполне определенные точные значения.

Поскольку величина постоянной Планка (6,626∙10-34 Дж∙с) пренебрежимо мала по сравнению с макроскопическими величинами той же размерности, то действие соотношения неопределенности существенно лишь для явлений атомных масштабов и совершенно не проявляется в опытах с макроскопическими телами.

Из соотношения неопределенности следует, что, чем более точно определена одна из величин, входящих в неравенство, тем менее точно определено значение другой величины. Причем никакой эксперимент не позволяет провести точное одновременное измерение сопряженных переменных величин, при этом неопределенность в измерениях связана не с возможным несовершенством измерительной техники, а с объективными свойствами материи на микроуровне.

Принцип суперпозиции.  Принцип суперпозиции (наложения) имеет важное значение в физике и, особенно, в теории колебаний, волновой оптике и квантовой механике. Согласно принципу суперпозиции результирующий эффект от нескольких (многих) воздействий представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности. Принцип суперпозиции выполняется при условии, что эти воздействия независимы (не влияют друг на друга), т.е. в системах, поведение которых описывается линейными уравнениями.

В релятивистской квантовой теории, предполагающей взаимное превращение частиц, принцип суперпозиции должен быть дополнен другими принципами. Например, при аннигиляции электрона и позитрона принцип суперпозиции необходимо дополнить принципом (законом) сохранения электрического заряда – до и после превращений сумма зарядов элементов системы должна быть неизменной. Поскольку заряды электрона и позитрона равны и взаимно противоположны, должна возникать незаряженная частица, которой и является рождающийся в процессе аннигиляции фотон.

Принцип возрастания энтропии в изолированных системах.Энтропия – мера хаоса, мера необратимого рассеяния энергии (в термодинамике); мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния (в статистической физике); мера неопределенности какого-либо опыта, который может иметь различные исходы.

Немецкий физик Клаузиус в 1865 году показал, что процесс превращения теплоты в работу подчиняется определенной физической закономерности – второму началу термодинамики. Строгая математическая формулировка этого закона потребовала введения особой функции состояния системы, эту функцию Клаузиус и назвал энтропией. Некоторое представление об энтропии можно составить по такому примеру – изменение энтропии при испарении жидкости равно отношению теплоты испарения к температуре кипения при условии равновесия жидкости и ее насыщенного пара. Следует иметь в виду, что в рамках второго начала термодинамики энтропия определяется с точностью до аддитивной постоянной (т.е. начало отсчета значений энтропии произвольно).

Второе начало термодинамики указывает на специфику тепловой энергии, связанной с неупорядоченным, хаотическим движением, что отличает ее от других видов энергии (механической, электрической и пр.), связанных с упорядоченным движением материи. За счет работы всегда можно получить эквивалентное ей тепло, а вот за счет тепла эквивалентную ему работу совершить невозможно. Другими словами, энергию неупорядоченной формы невозможно полностью перевести в энергию упорядоченной формы. Мерой неупорядоченности (или мерой хаоса) в термодинамике является энтропия. Таким образом, в соответствии со вторым началом термодинамики в случае изолированной системы (системы, не обменивающейся энергией и веществом  с окружающей средой) неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. При нагревании тела энтропия увеличивается, растет степень неупорядоченности – в изолированной системе величина энтропии может только возрастать.

8. Строение  и  эволюция  Вселенной

Особенности и методы исследования Вселенной.  Под Вселенной чаще всего понимают «все сущее», т.е. весь существующий материальный мир, пространственные и временные границы которого неизвестны. Ту часть Вселенной, которая доступна для астрономических наблюдений, принято называть Метагалактикой. Установлено, что Метагалактика изотропна, т.е. в этой «видимой» области Вселенной ее свойства не зависят от пространственного направления. Поэтому параметром Метагалактики является ее радиус, который с момента изобретения телескопа непрерывно увеличивается. В настоящее время астрономы регистрируют объекты Вселенной, находящиеся на расстояниях от нас порядка (6…8) млрд. световых лет1.

Отметим, что, исследуя те или иные объекты Вселенной, можно изучать только их прошлое, причем, чем более удаленные от нас объекты становятся доступными для наблюдения, тем в более глубокое прошлое удается заглянуть. Другими словами, увидеть строение и структуру всей Метагалактики в какую-либо определенную эпоху ее истории принципиально невозможно. Если разбить объем Метагалактики на множество концентрических слоев, то каждый слой мы можем видеть лишь таким, каким он был в соответствующий исторический промежуток времени. При осмыслении результатов астрономических исследований становится очевидной и наглядной неразрывная связь пространства и времени. Символичным отражением этой связи является использование для оценки больших расстояний такой единицы измерения как световой год. (Другими единицами измерения  расстояний, используемыми в астрономии, являются  астрономическая единица2 и  парсек3).

Астрономия как наука о строении и развитии космических тел и систем зародилась еще в глубокой древности. Задолго до наступления новой эры с высокой точностью были определены продолжительность года, период чередования фаз Луны, периоды движения видимых глазом планет, период повторяемости солнечных затмений. В честь семи светил (Солнце, Луна и пять планет), перемещающихся на фоне неподвижного звездного  неба, были установлены 7 дней недели. Был определен путь Солнца по т.н. большому кругу небесной сферы, названному эклиптикой, расположенные вдоль этого круга 12 созвездий получили названия зодиакальных.

Первым астрономом мира, взглянувшим на  небо в телескоп, по-видимому, является Г. Галилей, построивший в 1610 г. несколько телескопов и совершивший множество астрономических открытий.  Долгое время астрономы использовали лишь оптические телескопы, поэтому удавалось исследовать лишь те объекты Вселенной, которые излучают свет. Лишь с середины ХХ века астрономия, по образному выражению российского ученого И. Шкловского, стала всеволновой. Сначала были созданы радиотелескопы, затем, как только стало возможным выносить приемники излучения за пределы земной атмосферы,  появились рентгеновские телескопы и гамма-телескопы.

Космологические положения во все времена составляли основу научного мировоззрения. В течение полутора тысячелетий вершиной теоретической астрономии и ядром сложившейся естественнонаучной картины мира являлась геоцентрическая система мира. Лишь в середине XVI в. польский астроном Н. Коперник, совершил полный переворот в астрономии, положивший начало перевороту в науке в целом.

Основу классического мировоззрения составляли следующие космологические положения:

 • Вселенная бесконечна в пространстве и времени, ее бесконечность в пространстве гармонично соответствует вечности во времени.

 • Основным законом, который управляет движением и развитием небесных тел, является закон всемирного тяготения.

 • Количество звезд, звездных систем и планет во Вселенной бесконечно велико.

 • Каждое небесное тело проходит длительный путь развития, при этом на смену угасающим звездам появляются новые.

 • Рождение и гибель отдельных миров не изменяют облик структуры Вселенной, которая является стационарной.

Основы современной (релятивистской) космологии были заложены в трудах А. Эйнштейна по общей теории относительности. Космологические воззрения, составляющие ядро  современной научной картины мира, сформированы благодаря усилиям многих ученых – астрономов, физиков и астрофизиков – А. Фридмана, В. Слайфера, Э. Хаббла, Г. Гамова, А. Пензиаса,  Р. Вильсона, С. Хокинга, Я. Зельдовича, и др.

 

Основные космогонические гипотезы. Модель горячей расширяющейся Вселенной. Космология (буквально - наука о космосе) – это  учение о Вселенной в целом, ее рассматривают и как часть астрономии, и как самостоятельную науку.  В современном представлении Космос –  это все то, что находится за пределами земной атмосферы, однако изначальное значение греческого слова Космос было другим. Древние греки Космосом называли порядок, гармонию,  противоположностью Космосу был хаос, т.е. беспорядок. Поэтому термин «космология»  представляется весьма удачным названием  науки, которая направлена на поиск закономерностей, позволяющих рассматривать Вселенную как упорядоченное целое.   Другая наука о Вселенной – космогония, в отличие от космологии является более узкой областью знаний, в рамках этой науки рассматриваются  лишь проблемы происхождения, возникновения Вселенной и входящих в нее космических тел.

Первые попытки объяснить происхождение Солнечной системы с научной точки зрения были предприняты в XVIII в.. В 1755 г. И. Кант изложил разработанную им гипотезу происхождения планет Солнечной системы из первоначальной туманности, вращающейся вокруг Солнца. Независимо от Канта близкую по смыслу космогоническую гипотезу в 1796 г. сформулировал известный французский физик и математик П. Лаплас.  Центральная идея гипотезы, вошедшей в науку как гипотеза Лапласа- Канта, заключается  в том, космические тела образуются путем постепенного сжатия первоначально равномерно рассеянного в пространстве диффузного  вещества (космической пыли) под действием сил гравитации. Согласно этой гипотезе, в процессе эволюции Вселенной, происходит уплотнение вещества, сопровождающееся повышением температуры – гравитационная энергия преобразуется в кинетическую и тепловую.

Современная космогония допускает формирование звезд, планет и других космических тел  в соответствии с гипотезой Лапласа-Канта, но лишь на относительно поздних этапах эволюции Вселенной. Исходное же вещество Вселенной, из которого впоследствии сформировались все космические тела, в соответствии с современными представлениями, образовалось на более ранних (дозвездных) стадиях ее эволюции в  процессе  расширения и фрагментации первоначально сверхплотного и сверхгорячего ядра. Процесс расширения в отличие от процесса гравитационного сжатия сопровождался уменьшением температуры и плотности материи с течением времени.

В основе гипотезы первоначального сверхплотного ядра, которой соответствует модель горячей расширяющейся Вселенной, выдвинутая в 1946 г. американским физиком  Г. Гамовым, лежит представление о т.н. Большом Взрыве, с которого, согласно этой гипотезе, 12…18 млрд. лет назад и началась история Вселенной.  Начальное сверхплотное состояние материи, из которого, как предполагается, возникла и развилась Вселенная, чаще всего называют сингулярным. Это состояние через ничтожно малую долю секунды (порядка 10-43 с) после Большого Взрыва характеризуют следующими  значениями параметров:  плотность – 1093 г/см3, температура – 1032 градусов.   Важнейшим пунктом гипотезы Большого Взрыва, которая  в настоящее время считается почти общепризнанной,  является нестационарность Вселенной. Сама же идея о расширении Вселенной имеет долгую и сложную историю.

Великий Эйнштейн, подобно Ньютону, считал Вселенную статичной, но он считал ее конечной и безграничной. В  ОТО он предсказал, что подобная конечная и статичная Вселенная без границ (подобно поверхности Земли) возможна, но только не в трех измерениях, а в четырех. Для объяснения стационарности Вселенной Эйнштейну пришлось ввести в свои уравнения гипотетическую отталкивающую силу, действие которой проявлялось лишь в космологических масштабах. Эйнштейн считал эту отталкивающую силу необходимой для преодоления гравитационных сил притяжения, которые в противном случае должны были бы привести  к коллапсу конечной и статичной Вселенной.

В 1927 году бельгийский священник и математик Ж. Леметр обнаружил новые решения уравнений Эйнштейна, допускавшие расширение Вселенной без необходимости существования космологической силы. Позже он узнал, что эти решения были найдены пятью годами раньше него российским физиком и математиком А. Фридманом. Именно Фридман первым обратил внимание на это следствие общей теории относительности Эйнштейна, т.е. на то, что искривленное  пространство не может быть стационарным, оно должно либо расширяться, либо сжиматься. А в 1929 году ставший впоследствии знаменитым американский астроном Э. Хаббл установил, что, чем дальше находится галактика, тем быстрее она отдаляется от нас, именно это открытие затем и было положено в основу модели расширяющейся Вселенной.

Первым т.н. красное смещение4 в спектрах излучения5 других галактик обнаружил другой американский астроном – В. Слайфер. Еще в 1917 г. (в этом  году А. Эйнштейн предложил свою модель конечной Вселенной) он опубликовал результаты  многолетних исследований спектров 41 туманности (термин «галактика» в те годы еще не использовался). и В 36 случаях им было обнаружено  красное смещение спектральных линий, которое в дальнейшем было объяснено эффектом Доплера и связано с удалением других галактик от Млечного Пути.  

Э. Хаббл установил всеобщую закономерность “разбегания” галактик. Сформулированный  им закон гласил, что скорость удаления произвольной галактики v прямо пропорциональна  расстоянию d до нее: v = Hd.  Коэффициент пропорциональности Н в этом уравнении получил название постоянной Хаббла, величину этой постоянной  важно знать по двум причинам. Зная Н и определив величину красного смещения излучения какого либо далекого космического объекта, астрономы определяют расстояние до этого объекта.  Кроме того, в рассматриваемой  модели расширяющейся Вселенной величина 1/Н,  имеющая размерность времени, используется для оценки времени, прошедшего с момента Большого Взрыва.  Если предположить, что наблюдаемая  картина разлета галактик имела место и в сколь угодно далеком прошлом, то, зная Н, можно оценить радиус космологического горизонта R, а значит и возраст Вселенной.   Полагая, например, что Н  2∙10-18 с-1 (около 62 км/с∙Мпк), получим R  с/Н  15 млрд. световых лет.

Считается, что закон Хаббла является следствием расширения Вселенной после Большого Взрыва, который и привел к созданию пространственно-временного континуума. Красное смещение спектральных линий излучения далеких галактик, которое тем значительнее, чем дальше от нас находится светящийся объект, доказывает расширение наблюдаемой части Вселенной (Метагалактики). Модель расширяющейся Вселенной является по своей сути эволюционной, так как в ней сегодняшнее состояние и наблюдаемая структура Вселенной связываются с ее предысторией. Одновременно это означает, что 15 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень малой области, называемой сингулярной точкой (сингулярностью) или “ядерной каплей”.

Г. Гамов пришел к идее о горячем начале Вселенной в процессе разработки теории происхождения химических элементов из нейтронной среды. Сегодня считается доказанным, что элементы тяжелее гелия не могли быть синтезированы в процессе Большого взрыва, их синтез происходит в звездах. Однако сам гелий, который по распространенности во Вселенной уступает только водороду, и суммарная масса которого составляет треть всей массы Вселенной, согласно современным воззрениям был синтезирован в дозвездной стадии ее эволюции.   По одной из версий весь этот гелий образовался в течение двух первых минут существования Вселенной.

Первая стадия эволюции Вселенной согласно модели Большого взрыва была универсальной в том смысле, что всю материю охватывал единый процесс развития, в ходе которого увеличивался объем Вселенной при соответствующем уменьшении плотности материи и ее температуры. На этой стадии (в процессе непрерывного  преобразования излучения в вещество и вещества в излучение) рождались и аннигилировали пары частиц вещества и антивещества.  В какой-то момент по причинам, которые пока в полной мере не выяснены, возникла асимметрия, число частиц превысило число античастиц, и вещество стало накапливаться. Возник тот набор элементарных частиц и легких ядер (водород, дейтерий, тритий, гелий), который и являлся в дальнейшем строительным материалом при образовании галактик и звезд.

Постепенно вещество во Вселенной начинает преобладать над излучением и происходит его отделение  от излучения, после чего Вселенная становится прозрачной для излучения. Вторая стадия эволюции Вселенной – галактическая и звездная, на этой стадии согласно рассматриваемой модели сначала (через 1-2 млрд. лет после Большого взрыва) образуются галактики и их скопления, затем внутри галактик образуются звезды, в недрах которых в результате различных термоядерных реакций образуется весь набор химических элементов, включая самые тяжелые.

Одним из наиболее весомых аргументов в защиту гипотезы о горячем начале Вселенной явилось обнаружение космического микроволнового фонового радиоизлучения, которое  впоследствии по предложению И. Шкловского  было названо реликтовым. В 1965 г. американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили избыточный радиошум, свойства которого не зависели от направления. И интенсивность, и спектральный состав этого фонового излучения не изменялись при изменении пространственной ориентации  антенной системы радиотелескопа.  На основании того, что источники этого радиоизлучения невозможно обнаружить, был сделан вывод, что его природа  не связана с галактиками или звездами, и что это излучение возникло на догалактической стадии, когда вся Вселенная представляла собой однородный раскаленный шар. Существенно, что наличие во Вселенной подобного фонового излучения было предсказано Г. Гамовым  еще в 1946 г.  По его предположению, это излучение состоит из фотонов, высвобожденных после того момента, когда в процессе расширения и остывания Вселенной ее материя разделилась на атомы и фотоны.    

 

Строение и структура Вселенной.  Галактики.  Наша Галактика - Млечный путь.   В ясную темную ночь на видимой половине неба невооруженным глазом можно увидеть от 2-х до 3-х тысяч звезд.  Все  эти звезды принадлежат нашей галактике – галактике Млечного Пути, в которой по современным оценкам насчитывается несколько сотен миллиардов звезд. Одной из рядовых звезд  в составе Млечного Пути является Солнце.

 Кроме звезд на небе можно увидеть слабо светящиеся размытые пятнышки, которые долгое время называли туманностями. Сначала предполагалось, что это небольшие облака газа и пыли, находящиеся неподалеку от нас. Однако оказалось, что в большинстве случаев эти туманности представляют собой огромные звездные системы, подобные нашей Галактике, но находящиеся на очень больших расстояниях от нее. Эти звездные системы были названы галактиками (от греческого слова «галактос», что означает «млечный»).

Галактики являются основными структурными элементами Вселенной. Э. Хаббл, одним из первых исследовавший десятки ближайших к нам  галактик, установил, что они не во всем похожи друг на друга, и выделил три основных типа – спиральные, эллиптические и неправильные галактики. Галактика Млечного Пути относится к наиболее распространенному типу спиральных галактик. В дальнейшем тексте для краткости и в отличие от остальных галактик будем называть ее Галактикой (с заглавной буквы).

В строении Галактики можно выделить три главных структурных элемента – диск, сферическую оболочку (гало), и корону. Основная часть ярких звезд Галактики сосредоточена во внутренней области, форму которой интерпретируют как линзу или как диск.  Диаметр этого диска составляет примерно 30 кпк (100 тысяч световых лет), а средняя высота – 5 кпк. Солнце находится в диске (вблизи  средней диаметральной плоскости) на расстоянии от центра, составляющем около двух третей радиуса (примерно 10 кпк). Светящаяся полоса Млечного Пути на небосводе – это и есть видимый нами изнутри диск Галактики.

Форму гало  чаще всего считают сферической, однако она ближе к эллипсоиду, большая  полуось которого  близка к радиусу диска, а малая  составляет приблизительно три четверти этого радиуса.  Население гало - это преимущественно старые и слабые по блеску звезды, газ  и  пыль  в  гало практически отсутствуют. Плотность звезд гало нарастает при приближении к центру Галактики, суммарные массы  диска и гало приблизительно равны. Диск и окружающее его гало погружены в очень разреженную корону – третий главный элемент структуры Галактики. Согласно современным представлениям, радиус короны в 5-10 раз больше радиуса галактического диска. Корона не содержит светящихся звезд, а ее масса (по имеющимся оценкам она в 5-10 раз превышает  суммарную массу звезд Галактики) – это и есть т.н. «скрытая масса».

Ближайшая к нам гигантская галактика - Туманность Андромеды, как и наша Галактика, относится к спиральным, суммарная масса всех звезд Андромеды примерно в 1,5-2 раза больше массы звезд нашей Галактики. Галактики, лишенные спирального узора, обычно не имеют и дисковой составляющей. Их сферическая составляющая всегда (вследствие вращения) в той или иной степени сплюснута, поэтому такие галактики называют эллиптическими. Звезды в этих галактиках подобны звездам гало нашей Галактики. У самых крупных эллиптических галактик общая масса звезд примерно в 10 раз больше, чем у  Галактики, эти галактики имеют и невидимые короны большой мaccы. Встречаются во Вселенной и карликовые эллиптические галактики, часто являющиеся спутниками крупных галактик. Так, у нашей Галактики есть 7 таких карликовых галактик-спутников.

Спутниками Галактики являются также две неправильные галактики – Большое и Малое Магеллановы облака.  Неправильными галактиками называют бесструктурные звездные системы, не имеющие явно выраженной формы. Они выглядят клочковатыми облаками молодых ярких звезд и диффузного вещества. Массы неправильных галактик обычно невелики – порядка 106…109 солнечных масс.  Почти все галактики сгруппированы в различного рода группы и скопления, насчитывающие от нескольких единиц до нескольких тысяч членов. Относительно малочисленные галактические образования называют группами, более крупные образования – скоплениями и сверхскоплениями.

Таким образом, в Метагалактике наблюдается сложная иерархия астрономических структур – звезды, галактики, скопления и  сверхскопления галактик,  и, наконец,  ячейки. Систем более крупных,  чем ячейки, в Метагалактике не обнаружено. Это означает, что Вселенная, рассматриваемая в очень больших масштабах, является бесструктурной. Именно в этом смысле распределение вещества в ней  считают однородным:  число галактик в любом объеме пространства Метагалактики с размером 3∙1024 м и больше одинаково. Понятно, что одинаковой при этом должна быть и средняя плотность вещества во всех подобных объемах. Величина этой плотности, составляющая примерно  2∙10-31 г/см3,  характеризует только видимое, светящееся вещество галактик. Если же учесть еще и невидимые короны галактик, то плотность может оказаться приблизительно в 10 раз больше. В последние годы ХХ века было установлено, что наибольшей массой обладает присутствующий во всем пространстве Вселенной физический вакуум. Его плотность оценивается величиной порядка 6∙10-30 г/см3, что превышает суммарную плотность всех видов космического вещества.

 Звезды и их параметры. Типы и эволюция звезд.   Большинство звезд –это огромные раскаленные плазменные шары, излучающие в пространство Вселенной чрезвычайно  интенсивные потоки энергии. В недрах каждой из таких звезд при огромных значениях температуры (десятки миллионов градусов) и давления протекают термоядерные реакции – реакции слияния ядер легких элементов и образования более тяжелых ядер. В ходе  ядерных процессов высвобождается  огромная энергия  – при «сгорании» одного килограмма водорода высвобождается примерно в 10 млн. раз больше энергии, чем при сжигании килограмма нефти. Благодаря этому звезды, подобные Солнцу, в течение миллиардов лет могут излучать энергию – тепло, свет, волны других (более высоких и более низких) частот, а также интенсивные потоки различных частиц.

Звезды распределены в пределах галактики неравномерно, они склонны, как и галактики, образовывать группы и скопления, объединенные силой взаимного притяжения. Однако, если расстояния между соседними галактиками превышают размеры галактик примерно в десятки раз, то расстояния между соседними звездами несоизмеримо велики в сравнении с размерами самих звезд.   

Большинство из наиболее заметных звезд на картах звездного неба, объединены в созвездия.  88 из созвездий, обозначаемых в современных астрономических атласах, были определены и получили свои названия еще в Древней Греции. Созвездия представляют собой произвольные группы звезд в том смысле, что звезды, кажущиеся  близко расположенными,  могут находиться на очень больших расстояниях друг от друга. Пояс созвездий, через который проходит плоскость эклиптики, называют зодиаком.

Звезды отличаются друг от друга  по возрасту, массе, размерам, светимости, цвету свечения, химическому составу и по целому ряду других параметров. Самые старые звезды должны иметь возраст, лишь незначительно (на 1-2 млрд. лет) уступающий возрасту Вселенной. Возраст Солнца оценивается в 5 млрд. лет, известны и очень молодые звезды, возраст которых составляет всего сотни тысяч лет. Это означает, что процесс звездообразования продолжается, и  что многие будущие звезды в настоящее время находятся в протозвездном состоянии, т. е. в процессе образования.

Температура в центральной области звезды тем больше, чем больше ее  масса. С увеличением температуры растет число возможных типов ядерных превращений и скорость протекания каждого из них. Самой низкотемпературной  из ядерных реакций является синтез ядер гелия из ядер водорода (протонов), именно эта реакция протекает в недрах Солнца и многих других звезд, близких к Солнцу по массе. В недрах звезд,  массы которых существенно превышают массу Солнца  могут синтезироваться и другие  элементы, причем, чем массивнее звезда, тем более тяжелые химические элементы она способна производить6. В очень массивных звездах  ядерные реакции способны превратить почти все ее вещество в железо – конечный продукт горения (ядра более тяжелых, чем железо, элементов  не могут образовываться в ходе термоядерных реакций).

Цвет свечения звезды определяется положением максимума спектрального распределения ее излучения, т.е. температурой. В зависимости от цвета свечения звезды делят на 7 классов, каждому из которых присваивается буква латинского алфавита. Цвет свечения звезд самых горячих звезд  (класса О)  близок к синему, температура «излучающей» поверхности у такой звезды – порядка 30 000 градусов, а звезды класса М – это красные звезды, эффективная температура поверхности у них  примерно на порядок меньше.

Наиболее существенно звезды отличаются друг от друга по светимости, под которой понимают мощность излучения, т.е. энергию, излучаемую в  единицу времени.  Светимость Солнца не очень высока, она составляет примерно 4∙1026 Вт. Светимость звезд, называемых белыми карликами, может быть на 3…4 порядка меньше, а светимость звезд-гигантов и сверхгигантов может превышать светимость Солнца на 5…6 порядков. Зависимость светимости  звезд от величины их масс установил в 1920 г. А. Эддингтон, эта зависимость более сильная, чем по закону прямой пропорциональности.

Датский астроном Э. Герцшпунгер в 1911 г. и американский астроном Г. Рассел в 1913 г. независимо друг от друга установили зависимость между светимостью и температурой звезд. Эта зависимость, которую принято отображать на диаграмме (диаграмме Герцшпунгера-Рассела), сыграла большую роль при исследованиях процессов эволюции звезд и определении характера их эволюционных преобразований. По оси ординат на этой диаграмме откладывают абсолютную звездную величину (светимость), а по оси абсцисс (справа налево) – температуру. Большинство звезд на этой диаграмме  расположены вдоль диагональной линии, соединяющей правый нижний угол (где находятся старые и тусклые звезды) и левый верхний угол, которому соответствуют молодые, горячие и яркие звезды. Подобное расположение звезд на диаграмме Герцшпунгера-Рассела  называют Главной последовательностью. Для звезд, принадлежащих  Главной последовательности, светимость в первом приближении пропорциональна кубу массы.

Процесс эволюции звезды, начиная от ее образования из некоего протозвездного «облака» до конца ее жизни в качестве объекта, излучающего свет, можно разбить на 3 стадии. Первая стадия – это стадия формирования звезды  из облаков, содержащих водород, гелий и т.н. космическую пыль, в результате действия направленных внутрь сил тяготения. Сжатие и уплотнение вещества в недрах протозвезды сопровождается превращением гравитационной энергия в тепловую, и температура вещества звезды на стадии формирования постепенно увеличивается.

На определенном этапе температура  наружных оболочек достигает значений, при которых возникает свечение. Собственно говоря, именно с этого момента времени сжимающийся сгусток протозвездного вещества становится звездой, которую можно увидеть. На этом этапе звезда представляет собой т.н. красный гигант, ее диаметр во много раз превышает то стационарное значение, которое установится позднее  (на равновесной стадии).

По мере сжатия вещества и повышения его температуры в нем возрастает давление, силы которого препятствуют сжатию, т.к. они направлены от более плотных внутренних слоев к менее плотным наружным слоям. Однако сжатие звезды продолжается до тех пор, пока не начнется процесс ядерного синтеза. Высвобождение высокой энергии, возникающее при «зажигании» ядерных реакций  еще больше разогревает протозвезду, она становится звездой Главной последовательности. Через  какое-то время устанавливается равновесное состояние звезды: ее размеры и светимость длительное время будут поддерживаться постоянными. В основе равновесия, которое, как легко показать, является устойчивым, лежит равенство направленных навстречу друг другу сил тяготения и сил газового давления. В равновесном состоянии звезда находится большую часть своей жизни, у звезд, подобных Солнцу, длительность этой стадии составляет величину порядка 10 млрд. лет. Энергия, теряемая звездой за счет излучения, в равновесной стадии полностью восполняется  энергией, выделяемой в ее центральной области при синтезе ядер гелия.

Запасы ядерной энергии определяются содержанием водорода в звезде, т.е. ее массой. С учетом того, что светимость пропорциональна кубу массы звезды, время исчерпания запасов ядерного горючего должно быть обратно пропорционально квадрату ее массы. К примеру, если бы масса Солнца была в 30 раз больше, то мощность его излучения была бы больше примерно в 30 тысяч раз, но время,  в течение которого выгорит весь водород (это и есть длительность равновесной стадии), составляло бы уже не 10 миллиардов, а всего 10 миллионов лет.

 По мере  исчерпания запасов водорода в центральной области звезды область «горения» ядерной реакции из сферы превращается в концентрический сферический слой, радиусы  внутренней и наружной сферических оболочек этого слоя с течением времени увеличиваются. Существенно, что в центральной области звезды, где водорода уже нет, гравитационные силы и силы газового давления  (от «горящего» концентрического слоя) теперь направлены в одну сторону – к центру звезды. Естественно, что центральная область звезды при этом  сжимается, скорость этого сжатия в какой-то момент становится столь высокой, что говорят о коллапсе (очень быстром, катастрофическом уменьшении размеров). С другой стороны, наружная часть звезды может существенно увеличиться в размерах, и звезда еще раз на некоторое время может превратиться в красный гигант.

При быстром сжатии температура и плотность «гелиевой» центральной области звезды вновь повышаются, эти параметры могут   достигнуть значений, при которых станет возможным синтез ядер углерода  из ядер гелия, а затем, после выгорания гелия, и синтез ядер более тяжелых элементов (вплоть до железа). Таким образом, характер эволюции звезды на третьей стадии, наступающей после исчерпания запасов водорода, существенно зависит от начальной массы звезды.

Считается, что в случае,  когда масса звезды не превышает 1,4 массы Солнца, коллапсу подвержено почти все вещество звезды. Разогреваясь в процессе быстрого сжатия, такая звезда превращается в белый карлик, размеры которого соизмеримы с размерами планет. Предельную массу белого карлика рассчитал в 30-е гг. XX века  американский астрофизик С. Чандрасекар. Звезды типа белых карликов имеют существенно меньшую светимость, чем Солнце, но гораздо более высокую температуру наружных оболочек (и плотность излучения) – они в буквальном смысле раскалены добела. Поэтому на диаграмме Герцшпунгера-Рассела белые карлики расположены ниже Главной последовательности (в левом нижнем углу).  Белый карлик как отдельная звезда является стабильным и постепенно (в течение миллиардов лет) расходует свою внутреннюю энергию, в конце концов, становясь холодным и невидимым. Таким невидимым черным карликом должно стать когда-нибудь и наше Солнце.

У тех звезд, чья масса  превышает предел Чандрасекара, коллапс ядра сопровождается возобновлением реакций ядерного синтеза, а в результате коллапса  образуются либо  нейтронные звезды, либо черные дыры. Кроме того, коллапс центральной области массивных звезд и их разбухание при «зажигании» очередной ядерной реакции могут сопровождаться явлениями взрывного типа, в процессе которых в окружающее пространство сбрасывается либо только вещество холодного наружного слоя, либо все вещество наружных оболочек, не вошедшее в состав сжимающегося ядра.

В первом случае звезда внезапно становится гораздо ярче (вспыхивает), ее светимость может возрасти в тысячи раз. В этом случае говорят о Новой звезде или о вспышке Новой. Во втором случае, который классифицируется как взрыв (вспышка) сверхновой или просто сверхновая, коллапс заканчивается мощнейшим взрывом, блеск которого в течение нескольких месяцев может затмевать целую галактику.  Крабовидная туманность, наблюдаемая в настоящее время в созвездии Тельца  как светящаяся полоса неправильной формы с отдельными волокнами, расходящимися в разные стороны, как полагают астрономы, образовалась именно в результате взрыва сверхновой в 1054 г. в нашей Галактике10 (на расстоянии около 2000 пк от Земли). В настоящее время астрономы ежегодно регистрируют около десяти сверхновых в далеких галактиках. В феврале 1987 г.  был зарегистрирован взрыв сверхновой, который произошел примерно 16 тыс. лет назад в соседней с нами галактике – Большом Магеллановом облаке.

  Нейтронные звезды, пульсары, черные дыры, квазары. Нейтронная звезда представляет собой очень маленькое, сверхплотное небесное тело, состоящее только из плотно прижатых друг к другу нейтронов.  В каждом атоме обычного вещества содержится  положительно заряженное ядро, состоящее из протонов  и нейтронов.  Отрицательно заряженные электроны движутся вокруг ядра атома на сравнительно больших расстояниях.  В нейтронной звезде нет ни электронов, ни протонов; она целиком состоит из нейтронов,  упакованных так же плотно, как в ядре атома.

Поскольку нейтроны не несут электрического заряда, они не отталкиваются друг от друга, как протоны. В 1934 г. В. Бааде и Ф. Цвикки опубликовали статью, в которой они предложили идею звезды, состоящей только из нейтронов. Согласно их теории, вспышка сверхновой происходит после того,  как  обычная звезда превращается нейтронную. Плотность такой звезды значительно выше, чем плотность белого карлика. Например, нейтронная звезда с массой, равной  массе Солнца, должна иметь диаметр, лежащий в пределах  (10…20) км. Сила тяготения на поверхности нейтронной звезды будет так велика, что искривляет свет, и эта кривизна почти достаточна для того, чтобы удержать световое излучение.

В 1967 году Джоселин Белл, аспирантка Кембриджского университета, обнаружила в космосе источник повторяющихся всплесков радиоизлучения. В течение года было обнаружено еще 20 таких звезд, названных пульсарами. Астрономы доказали, что пульсар представляет собой быстро вращающуюся нейтронную звезду, испускающую пучок радиоволн, который поворачивается из стороны в сторону, как луч света маяка, вместе с вращением звезды. Каждый раз, когда радиолуч проходит мимо Земли, приборы регистрируют всплеск радиоволн от нейтронной звезды.  Нейтронная звезда в  центре Крабовидной туманности является пульсаром, вращающимся со скоростью около 30 оборотов в минуту.

К началу ХХ1 века было известно около четырехсот пульсаров, типичное значение их периода составляет величину порядка 1 секунды. Столь быстро вращающаяся звезда не может иметь большие размеры, т.к. в противном случае центробежные силы разорвут ее на части. Из условия неравенства центробежного ускорения и ускорения силы тяжести  (Ω2R < GM/R2) легко определить порядок плотности ρ вещества в нейтронных звездах:  ρ > Ω2/G.

 Излучение большинства известных пульсаров принадлежит радиочастотному диапазону (метровые волны), хотя это может быть связано с тем простым обстоятельством, что чувствительность радиотелескопов существенно выше, чем телескопов, работающих в других диапазонах частот. В частности, излучение близкорасположенного пульсара Крабовидной туманности регистрируется во всех диапазонах электромагнитных волн, и больше всего энергии этот пульсар излучает в области гамма-лучей.

Существование черных дыр — объектов с такой огромной массой, что даже испускаемый свет (или любое другое электромагнитное излучение) не может преодолеть их притяжение, было предсказано общей теорией относительности Эйнштейна.  Черная  дыра  является  абсолютным поглотителем как вещества, так и всех видов электромагнитного излучения (точно так же, как черная поверхность полностью  поглощает  видимый  свет).  

Идея черной дыры впервые была сформулирована в конце XVIII в. –  Дж. Мичеллом в 1783 г. и, независимо от него, П. Лапласом в 1796 г. Опираясь на теорию тяготения Ньютона, Лаплас утверждал, что тяготение звезды с размерами в 250 раз большими, чем у Солнца, и плотностью как у Земли не выпустит свет этой звезды. Скорость, которую должно иметь тело, чтобы оторваться от такой звезды (по современной терминологии – вторая космическая скорость) становится равной скорости света. Хотя рассуждения  Мичелла и Лапласа в целом были правильными, в то время не существовало доказательств, что гравитация может влиять на распространение света. Лишь в 1916 году А. Эйнштейн показал, что сильное гравитационное поле искажает пространство-время и изгибает лучи света.  

Основы современной теории черных дыр были заложены немецким астрономом К. Шварцшильдом, который воспользовался выкладками Эйнштейна для доказательства того,  что любой объект с достаточно сильным гравитационным полем может задерживать и поглощать свет. Шварцшильд доказал, что такой объект окружен горизонтом событий — сферической оболочкой (сферой Шварцшилъда), через которую не может проникнуть ничего из того, что находится  внутри.  Любой  предмет,  попавший за горизонт событий, исчезает навсегда. Радиус горизонта событий более известен как  гравитационный радиус или  радиус Шварцшилъда,  для черной дыры с массой m этот радиус равен 2Gm/с2, где G — постоянная гравитации из ньютоновской теории тяготения, а с -  скоростиь света. Отметим, что нейтронные звезды, наиболее плотные из непосредственно наблюдаемых космических объектов, по своему полю тяготения близки к черным дырам. При массе, составляющей 1,5 М☼, гравитационный радиус составляет величину 4,67 км, что всего вдвое меньше типичного значения радиуса нейтронной звезды – 10 км.

Черная дыра сама по себе ничего не излучает, а лишь поглощает (захватывает) свет и частицы вещества из окружающей среды. В связи с этим долгое время черные дыры считались принципиально не обнаружимыми.  Однако оказалось, что это не так. Потоки частиц, ускоряющихся полем тяготения черной дыры, движутся к ней с разных сторон, и те частицы, которые оказываются не захваченными (пролетают мимо), сталкиваются между собой. Температура газа при этом существенно повышается, а возникающее при этом электромагнитное излучение способно покинуть окрестности черной дыры. Обнаружить массивную черную дыру удается и по влиянию ее гравитационного поля на движение близкорасположенных к ней видимых звезд. Астрономами получены доказательства существования многих черных дыр. Существует мнение, что в центральной области многих галактик (в том числе и нашей Галактики) существуют черные дыры. Предполагается также, что сверхмассивные черные дыры (с массой порядка миллиарда солнечных масс) содержатся в ядрах квазаров, эту идею высказал в 1964 г. Я.Б. Зельдович.

Квазар представляет собой астрономический объект, такой же яркий, как галактика, но имеющий гораздо меньшие размеры, соизмеримые с размерами  звезд. Квазар — сокращение от термина «квазизвездный объект», что подразумевает его сходство со звездой. Квазары находятся на расстояниях  в миллиарды световых лет, однако вследствие высокой  яркости они доступны  для наблюдения, несмотря на свои малые размеры. Звезда на таком расстоянии была бы слишком тусклой для наблюдения с помощью современных приборов.

Первый квазар был открыт в 1962 году, когда ранее обнаруженный  радиоисточник был отождествлен со звездой, имевшей красное смещение 0,15, что соответствовало скорости удаления в 15% скорости света и расстоянию более 2 млрд. световых лет. Было рассчитано, что он излучает в 1000 раз больше света, чем наша Галактика Млечный Путь, однако сила его светового потока год от года претерпевала изменения.   Такой   масштаб,   соответствующий времени прохождения света через поперечник объекта, указывает, что его размер не превышает   (по порядку величины)   нескольких   световых дет. Для сравнения — диаметр диска Млечного Пути составляет около 100 000 световых лет. Впоследствии   было   обнаружено   множество квазаров с красным смещением, соответствующим расстояниям от 5 до 10 млрд. световых лет и скорости удаления (обусловленной   расширением   Вселенной   после Большого Взрыва), превышающей 85% световой.  Квазары принадлежат к древнейшим и наиболее отдаленным объектам в наблюдаемой Вселенной; до сих пор не обнаружено  свидетельств существования квазаров, удаленных от нас менее, чем на 1 млрд. световых лет.

 1 Световой год – это путь, пройденный светом за один календарный год. Нетрудно подсчитать, что один световой год примерно равен 9,5∙1015 м.

 2 Астрономическая единица (а.е.) – среднее расстояние между Солнцем и Землей. 1 а.е. = 149,6 млн. км (обычно принимают равной 150 млн.км).

3 Парсек (пк) – производное от слов параллакс и секунда, т.е расстояние, на котором отрезок длиной 1 а.е. видна по углом, равным  1 секунде.  1 пк = 3,263 световых года= = 206265 а.е. = 3,086∙1013 км.

4  Суть эффекта Доплера заключается в том, что при движении источника и приемника каких-либо волн друг относительно друга излучение удаляющегося объекта воспринимается приемником как более длинноволновое (частота понижается), если же излучатель приближается к наблюдателю, то частота принимаемого излучения, наоборот, повышается. Эффект Доплера полезно используется на практике, например, в радиолокации при определении скорости движения автомобилей, самолетов или ракет.

Линии в спектре звезды (или галактики) в соответствии с эффектом Доплера смещены относительно известных для водорода и гелия частот, если звезда приближается к Земле или удаляется от нее. Если звезда удаляется, то линии смещаются в сторону более низких частот (более длинных волн). Красное смещение – смещение спектральных линий в сторону длинноволнового (красного) края оптического участка спектра - означает, что излучающий объект удаляется от наблюдателя.   

5 Спектр излучения – это совокупность всех частот (гармоник), составляющих это излучение. Высота каждой спектральной линии в спектре пропорциональна интенсивности излучения на соответствующей частоте. В видимой части оптической области спектра каждой частоте соответствует свой цвет (голубому цвету соответствует длина волны излучения λ ≈ 0,4 мкм, а красному - λ ≈ 0,7 мкм). Атому каждого химического элемента присущ свой линейчатый спектр излучения, поэтому, изучая спектр излучения, можно определить, какие  химические элементы и в каких пропорциях входят в  состав излучающего объекта.

Оптический спектр звезды (в том числе Солнца) или далекой галактики представляет собой сплошную светящуюся полосу, включающую все цвета радуги, пересеченную темными вертикальными линиями. Эти линии соответствуют линиям в спектрах атомов, содержащихся в холодных внешних газовых оболочках (частоты линий в спектрах излучения и поглощения совпадают).

     

9. Солнце и солнечная система

Краткие сведения о Солнце и о происхождении планет  солнечной  системы. Солнце – относительно небольшая звезда спектрального класса  G, такие звезды называют желтыми карликами. Но по земным меркам – это огромный раскаленный плазменный шар, его радиус составляет  примерно 7∙108 м, что примерно в 109 раз больше земного радиуса. Несмотря на то, что на (98…99) % Солнце состоит из легких атомов водорода и гелия, его масса в 330 тыс. раз превышает массу Земли и составляет около 2∙1030 кг при средней плотности 1,41 г/см3.

Спектр излучения Солнца (как и любого нагретого тела) является сплошным. Зная  длину волны, соответствующую максимуму спектрального распределения теплового излучения, можно определить температуру излучающей поверхности (закон смещения Вина). В случае Солнца говорить об излучающей поверхности сложно, т.к. в создании потока излучаемой энергии принимает участие  не только т.н. фотосфера (толщина этого нижнего слоя солнечной «атмосферы»** составляет 200 – 300 км), но и другие слои наружной области Солнца. Тем не менее, понятие «эффективная температура поверхности Солнца» широко используется, ее величина Тэфф ≈ 6000 К. В центральной же области Солнца, там, где идут реакции ядерного синтеза, величину температуры оценивают цифрами 10…15 МК.

Температура Т поверхности любого излучающего тела определяет не только форму спектрального распределения, но и плотность мощности излучения, которая в соответствии с законом Стефана-Больцмана пропорциональна Т4. Согласно расчетам, полная мощность солнечного излучения составляет около 4∙1026 Вт, а плотность мощности этого излучения у поверхности Земли (над атмосферой) составляет около 1,4 кВт/м2.  

Считается, что возраст Солнца близок к 5 млрд. лет, это означает, что наше светило является звездой 2-го (или еще более позднего) поколения.  Считается также, что Солнце (как и другие звезды) образовалось из   медленно   вращающегося  облака межзвездного газа и пыли, которое сжалось под воздействием собственной тяжести. Центральная область сжимающегося облака постепенно становилась все плотнее и горячее, образуя т.н. протозвезду, которая продолжала сжиматься и разогреваться до тех пор, пока в ее ядре не началась реакция синтеза ядер гелия из протонов.

В настоящее время нет общепризнанных гипотез, объясняющих образование планет и планетных систем. Согласно наиболее распространенным представлениям, планетные системы формируются из материала тех же газово-пылевых туманностей, что и сами звезды. По мере сжатия протозвездного облака скорость его вращения вокруг собственной оси увеличивается (в соответствии с законом сохранения момента импульса), при этом возрастают радиальные центробежные силы, под действием которых  происходит истечение вещества из  экваториальной области и  образование т.н. газовых дисков. Вместе с массой звезда теряет момент количества движения, что несколько ускоряет процесс сжатия ее центрального сгущения, а рассеянное в экваториальной плоскости вещество является источником протопланетного материала. Сначала по мере остывания путем конденсации газа образуются твердые частицы, из которых впоследствии образуются сгустки вещества – как протопланеты, так и некие «зародыши» других космических тел.

В пользу подобной гипотезы свидетельствует тот факт, что орбиты всех планет Солнечной системы лежат в плоскостях, близких к экваториальной плоскости Солнца, кроме того,  все планеты движутся вокруг Солнца в одном направлении. Более тяжелые элементы, такие, как железо и кремний, сконденсировались ближе к Солнцу и сформировали внутренние планеты, в то время как более легкие элементы, включая частички льда, остались на внешней окраине диска и сформировали внешние планеты. В конце ХХ в. было твердо установлено, что Солнце – далеко не единственная звезда, вокруг которой обращаются планеты. По разным оценкам процент звезд, имеющих планетные системы, составляет от 10 до 50.

Солнце играет исключительную роль в жизни Земли. Весь органический мир нашей планеты обязан Солнцу своим существованием. Солнце - не только источник света и тепла, но и первоначальный источник большинства других известных видов энергии (энергии нефти, угля, воды, ветра и др.).

Строение солнечной системы.  В солнечную систему, помимо Солнца и  планет со своими спутниками, входят астероиды, кометы и метеорные тела. Кроме этого, в межпланетном пространстве содержатся очень мелкие частицы (пыль), отдельные атомы и молекулы, а также всевозможные элементарные частицы. Суммарная масса планет и всех других тел солнечной системы составляет около 0,14% массы Солнца, поэтому движение тел солнечной системы почти всегда определяется только силой  притяжения к Солнцу.

Термин «планета» происходит от греческого слова «planetes», что означает – «блуждающий»: еще в незапамятные времена люди заметили, что пять светлых точек на ночном небосклоне регулярно перемещаются (блуждают) на фоне практически неподвижного узора, образованного множеством других звезд. Современные названия пяти планет (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн), видимых с Земли невооруженным глазом, соответствуют именам главных божеств римской мифологии.  Еще три планеты (Уран, Нептун и Плутон), открытые последовательно в 1781, 1846 и 1930 годах,  получили свои названия также в соответствии с этой же мифологической традицией.

Первой планетой, открытой с помощью телескопа (через 170 лет после его изобретения) был Уран. В начале XIX в. было замечено, что форма орбиты этой планеты несколько отклоняется от расчетной. Причина этого несоответствия вскоре стала понятной, в рассчитанную точку был направлен телескоп, и в 1846 г. новая планета, которую назвали Нептун, была обнаружена, что стало подлинным триумфом небесной механики и теоретической астрономии. Плутон, открытый позднее других планет, лишь в течение 75 лет считался девятой планетой солнечной системы: в 2006 г. решением Международного астрономического союза он был исключен из числа планет.

Как уже отмечалось, орбиты всех планет солнечной системы расположены почти в одной плоскости – плоскости солнечного экватора, поэтому солнечную систему называют копланарной. Все планеты движутся вокруг  Солнца в одну сторону (в направлении вращения самого Солнца). Орбита каждой планеты представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого расположено Солнце (две фокусные точки эллипса лежат на его большой оси, эти точки обладают тем свойством, что сумма расстояний от них до любой точки эллипса есть величина постоянная). Степень вытянутости эллипсоидальной орбиты (расстояние между фокусами) у разных планет разная. У большинства планет, в том числе у Земли, орбиты близки к окружностям. Ближайшую точку орбиты тел, вращающихся вокруг Солнца, называют  перигелий, а наиболее удаленную точку – афелий. В частности, Земля в перигелии (где она находится в начале января) удалена от Солнца на 147,1 млн. км, а в афелии – на 152,1 млн. км. Для сравнения - у Меркурия орбита более вытянутая – в афелии эта планета примерно в 1,5 дальше от Солнца, чем в перигелии.

Прежде чем рассматривать свойства планет, охарактеризуем кратко другие тела солнечной системы, которые, как полагают, сложены из  того же материала, из которого в свое время сформировались планеты. Самые крупные из этих тел – астероиды – имеют железо-каменный состав, их общее число по оценкам на начало 3-го тысячелетия превышает 106. Астероидов с присвоенными номерами  более 4000, наиболее крупные из них имеют имена, такие астероиды часто называют малыми планетами. В отличие от планет, астероиды представляют собой  бесформенные тела.  Размеры самого крупного из астероидов (планета Церера)  составляют около 1000 км в поперечнике. Подавляющее большинство астероидов движется в широком промежутке между орбитами Марса Юпитера.

Метеорные тела, пересекая орбиту Земли, могут быть захвачены ее полем тяготения, при этом они либо полностью сгорают в атмосфере (метеоры), либо достигают ее поверхности (метеориты). При столкновении метеорита с поверхностью Земли образуется воронка в форме кратера. Метеориты бывают трех типов: железные, каменные и железо-каменные. Количество метеорных тел, которые могут двигаться как поодиночке, так и "роями" (метеоритный дождь), не поддается исчислению. Число падений метеоритов на Землю, которые удалось наблюдать, больше 700, некоторые из найденных метеоритов имеют достаточно внушительные размеры.

Кометы являются наиболее своеобразными небесными телами, они движутся  по  сильно  вытянутым  орбитам  и  могут удаляться от Солнца на расстояния  до одного светового года. Даже самая близкая к Солнцу и самая известная комету Галлея, имеет период обращения около 75 лет, ее мало кому удается увидеть дважды (в марте 1986 г. эта комета находилась всего в 160 млн. км от Земли и была подробно исследована). В строении комет выделяют голову и протяженный хвост (шлейф). Голова содержит небольшое плотное ядро, имеющее размеры до нескольких километров и состоящее из каменных и металлических образований, это ядро заключено в оболочку из смеси льда и пыли. При прохождении вблизи Солнца вещество оболочки испаряется, образуя хвост, который всегда направлен от Солнца.  Протяженность хвоста кометы может достигать десятков млн. км,  чем ближе комета к Солнцу, тем  длиннее и ярче ее хвост.

Краткая характеристика планет солнечной системы. Восемь планет солнечной системы образуют две существенно отличающиеся друг от друга группы – по 4 планеты в каждой группе. Ближайшие к Солнцу планеты  по своим свойствам (размеры, плотность и химический состав вещества, наличие твердой коры и др.) похожи на Землю и поэтому их называют планетами земной группы. Основные общие свойства этих планет – сравнительно малые размеры и высокая плотность вещества. Кроме того, эти планеты близки по химическому составу и особенностям рельефа поверхности. Рассмотрим некоторые особенности планет земной группы.

 Меркурий. Период вращения Меркурия вокруг оси (звездные сутки) на треть короче его года. В связи с этим продолжительность меркурианских суток, составляющая 176 земных, вдвое больше года (88 земных суток), так что восход Солнца на Меркурии наблюдатель смог бы увидеть только один раз в два года. Наклон экватора к орбите планеты составляет всего 2 градуса, поэтому «климат» в обоих полушариях планеты одинаков. Поверхность Меркурия  изрыта многочисленными кратерами, его ландшафт весьма похож ландшафт Луны. Из-за малой силы тяжести на Меркурии практически нет атмосферы. По этой причине (а также из-за близости Солнца)  перепад температур на поверхности планеты очень велик – от +420 до -200 градусов по Цельсию.  Высокая средняя плотность вещества Меркурия (5,43 г/см3) говорит о том, что эта планета имеет железное ядро.

 Венера.  Период орбитального движения Венеры составляет около 225 земных суток, а ее орбита почти не отличается от окружности (эксцентриситет составляет всего 0,007). По своим размерам и массе Венера, являющаяся ближайшей к нам планетой,  также очень похожа не Землю. Но во многих других отношениях Венера существенно отличается и от Земли, и от других  планет солнечной системы. Вокруг своей оси, которая, как и у Меркурия, почти перпендикулярна плоскости солнечного экватора, Венера вращается очень медленно и, в отличие большинства других планет, в обратном направлении. Другим существенным отличием Венеры является наличие очень плотной (давление на поверхности почти в 100 раз больше, чем на Земле) газовой оболочки, содержащей  96%  углекислого газа и 4% азота.

Солнце освещает поверхность Венеры лишь вдвое сильнее, чем Землю, кроме того, существенная часть солнечной энергии отражается сплошным облачным покровом,  состоящим из мелких капелек серной кислоты. Тем не менее, температура на поверхности Венеры в любой ее точке составляет около 480оС (при такой температуре ночью грунт начинает светиться темно-оранжевым светом). Столь высокая величина температуры объясняется парниковым эффектом (поверхность планеты укрыта слоем СО2, как грядки в парнике – полиэтиленовой пленкой), а отсутствие перепада температуры по поверхности связано как с высокой теплопроводностью плотной атмосферы, так и с конвекционными явлениями в атмосфере. В верхних слоях атмосферы скорость непрерывно дующего ветра столь велика, что облететь Венеру на воздушном шаре можно было бы меньше, чем за неделю.

 Марс. На поверхности Марса, хорошо различимой сквозь разреженную атмосферу, в телескоп можно увидеть белые полярные шапки, светлые оранжевые пятна, очертаниями похожие на материки, темный экваториальный пояс и похожие на моря отдельные темные пятна. Марсианские сутки лишь на 40 минут продолжительнее земных, а угол между осью вращения и нормалью к плоскости орбиты, составляющий около 25°, почти такой же, как у Земли. Поэтому очень долгое время свои надежды обнаружить  внеземную жизнь земляне связывали именно с Марсом.

Сила тяжести на Марсе точно такая же, как на Меркурии, но атмосфера во много раз более плотная, что связано с тем, что Марс, в отличие от Меркурия, очень холодная планета. В марсианской атмосфере, плотность которой соизмерима с плотностью земной стратосферы, содержится 95% углекислого газа, 2,5% азота, 1,6% аргона, в незначительном количестве присутствуют пары воды. Лишь вблизи экватора летом в околополуденное время температура на поверхности Марса достигает небольших плюсовых значений (5 – 10 градусов), после захода Солнца поверхность быстро остывает до – 50о С, а зимой морозы достигают – 120о С.

Жидкой воды (морей, рек, озер и т.п.) на поверхности  Марса нет и быть не может – слишком низки значения давления и температуры. Лед, а также твердая углекислота содержатся в полярных шапках и, возможно, в глубине марсианских песков. Однако изучение рельефа поверхности показало, что когда-то на Марсе существовали весьма полноводные и бурные реки, в сравнении с которыми даже Волга могла бы показаться заурядной речушкой.

В 1877 г. у Марса были обнаружены два спутника – Фобос и Деймос, их максимальные размер  составляют соответственно 22 км и 13 км.  Спутники получили имена сыновей греческого бога войны Ареса (у римлян – Марс), в переводе эти имена означают Страх и Ужас.   

Планеты-гиганты. Газовые гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), составляющие вторую группу планет в солнечной системе, имеет существенно большие размеры, чем планеты земной группы, поэтому их чаще всего называют планетами-гигантами. По своему химическому составу, который,  как полагают, соответствует составу межзвездной среды 5 млрд. лет назад,  эти планеты гораздо ближе к Солнцу, чем к планетам земной группы. Средняя плотность вещества планет-гигантов лежит в пределах (0,7... 1,5) г/см3, что существенно меньше, чем у планет земной группы. Атмосфера любой из газовых планет является непрерывным продолжением ее «тела», эти планеты не имеют твердых оболочек, соответственно нет  и резкой границы между атмосферой и телом планеты.  

Еще одним существенным отличительным признаком планет-гигантов является большое количество спутников у каждой из них:  у Юпитера – 16 спутников, у Сатурна – 30, у Урана – 20, у Нептуна – 8. Приведенное число спутников соответствует данным на начало 3-го тысячелетия,  время от времени обнаруживаются (и еще будут обнаруживаться) новые, все более мелкие спутники. Некоторые из спутников планет-гигантов, такие как Каллисто и Ганимед у Юпитера, Титан у Сатурна, имеют весьма внушительные размеры, соизмеримые с размерами Марса.  В отличие самих газовых планет их спутники имеют твердую поверхность, Чаще всего эта поверхность закована в ледяной панцирь многокилометровой толщины.

Планеты-гиганты – это очень холодные планеты, температура их облачных слоев оценивается величинами от -120оС у Юпитера до -220оС у Нептуна. По орбитам вокруг этих планет обращаются не только спутники, в экваториальной плоскости каждой из них движется неисчислимое множество малоразмерных тел, образующих своеобразные кольца. Наиболее известны кольца Сатурна – их можно увидеть в любительский телескоп.  Кольцо Юпитера состоит из пылинок с размерами  не более 100 мкм, это кольцо прозрачнее стекла и увидеть его удается лишь с очень близкого расстояния. Кольца Урана и Нептуна можно разглядеть с Земли, но подробно изучить их удалось лишь с помощью межпланетных зондов.

Юпитер – самая крупная из  планет-гигантов, его масса примерно в 2,5 раза превышает суммарную массу всех других планет солнечной системы. Сильное гравитационное поле Юпитера (сила тяжести на «поверхности» Юпитера в 2,5 раза больше, чем на Земле) играет роль своеобразного щита для других планет, снижая интенсивность их бомбардировки астероидами и метеорными телами.  Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключением, как полагают, небольшого ядра из металлического водорода.

Сатурн, являющийся второй по величине планетой солнечной системы, во многих отношениях похож на Юпитер. Однако, плотность вещества Сатурна почти вдвое меньше, чем у Юпитера, что говорит о более высоком содержании водорода. Сатурн знаменит главным образом своими кольцами. В настоящее время обнаружено, что колец у Сатурна огромное множество, и что их толщина весьма мала – порядка 1 км, в то время как диаметр внешних колец составляет около 140 000 км.

Уран был открыт английским астрономом-любителем У. Гершелем, (хотя он и принял обнаруженное пятнышко сначала за комету). Удивительно, но он же через 6 лет обнаружил и первые два спутника этой новой планеты. Уникальная особенность Урана заключается в том, что он «лежит на боку» -  ось его вращения расположена почти в плоскости орбиты. Поэтому экватор делит почти всю поверхность Урана на две полярные области, даже на широте 30о полярные день и ночь там длятся по 14 лет (одну шестую часть года на Уране.). Уран всего в 4 раза больше Земли, но его, как и схожий с ним по своим размерам Нептун, относят к планетам-гигантам, т.к. по своей структуре, по химическому составу и по плотности вещества эти планеты существенно ближе к Юпитеру и Сатурну, чем к планетам земной группы.

10. Земля – уникальная планета солнечной системы.

Краткая характеристика планеты Земля. Географические координаты. Уникальность Земли в семействе планет солнечной системы в первую очередь связана с тем, что только на нашей планете существует жизнь. Шансы обнаружить хотя бы простейшие формы жизни на соседних планетах (даже на Марсе) большинством ученых оцениваются как близкие к нулю. Другие уникальные особенности Земли (наличие атмосферы с высоким содержанием кислорода, наличие океана, занимающего 70% поверхности планеты, высокая тектоническая активность, сильное магнитное поле и др.) так или иначе связаны с наличием жизни: они либо способствовали ее возникновению, либо являются следствиями жизнедеятельности.  

Шарообразность Земли  (а о том, что Земля представляет собой шар, знали еще древние греки) предопределяет выделение в ее строении  концентрических оболочек. Впервые такой подход  к изучению нашей планеты предложил австрийский геолог Э. Зюсс, он же предложил называть эти оболочки геосферами. Реальная форма Земли несколько отличается от сферической и при строгом математическом моделировании ее формы чаще всего используют такие понятия как эллипсоид и геоид.  Геоид (что означает землеподобный) –  это наиболее точная модель Земли, он представляет собой уникальное геометрическое тело, поверхность которого совпадает с поверхностью среднего уровня спокойной воды в океане, мысленно продолженной под материками так, что отвесная линия в любой точке пересекает эту поверхность под прямым углом. Поверхности эллипсоида и геоида не совпадают, расхождение между ними может достигать ±160 м. Относительно поверхности геоида измеряют высоты и глубины точек реальной поверхности Земли. Максимальную высоту (8848 м) имеет Эверест,  а наибольшую глубину (11022 м) – Марианский желоб в Тихом океане. Экваториальный радиус Земли составляет 6375,75 км, полярные же радиусы неодинаковы: северный на 30 метров больше южного и равен 6355,39 км, (соответственно, южный - 6355, 36 км).

Ось вращения Земли, проходящая через полюса и центр планеты, наклонена к плоскости ее орбиты на угол 66°33'22". Именно эта величина определяет продолжительность дня и ночи на разных широтах и существенно влияет на тепловые (климатические) характеристики различных поясов Земного шара. Один оборот вокруг своей оси Земля совершает за 23 ч 56 мин 4 с, этот промежуток времени называют звездными сутками, а сутки, в которых ровно 24 часа, называют средними или солнечными сутками.

Единственный спутник Земли  Луна  имеет размеры, близкие к размерам Меркурия, ее диаметр составляет 3476 км., а средний радиус орбиты – 384,4 тыс. км. Орбита Луны наклонена к орбите Земли на 5 градусов. Период вращения Луны вокруг своей оси абсолютно совпадает с периодом ее обращения вокруг Земли, поэтому с Земли можно видеть только одно лунное полушарие.

Линии сечения земного шара плоскостями, параллельными экваториальной, называют параллелями, а линии сечения плоскостями, проходящими через ось вращения Земли – меридианами. Каждой параллели соответствует своя широта (северная или южная), а каждому меридиану – своя долгота (западная или восточная). Совокупность параллелей и меридианов называют географической сеткой, с ее помощью определяют географические координаты любой точки на поверхности Земли.

Географическая широта произвольной точки – это угол между плоскостью экватора и проходящей через эту точку нормалью (отвесной линией),  широта  изменяется  от  нуля (на экваторе)  до 90 градусов.  Долгота – это угол между меридиональной плоскостью данной точки и плоскостью некоторого меридиана, условно принятого за начальный (такой начальный меридиан проходит через Гринвичскую астрономическую обсерваторию* и называется Гринвичским). Долгота изменяется в пределах от нуля до 180°, меридиан, которому соответствует широта 180°,  является линией смены дат.

Для удобства отсчета времени и временной координации деятельности людей поверхность Земли разделена (в первом приближении по меридианам) на 24 часовых пояса. Применять для отсчета времени систему часовых поясов  предложил канадский инженер  Флеминг  в  1879 г., сегодня этой  системой пользуется весь мир. Изменению времени на 1 час должно соответствовать изменение долготы на 15°, однако границы часовых поясов строго совпадают с меридианами лишь в мировом океане, на суше смежные часовые пояса разделяют, как правило, не меридианы, а какие-либо близкие к ним (а иногда и не очень близкие) административные границы.

Наклон земной оси к плоскости эклиптики, как уже отмечалось, определяет широтные границы климатических зон (поясов). Центральный пояс земной поверхности, границами которого являются северный и южный тропики,  называют тропическим, широта каждого тропика – 23° 26' 38''. В тропическом поясе Солнце два раза в год в полдень проходит через зенит, а на широте тропиков оно бывает в зените только один раз: в полдень 21 июня на северном тропике  и 22 декабря - на южном.

Географические параллели, которым соответствует широта 66° 33' 22'' называют полярными кругами, область между полюсом и полярным кругом  называют полярным поясом. Только за полярным кругом (т.е в более высокоширотной области) имеют место такие явления как полярный день и полярная ночь.  Между полярным кругом и тропиком в каждом полушарии расположен умеренный пояс (область умеренного климата).

Строение Земли. Внешние и внутренние геосферы. К внешним геосферам принято относить атмосферу, гидросферу и биосферу, хотя последнюю из них следовало бы рассматривать как промежуточную оболочку, так  как  она  включает  в  себя  гидросферу  и  те  области  атмосферы и земной коры   (а   это   уже   внутренняя   оболочка),   в пределах которых   существует органическая жизнь. Иногда в качестве внешней геосферы рассматривают магнитосферу, что также не вполне оправданно, так как магнитной поле присутствует в любой из геосфер.

Атмосфера.  Атмосфера Земли представляет собой смесь газов, в ее нижних слоях содержатся также влага и пылевые частицы. В сухом очищенном воздухе вблизи поверхности Земли содержится  азота примерно 78 % азота, чуть меньше 21 % кислорода и около 1 % аргона. На долю углекислого газа приходится примерно 0,03 %, а на долю всех остальных газов (водород, озон, инертные газы  и др.) – около 0,01 %. Состав  атмосферы практически не меняется вплоть до высот порядка 100 км. На уровне моря при нормальном давлении (1 атм = 1,033 кг/см2 = 1,013 105 Па) плотность сухого воздуха составляет 1,293 кг/м3, но при удалении от поверхности Земли плотность воздушной массы   и   связанное   с   ней давление быстро уменьшаются.  Атмосфера непрерывно увлажняется за счет испарений воды с поверхности водоемов. Концентрация паров воды уменьшается с увеличением высоты быстрее, чем концентрация газов – 90 % влаги сосредоточено в нижнем пятикилометровом слое.

С изменением высоты меняются не только плотность, давление и температура воздуха, но и другие физические параметры атмосферы, а на больших высотах меняется и ее состав. Поэтому в атмосфере принято выделять несколько сферических оболочек с разными физическими свойствами. Основные из них – это тропосфера, стратосфера и ионосфера. Высотную протяженность (толщину) той или иной сферической оболочки Земли (это относится и к внутренним оболочкам) часто называют ее мощностью.

Тропосфера содержит около 80 % всей воздушной массы, ее мощность составляет 8…12 км в средних широтах, а над экватором – до 17 км. С увеличением высоты температура воздуха в пределах тропосферы непрерывно понижается вплоть до значений порядка -85°С (скорость понижения температуры составляет примерно 6 градусов на километр). Вследствие неравномерного прогрева поверхности земного шара тропосферные массы воздуха находятся в непрерывном движении, перенося не только тепло, но и влагу, пыль и всевозможные выбросы. Именно эти явления в тропосфере в первую очередь формируют погоду и климат на Земле.

Над тропосферой до высот порядка 50…55 км простирается стратосфера. В пределах этого слоя имеет место повышение температуры с увеличением высоты, на верхней границе стратосферы температура близка к  нулю. В стратосфере практически отсутствует водяной пар. На высотах от 20 до 40 км расположена т.н. озоносфера, т.е. слой с повышенным содержанием озона. Этот слой часто называют щитом планеты, так как в нем почти полностью поглощается губительное для всего живого на Земле жесткое (коротковолновое) ультрафиолетовое излучение Солнца.

В промежутке между высотами 55 и 80 км расположен слой, в котором температура с высотой вновь уменьшается.  У верхней границы этого слоя, который называют мезосферой, температура составляет примерно -80°С. За мезосферой вплоть до высот порядка 800…1300 км располагается ионосфера (иногда этот слой называют также термосферой, т.к. температура в этом слое с увеличением высоты непрерывно повышается).

Гидросфера. В составе гидросферы выделяют четыре вида вод: океаносферу, т. е. соленые воды морей и океанов (86,5 % массы), пресные воды суши (реки и озера), подземные воды  и ледники. 97 % вод океаносферы сосредоточено в Мировом океане, являющемся не только основным хранилищем воды, но и основным аккумулятором тепла на нашей планете. Благодаря океану на Земле зародилась жизнь, образовалась и сохраняется кислородная атмосфера, океан поддерживает на низком уровне содержание в атмосфере углекислого газа, предохраняя планету от парникового эффекта (океан в существенно более высокой степени, нежели наземная растительность, выполняет функции "легких" нашей планеты).

В целом мировой океан, средняя глубина которого около 3,6 км, является холодным, только 8% воды теплее 10оС. Давление в толще воды растет с увеличением глубины со скоростью 0,1 ат/м.  Соленость океанских вод, среднее значение которой составляет около 35 промилле (35 ‰) неодинакова ( от 6…8 ‰ в поверхностных водах Балтики до 40 ‰ на поверхности Красного моря). В то же время состав и относительное содержание различных солей повсюду неизменны, что свидетельствует об устойчивости динамического равновесия между растворением веществ, попадающих в океан с суши, и их осаждением.

Удельная теплоемкость воды примерно в 4 раза больше, чем воздуха, однако из-за огромной разницы в плотности (почти в 800 раз) 1 кубический метр воды, охлаждаясь на 1 градус, способен нагреть на 1 градус более 3000 кубометров воздуха. В умеренных и высоких широтах воды Мирового океана летом накапливают тепло, а зимой отдают его в атмосферу, именно поэтому в приморских районах климат всегда мягче, чем в глубине континентов. В экваториальных широтах вода нагревается круглый год, и это тепло переносится океанскими течениями в высокоширотные области, холодные же воды, захватываясь глубинными противотечениями, возвращаются в тропики. Помимо течений и противотечений, океанские воды перемещаются и перемешиваются за счет приливов и отливов, а также волн другой природы, среди которых выделяют ветровые волны, барические волны и цунами.

Биосфера. Наличие гидросферы и атмосферы с высоким содержанием кислорода существенно отличает нашу планету от всех других, входящих в солнечную систему. Но главное отличие Земли состоит в наличии на ней живого вещества –  растительности и животного мира. Термин биосфера ввел в научный оборот уже упоминавшийся Э. Зюсс.

Биосфера   охватывает   все   пространство,   где   существует   живое вещество – нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние горизонты  земной коры. Масса  живого вещества, составляющая примерно 2,4·1015 кг, ничтожно мала в сравнении даже с массой атмосферы (5,15·1018    кг), однако по степени воздействия на систему под названием Земля, эта оболочка существенно превосходит все другие.

Основу живого вещества составляет углерод, дающий бесконечное множество разнообразных химических соединений. Кроме него в состав живого вещества входят кислород, водород и азот, остальные химические элементы  встречаются  в  незначительных  количествах,  хотя  их роль в жизнеобеспечении тех или иных организмов может быть исключительно важной. Основная масса живого вещества сосредоточена в зеленых растения. Процесс естественного построения органических веществ с использованием солнечной энергии – фотосинтез – вовлекает в годовой кругооборот огромные массы углекислоты (3,6·1014 кг) и воды (1,5·1014 кг), при этом выделяется 2,66·1014 кг свободного кислорода. С химической точки зрения фотосинтез является окислительно-восстановительной реакцией:

СО2 + Н2О → СН2О + О2.

По способу питания и отношению к внешней среде живые организмы делятся   на   автотрофные и   гетеротрофные.   Последние питаются   другими организмами  и   их  остатками, а пищей для автотрофных организмов являются  минеральные (неорганические)   вещества.  Большинство   организмов   относятся  к аэробным, т. е. способны существовать только в среде, содержащей воздух (кислород). Меньшая часть (в основном это микроорганизмы) относится  к анаэробным, обитающим в бескислородной среде.

При гибели живых организмов происходит процесс, обратный фотосинтезу, органические     вещества     разлагаются     путем     окисления.     Процессы образования и разложения органики находятся в динамическом равновесии, благодаря чему общее количество биомассы практически не меняется со времен зарождения жизни на Земле.

Влияние биосферы на процессы геологической эволюции Земли было подробно проанализировано выдающимся российским ученым академиком В.И. Вернадским. В течение более чем трех миллиардов лет живое вещество поглощало и трансформировало энергию Солнца. Значительная часть этой энергии законсервирована в залежах полезных ископаемых органического происхождения, другая часть использована в процессах формирования различных горных пород, накопления солей в мировом океане, накопления кислорода, содержащегося в атмосфере, а также растворенного в океанской воде и входящего в состав горных пород. Вернадский первым указал на ведущую роль биосферы  в формировании химического состава атмосферы, гидросферы и литосферы, обусловленную необычайно высокой геохимической активностью живого вещества.  

Жизнь на Земле существует в огромном множестве форм, однако все эти формы существуют не автономно, а связаны сложными взаимоотношениями в единый непрерывно развивающийся гигантский комплекс.

 Внутренние геосферы – это оболочки в твердом теле Земли. В нем можно выделить три крупные области (главные внутренние оболочки): центральную – ядро, промежуточную – мантию и наружную – земную кору. Углубиться в недра Земли с целью непосредственного их изучения удалось пока лишь на глубину чуть более 12 км, такая сверхглубокая скважина была пробурена в нашей стране (на Кольском полуострове). Но 12 км – это менее 0,2 % земного радиуса. Поэтому с помощью глубокого и сверхглубокого бурения можно получить данные о строении, составе и параметрах земных недр лишь в пределах верхних горизонтов коры.

Информацию о глубинных участках, в том числе и о поверхностях, разделяющих различные внутренние оболочки, геофизики получают, анализируя и обобщая результаты многочисленных сейсмических (от греч. «сейсмос» - колебание, землетрясение) исследований. Суть этих исследований (в упрощенном виде) заключается в том, что по результатам измерения времени прохождения сейсмической волны между двумя точками на поверхности (или внутри) земного шара, можно определить ее скорость, а по величине скорости волны – параметры среды, в которой она распространялась.

 Земной корой  называют верхнюю каменную оболочку, мощность которой в различных участках составляет от 6 - 7 км  (под глубокими океаническими впадинами) до 70 – 80 км под Гималаями и Андами. Можно сказать, что нижняя поверхность земной коры является своеобразным «зеркальным отражением» наружной поверхности твердого тела Земли. Эту поверхность – границу раздела между корой и мантией –  называют раздел Мохоровича.

В химическом составе земной коры преобладают кремний и алюминий, отсюда происходит условное название этой оболочки – "сиал". Строение земной коры отличается большой сложностью, проявлением которой являются отчетливо выраженные вертикальные и горизонтальные неоднородности. В вертикальном направлении в пределах земной коры традиционно выделяют три слоя – осадочный, гранитный и базальтовый. Породы, образующие эти слои, различны по составу и происхождению.

Мантия расположена между ядром и земной корой, поверхность, разделяющую мантию и ядро, называют раздел Вихерта-Гутенберга. Это промежуточная и самая крупная оболочка Земли, она простирается до глубин порядка 2900 км. Масса мантии составляет около 2/3 всей массы планеты.  На границе земной коры и мантии температура может превышать 1000оС, а давление 2000 МПа. В этих условиях вещество мантии может переходить из кристаллического состояния в аморфное (стекловидное) состояние. О химическом составе вещества мантии судить значительно сложнее, тем не менее эту оболочку называют "сима". Это означает, что преобладающими элементами в составе мантии (по крайней мере, в составе верхней мантии), являются кремний и магний.

Ядро – это центральная и наиболее плотная оболочка Земли, ее радиус составляет 3470 км. На границе Вихерта-Гутенберга поперечные волны  пропадают, это позволяет сделать вывод о том, что наружная часть ядра находится в жидком состоянии. В пределах внутренней части ядра (его радиус примерно 1250 км) скорость продольных волн снова возрастает, и вещество, как полагают, снова переходит в твердое состояние. Химический состав внешнего и внутреннего ядра приблизительно одинаков, преобладают железо и никель, отсюда условное название этой оболочки – "нифе ".

Физические поля Земли.  Описание строения нашей планеты будет неполным, если не рассмотреть ее физические поля, в первую очередь, гравитационное и магнитное поля. Понятие «поле» используют в тех случаях, когда каждой точке в определенной области пространства можно сопоставить значение некоторой физической величины. В этом смысле можно говорить о поле температур (тепловом поле), поле скоростей, поле сил и т. п. В соответствии с характером физической величины поля подразделяют на векторные и скалярные.

Гравитационное поле Земли. Установленный И. Ньютоном закон всемирного тяготения выражается формулой

                                            Fт = GMm/r2 ,

где Fт - сила тяготения, М и m - массы взаимодействующих тел, r - расстояние между центрами тяжести этих тел, G = 6, 673·10-11 м3с-2кг-1 - гравитационная постоянная.

Описывая гравитационное взаимодействие какого-либо малого тела, обладающего массой m,  с большим  небесным  телом (например, с Землей), закон тяготения удобно записать в виде:

                                  Fт = m/r2,

где  = GM – постоянная тяготения рассматриваемого небесного тела. В случае Земли эта постоянная имеет величину около 4·1014 м3с-2.

Если малое тело (тяготеющая точка) находится в непосредственной близости над поверхностью небесного тела, силу притяжения определяют как

                                 Fт =gm,

где g = /r2 - ускорение свободно падающего тела.  В случае Земли, как известно,  g = 9,8 м/с2.

Отметим, что при необходимости определять силу тяготения с большой точностью нужно учитывать зависимости величины g от координат точки, в которой определяется эта сила.  В предположении однородного распределения массы по объему Земли силу тяжести в любой заданной точке можно рассчитать. Имеющиеся на практике отклонения фактических (измеренных) значений ускорения g от расчетных (т. н. гравитационные аномалии) обусловлены в первую очередь неравномерностью распределения масс. Тщательное изучение гравитационного поля Земли позволяет не только выявлять крупные тектонические нарушения, но и вести поиски месторождений полезных ископаемых.

Магнитное поле Земли.  О том, что Земля обладает магнитными свойствами, известно с давних времен. Достаточно сказать, что история непосредственных магнитных измерений на земном шаре насчитывает более 400 лет (результаты экспериментальных исследований “большого магнита - Земли” были опубликованы английским естествоиспытателем У. Гильбертом в 1600 г.). Наша планета действительно представляет собой большой магнит, форма современного магнитного поля Земли близка к той, которая была бы создана магнитным диполем, помещенным в ядре.

Любая земная порода в момент своего образования под действием геомагнитного поля приобретает намагниченность, которая сохраняется до тех пор, пока эта порода не будет разогрета до температур, превышающих температуру Кюри. Изучая естественную остаточную намагниченность пород, возраст которых известен, можно узнать о пространственном распределении и временных изменениях геомагнитного поля в прошлом. Можно сказать, что информация об эволюции геомагнитного поля в буквальном смысле «записана» в земных недрах. Роль магнитного носителя лучше всего выполняют магматические породы, извергавшиеся из вулканов при высокой температуре (выше температуры Кюри для содержащихся в этих породах ферромагнитных материалов). Одним из важнейших результатов подобных палеомагнитных исследований является открытие т. н. инверсий геомагнитного поля (иногда используется термин «реверсия»), т. е. изменения направления магнитного момента Земли на противоположное.  

Магнитные полюса нашей планеты не совпадают с географическими и с течением времени могут изменять свое положение. Последние 100 лет, как показывают наблюдения, северный магнитный полюс перемещается в восточном направлении (с севера Канады через Северный Ледовитый океан к Сибири), его перемещение составило уже около 1000 км. Пока не вполне ясно, что это – начало очередной инверсии, или часть нормальной осцилляции, после которой полюс вернется на свое привычное место.

Тепловое поле Земли. Планета Земля находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой, она одновременно и поглощает, и излучает примерно равные количества тепла. Главным источником внешней энергии для Земли является Солнце. Среднее значение плотности потока солнечной энергии над атмосферой Земли составляет примерно 0,14 Вт/см2. Почти половина падающей энергии (порядка 45%) отражается в мировое пространство, остальная энергия аккумулируется  атмосферой, водой, почвой и зелеными растениями. Преобразуясь в тепло, энергия солнечной радиации приводит в движение массы атмосферного воздуха и огромные массы воды в мировом океане.

Определенный вклад в создание теплового поля Земли вносят и внутренние источники. Этих источников достаточно много, но к основным следует отнести только три: распад радиоактивных элементов, плотностная (гравитационная) дифференциация вещества и приливное трение.

Скалярное тепловое поле Земли имеет достаточно сложное строение. В верхнем слое земной коры (до 30 – 40 м) сказывается влияние прогрева поверхности солнечными лучами, поэтому этот слой называют гелиотермической зоной. Температура в этой зоне периодически изменяется в течение суток и в течение года. Чем больше период колебаний поверхностной температуры, тем глубже эти колебания проникают в земные недра, но в любом случае амплитуда колебаний температуры экспоненциально уменьшается с увеличением глубины.

Температурный режим нижней зоны земной коры, называемой геотермической зоной, определяется внутренним теплом. В этой зоне с увеличением глубины температура повышается, скорость ее изменения различна в разных участках поверхности земного шара, что связано как с различной теплопроводностью пород, так и с неравномерностью теплового потока, идущего их земных недр.

Между гелиотермической и геотермической зонами проходит пояс постоянных температур, в пределах которого среднегодовая температура, соответствующая тому или иному региону, примерно постоянна.  Глубина залегания этого пояса зависит от теплофизических свойств пород и от широты местности (увеличивается с повышением широты). Если среднегодовая температура какой-то области отрицательна, то атмосферные осадки, просачивающиеся в недра, превращаются в лед, в этих условиях образуется т.н. вечная мерзлота. В зонах вечной мерзлоты, общая площадь которых составляет около четверти всей твердой поверхности нашей планеты, верхний слой почвы оттаивает в летнее время на глубину от нескольких сантиметров до 3 - 4 метров.  

Развитие  отечественной и мировой экономики пока базируется на росте энергопотребления. В ХХ веке население Земли увеличилось в 2,2 раза, а потребление энергии – в 8,5 раз. В условиях надвигающегося энергетического кризиса солнечная энергия, а также тепловая энергия земных недр могут и должны составить конкуренцию  традиционным источникам энергии (нефть, газ, уголь, ядерное топливо).

11.  Происхождение  и эволюция  жизни

 

Основные отличия живого вещества от неживого.  Вопрос о происхождении жизни является одним из наиболее трудных и наиболее интересных вопросов современного естествознания. Возникновение жизни, переход от неживого к живому является наиболее впечатляющим примером качественного скачка в процессах эволюции. Ученые не оставляют попыток найти и воспроизвести условия, при которых  на Земле возникла жизнь. Необходимо отметить, что по космическим меркам планета Земля  и жизнь на ней возникли практически одновременно (возраст Земли - 4 - 4,5 млрд. лет, “возраст” живого - не менее 3,8 млрд. лет).

Отличать живое вещество от неживого ученые научились еще в XIX в., когда было обнаружено, что живое вещество оптически активно (это  открытие было сделано Луи Пастером), т. е. обладает способностью поворачивать плоскость поляризации проходящего светового пучка вокруг его оси.  Не вдаваясь в физические подробности, отметим, что оптической активностью обладают те вещества, которые состоят только из правых (или только из левых) спиральных молекул, что и имеет место в живых системах.  В неживом веществе, в отличие от живого, правые и левые структуры  представлены в равной мере.

Существует целый ряд других фундаментальных отличий живого от неживого: вещественный состав, структура, функциональные особенности и многие другие характеристики живого и неживого вещества существенно различаются. В вещественный состав живого вещества входят белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), представляющие собой высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения. В качестве строительного материала и тех и других макромолекул используются в основном всего четыре химических элемента – кислород, углерод, водород и азот (перечислены в порядке убывания содержания). Атомы других химических элементов (в первую очередь, это калий, фосфор, сера, железо, медь, цинк - всего их около 50) присутствуют в живых организмах  в весьма незначительных количествах.

Несмотря на то, что углерода (по массе) в составе живого вещества примерно в 4 раза меньше, чем кислорода, именно углерод по праву считается вещественной основой жизни на Земле. Легко соединяясь с другими элементами, углерод способен создавать разнообразные (числом порядка нескольких десятков миллионов) соединения, обладающие не менее разнообразными свойствами - строительными, каталитическими, энергетическими, информационными и др.

 В структурном плане живое вещество характеризуется клеточным строением. Как любая молекула состоит из атомов, имеющих сходное строение (в центре - ядро, снаружи - электронные оболочки), так и любой живой организм состоит из клеток. Клетки самых различных организмов также весьма похожи друг на друга. Внутри каждой клетки имеется относительно плотное ядро, окруженное цитоплазмой. Правда, в отличие от атомов, имеются и безядерные клетки. Однако нельзя не отметить, что и устройство клетки, и процессы в ней неизмеримо сложнее устройства и процессов в атоме. Достаточно отметить лишь две ее способности  - клетка сама производит необходимую для жизнедеятельности энергию и, что особенно впечатляет, может воспроизводить самое себя.  Именно самовоспроизводство, которое характерно для всех живых тел, является наиболее существенной отличительной особенностью живого от неживого  в функциональном плане.  К другим функциональным особенностям  живых организмов следует отнести наличие обмена веществ, способность к росту и развитию, раздражимость и многое другое.

В целом живые организмы в сравнении с неживыми системами характеризуются существенно большим разнообразием, более сложной и упорядоченной структурой, более высоким уровнем организации. В основе этого лежит способность живых систем во много крат  более эффективно поглощать и использовать энергию окружающей среды, в том числе непосредственно солнечную энергию. Следствием этого является существенно более высокая скорость эволюции живого вещества  в сравнении с неживым.

Из вышеизложенного можно сделать заключение, что между живым и неживым существует резкая граница. Этот вопрос, важный и сам по себе, играет ключевую роль при обсуждении гипотез о происхождении жизни. Древние мыслители (и в Греции, и в других очагах цивилизации) не только допускали, но и аргументировали идеи о спонтанном, естественном происхождении жизни, однако с распространением христианства эти идеи были объявлены еретическими. В конце XVII Ф. Редди на основе своих опытов с открытыми и закрытыми сосудами (внутри которых в мясе появлялись или не появлялись черви), сформулировал принцип: «все живое из живого». Свой вклад в доказательство справедливости этого принципа внесли затем и другие ученые, в их числе был и знаменитый Л. Пастер.  Суть противоположной  точки зрения заключается в том, что граница между живым и неживым не является резкой и допускает существование переходных форм. К подобным переходным формам ряд ученых считают возможным отнести и известные образования - вирусы - на том основании, что, находясь вне клеток других организмов, вирусы не обладают ни одним из свойств живого вещества.

Основные концепции возникновения жизни. Вопрос о том, как зародилась жизнь, волнует  людей на протяжении многих тысячелетий. Можно выделить пять основных концепций, выработанных учеными на это счет: 1) концепция  креационизма (божественное сотворение жизни);  2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества;  3) концепция стационарного состояния (жизнь вечна и существовала всегда);  4) концепция панспермии (внеземное происхождение жизни);  5)  концепция происхождения жизни в историческом прошлом Земли в результате процессов, подчиняющихся  известным законам естествознания.

С начала ХХ в. века спор идет лишь между сторонниками двух последних концепций. При этом аргументов в пользу гипотезы о естественном происхождении жизни существенно больше, чем аргументов в пользу гипотезы панспермии.  К таким аргументам, в первую очередь, следует отнести существование единого для всего живого на Земле генетического кода, постоянство  (на протяжении миллиардов лет) массы живого вещества, на что впервые обратил внимание В.И.Вернадский,  единство строения макромолекул нуклеиновых кислот (линейные полимеры, свернутые всегда в правозакрученную спираль), и многое другое.

Следует отметить, что у концепции происхождения жизни в историческом прошлом Земли есть два варианта. По первому из них происхождение жизни – случайность, результат случайного образования единичной “живой молекулы”.  Суть другой  точки зрения заключается в том, что происхождение жизни есть результат закономерного процесса эволюции материи. Эта точка зрения, получившая наибольшее признание, впервые была научно обоснована А.И. Опариным, опубликовавшим в 1924 г. книгу “Происхождение жизни”.

Основой жизни на Земле является углерод. Атомы углерода   вырабатываются лишь в недрах больших звезд, т.е. “фабрика жизни”, осуществляющая производство углерода, находится не на Земле, а далеко за пределами Солнечной системы. Органические вещества могли синтезироваться еще до образования Земли, например, на поверхности космических пылинок.

Температура поверхности Земли в начальный период ее существования составляла 4 - 8 тысяч   градусов. Первичная атмосфера Земли в то время содержала водород и соединения углерода и азота,  кислорода, без которого сегодня трудно представить себе жизнь, не было. Многие ученые полагают, что отсутствие кислорода явилось необходимым условием возникновения жизни, т.к. органические соединения гораздо легче создаются в восстановительной среде, нежели  в окислительной.

Для возникновения жизни естественным путем сначала должны были организоваться необходимые органические соединения. Для построения любого сложного органического соединения, входящего в состав живых тел, необходим сравнительно небольшой набор блоков-мономеров (низкомолекулярных соединений): 20 аминокислот и 5 азотистых оснований.  Далее (согласно гипотезе А.И. Опарина) в этом своеобразном “первичном бульоне”, содержащем все необходимые органические соединения, могли возникнуть биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства.  Этот момент и можно считать началом жизни на Земле.

Отметим, что учеными в искусственных условиях синтезированы не только многие аминокислоты, но и простейшие нуклеиновые кислоты. В качестве исходного сырья в этих экспериментах использовались смеси газов, предположительно входивших в состав земной атмосферы в период зарождения жизни, а в качестве источника энергии (без притока энергии, как мы знаем, нет эволюции) - электрический ток (разряд в газе) и ультрафиолетовое облучение.

Как произошел переход от сложных органических веществ к простейшим живым организмам – пока непонятно,  этот переход труднее всего объяснить и еще труднее смоделировать. Как образовались клеточные мембраны и сами клетки, ученым также пока не ясно, нужны новые гипотезы и дальнейшие исследования.

Краткое рассмотрение эволюции форм жизни позволяет выделить в ней три этапа.  На первом этапе появились клетки без ядра (прокариоты), подобные формы жизни сохранились на Земле  до сих пор - это бактерии и т.н. сине-зеленые водоросли. Возраст таких самых древних организмов – не менее 3-х млрд. лет. На следующем этапе (около 2-х млрд. лет тому назад) в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называют простейшими (самые простейшие из них - амебы и инфузории), их 25 - 30 тысяч.  На третьем этапе (примерно 1 млрд. лет назад) появились многоклеточные организмы и произошло разделение живого мира на растительный и животный миры.

Клетка – фабрика жизни. Ученым, который обнаружил клеточное строение и  ввел  термин  «клетка», был современник и соотечественник великого И. Ньютона Роберт Гук. В 1665 г. он представил в Королевское общество книгу, в которой описал результаты своих микроскопических исследований тонких срезов живого вещества.

В 1883 г. (более чем через два столетия) английский ботаник Р. Броун (первооткрыватель хаотического теплового движения частиц) обнаружил наличие в клетках ядер. Сегодня мы знаем, что не все клетки имеют ядра. Те организмы, у которых  клеточные ядра четко оформлены и отделены от цитоплазмы ядерными оболочками, называют эукариотами. Те же организмы, у которых нет четко оформленных ядер, но в клетках имеются области, выполняющие их функции, называют прокариотами. К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли, именно они были исторически первыми  представители живого мира.

 Открытие ядер помогло установить, что все растения имеют клеточную структуру. Первым подобное утверждение сделал немецкий ботаник М. Шлейден, для этого он в течение пяти лет методично исследовал срезы самых разнообразных растений, отыскивая в них вначале ядра, а затем — окружающие их оболочки. Следом за  Шлейденом другой немецкий ученый Т. Шванн установил, что все животные ткани, как и ткани растений, имеют клеточную структуру.

Исследования показали, что организмы могут состоять как из громадного, так и из ограниченного числа клеток. Существуют одноклеточные организмы, но бесклеточных организмов в природе нет. В 1885 году было установлено, что каждая клетка возникает только при делении предшествующей ей материнской клетки. Немецкому биологу Р. Вирхову принадлежит образное выражение: «Каждая клетка — только из клетки». 

 Каждая клетка состоит из оболочки и ее наполнения, называемого протоплазмой, которая, в свою очередь, включает в себя цитоплазму и ядро. Цитоплазма представляет собой основное вещество клетки – гиалоплазму и расположенные в ней разнообразные клеточные структуры: рибосомы, полисомы, митохондрии, эндоплазматическую сеть, ядро, ядерную оболочка, ядерные поры, ядрышки. Оболочка клетки является двухслойной. У животных она тоньше, у растений толще, но и животные, и растительные клетки взаимодействуют между собой.

Клетки дифференцированных организмов различаются как по форме, так и по своим функциям. Но и клетки разных органов и тканей одного и того же организма отличаются друг от друга, иногда это отличие довольно существенно. В то же время есть функции, присущие всем клеткам без исключения. В частности, во всех клетках под контролем генетического аппарата осуществляется синтез белков, клетка, не синтезирующая белки, по сути дела, мертва.

Основные виды веществ, из которых состоят и животные, и растительные клетки, хорошо известны. Цитоплазма, ядро и оболочка клеток состоят преимущественно из белков, липидов, углеводов (сахаров и полисахаридов), витаминов, гормонов, органических кислот и других сложных органических соединений. В их состав входят также простые по своему химическому строению вещества, в частности, соли.

Для осуществления внутриклеточных процессов необходима энергия, в живых клетках энергетический обмен идет постоянно. Клетки обладают важнейшим для их жизни свойством – запасать и тратить энергию. Каждая клетка существует в постоянном контакте с окружающими клетками или с окружающими организм веществами. Жизнь клетки, по существу, заключается в поглощении веществ из окружающей среды, преобразовании этих веществ в нужные для ее жизни компоненты, передаче их в другие клетки, создании внутренних запасов нужных веществ, а также в выведении ненужных веществ из организма. Этот обмен веществ тесно переплетен с энергетическим обменом. Он происходит под контролем генетического аппарата клеток и, следовательно, связан с обменом информацией.

На всех стадиях развития клетки осуществляется регулирование ее жизнедеятельности. Известно много способов регуляции жизнедеятельности клетки, включая генетическую регуляцию внутриклеточных процессов. Регуляция нужна и для обеспечения важнейшей функции живой клетки – свойства раздражимости, то есть способности отвечать на воздействия, которым подвергается клетка извне. Клетки способны не только изменять в ответ на внешние раздражения свой энергетический обмен, обмен веществ, строение, но и самостоятельно восстанавливать нарушенные участки в генетическом аппарате и даже во внутриклеточных структурах. Для этого в клетках имеются восстанавливающие ферменты, которые синтезируются под контролем специальных генов.

Особый интерес представляет способ размножения клеток. Ведь поколения растений и животных рождаются, умирают, сменяются, но их виды живут тысячелетия. При этом они сохраняют в основных чертах свои признаки неизменными. Каждое растение или животное оставляет после себя потомство, и этот процесс повторяется снова и снова. Преемственность организмов создает бессмертие видов. В середине XIX века немецкий ботаник В. Гофмейстер обнаружил в ядрах клеток традесканции хромосомы. В дальнейшем в делящихся клетках были замечены некоторые особенности в движении хромосом. Во-первых, было обнаружено расщепление их во всех делящихся клетках на две одинаковые части. Во-вторых, оказалось, что во всех случаях хромосомы распределялись между дочерними клетками точно поровну. Стоило этому процессу нарушиться, и организмы, у которых клетки получали неравное число хромосом, заболевали и умирали. В-третьих, было установлено, что каждому из видов животных и растений свойственно свое число хромосом в ядрах клеток. Нашлись организмы, у которых половые клетки содержали вcero по одной хромосоме. А у некоторых организмов число хромосом в одном ядре достигает трехсот. В настоящее время установлено, что хромосомный набор — одна из важнейших характеристик живых организмов.

Процесс деления ядра, называемый митозом, в настоящее время изучен достаточно хорошо. Четыре стадии митоза имеют свои названия, перечислим их: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Телофаза завершается полным обособлением образовавшихся дочерних клеток. О неделящемся, покоящемся ядре говорят, что оно находится в интерфазе, то есть фазе, являющейся промежуточной между двумя последовательными стадиями деления.

Современные достижения в области исследования клеток и их функций связаны с т.н. клонироваиием – получением нового животного, но не обычным (половым) способом, а манипуляциями с одно единственной клеткой животного-«родителя». 23 февраля 1997 года шотландский ученый Ян Вильмут и его коллеги получили из клеток взрослой oвцы ее генетически идентичную копню (знаменитого ягненка Долли).  Известно, что любая клетка взрослого организма (т.н. соматическая клетка) несет полный набор наследственного вещества. Половые же клетки имеют только половину генов,  при зачатии эти половинки (отцовская и материнская) соединяются. В результате получается новый организм. Получение же нового живо из соматической клетки – это создание генетически тождественного существа в процессе, который называется клонированием.

 Генетика. Нуклеиновые кислоты. Наука, изучающая наследственность и изменчивость организмов, называется генетикой. Первые эксперименты, доказавшие существование материальных носителей наследственности – генов, были проведены и опубликованы выдающимся чешским ученым Г. И. Менделем еще в 1865 году. Широкому кругу ученых эти опыты стали известны только в начале XX века, после того как многие биологи повторили их на самых различных животных и растениях.

В настоящее время известно, что и в цитоплазме, и в ядре всегда находятся так называемые нуклеиновые кислоты – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Молекулы нуклеиновых кислот очень велики; они содержат десятки, сотни и тысячи отдельных звеньев — нуклеотидов. Их последовательность в цепи (то есть первичная структура нуклеиновой кислоты) еще не определяет всех ее свойств. Очень важна вторичная структура — форма, которую приобретает реальная молекула нуклеиновой кислоты. Вторичную структуру молекулы ДНК установили английские ученые Д.Уотсон и Ф.Крик в 1958 году, они же создали ее модель.

Оказалось, что молекула ДНК находится в природе обычно в форме двойной спирали: две нити ДНК обвивают друг друга подобно двум переплетенным проводам. В удерживании этих нитей от раскручивания основную роль играют водородные связи, возникающие между гетероциклическими основаниями. Реально могут существовать лишь две пары мононуклеотидов:  аденин – тимин и гуанин – цитозин (А—Т и Г—Ц). Таким образом, если в молекуле ДНК имеется участок АТТЦАГГТ, то в соответствующей (комплементарной, то есть дополняющей ее цепи) будет участок ТААГТЦЦА.

Комбинации указанных четырех азотистых оснований, входящих в состав ДНК, образуют так называемый генетический код. Последний представляет собой особый химический язык, на котором записывается наследственная информация. Причем основным хранителем наследственной информации являются именно молекулы ДНК: они обеспечивают способность живого вещества к воспроизведению абсолютно точных копий. В процессе самовоспроизведения две полинуклеотидные нити, связанные в молекуле ДНК водородными связями, отходят друг от друга, и каждая из них становится основой (матрицей) для будущей новой молекулы. Благодаря притоку нуклеотидов из цитоплазмы  каждая    матрица строит дополнительную полинуклеотидную цепь и превращается в двуспиральную молекулу ДНК, полностью повторяющую химическое строение исходной материнской молекулы.

ДНК встречается преимущественно в хромосомах ядра клетки, а РНК – как в ядре, так и в цитоплазме. Молекулы РНК отличаются от молекул ДНК: они одноцепочечные и состоят из меньшего количества звеньев (нуклеотидов). Кроме того, в РНК нет тимина, он полностью заменен другим, похожим на него азотистым основанием — урацилом.

Нуклеиновые кислоты являются сложными биополимерами. Входящие в их состав мономеры (мононуклеотиды) значительно сложнее, чем аминокислоты или моносахариды (рибоза и дезоксирибоза). Различия в строении ДНК и РНК небольшие, но эти кислоты значительно различаются по своим свойствам и биологическим функциям.

Участок ДНК, несущий какую-либо целостную информацию (о строении одной молекула белка или одной молекулы РНК) незывают геном. Ген представляет собой структурную и функциональную единицу наследственности. Именно гены организма подвержены мутациям – случайным или целенаправленным изменениям последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Мутации  приводят к изменению последовательности, а следовательно изменению биологических характеристик белка или РНК.  Разные формы одного и того же гена называют аллелями. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом животной или  растительной клетки, носит название геном.

 Белки, их свойства и функции. Основой жизни животных и растительных клеток являются белки – сложнейшие органические соединения, состоящие из большего или меньшего количества аминокислот. В структурном плане макромолекула белка представляет собой последовательность мономеров - остатков аминокислот (из 100 известных в органической химии аминокислот в состав белков входят лишь 20). Молекулы различных белков существенно отличаются друг от друга молекулярной массой, величина которой может изменяться от десятков тысяч до десятков миллионов, содержанием различных аминокислот и порядком их расположения. Изменение последовательности даже одной пары аминокислот в структуре  молекулы белка изменяет его свойства – это будет уже другой белок.

Белки выполняют различные функции, и они достаточно разнообразны. Так, например, в мышечных волокнах содержится белок миозин, в эритроцитах – гемоглобин, в поджелудочной железе – иинсулин и т.п. В обмене веществ в организме принимают участие белки, называемые ферментами. Синтез, то есть образование, белков происходит в цитоплазме клетки, а специфические особенности белков определяются генетической информацией, заключающейся в ДНК  хромосом.

Синтез белков в цитоплазме происходит под контролем ДНК. В синтезе принимают участие молекулы трех различных видов рибонуклеиновых кислот: транспортная, информационная и рибосомная. Предварительно на каждом гене синтезируется его копия. Эти копии, будучи особым образом «упакованными», через поры ядерной оболочки вытекают из ядра, попадают в цитоплазму и соединяются с рибосомами, прикрепленными к канальцам эндоплазматической сети. После того как к ним подплывают молекулы РНК, несущие информацию от генов, начинается синтез ферментов. Готовые порции ферментов уходят в цитоплазму и там управляют реакциями, протекающими в живой клетке.

Каждый ген, то есть каждый участок ДНК, управляет какой-то одной реакцией в цитоплазме клетки, для этого под его контролем и синтезируется соответствующий фермент. Ферменты представляют собой белки. Их синтез происходит не в ядре, где находятся гены, а в цитоплазме. Ферменты являются исключительно сильными и специфическими катализаторами (например, одна молекула фермента каталазы при нормальной температуре тела обеспечивает распад около 5 млн. молекул перекиси водорода в течение всего лишь одной минуты).  Удивительно высока специфичность ферментов, их «умение выбирать» определенные молекулы из ряда очень похожих.

Белки – очень важный, но далеко не единственный вид биополимеров, биополимерами являются сахариды, составляющие основную массу растительного материала. Полисахариды, подобно белкам, построены из простых мономеров –только роль мономеров здесь играют не аминокислоты, а сахара (в первую очередь глюкоза). Две молекулы сахара путем отщепления молекулы воды соединяются, образуя дисахарид. Если соединяются между собой многие молекулы глюкозы, получится полисахарид, например целлюлоза, крахмал и гликоген.

Передача наследственной информации связана с процессом биосинтеза белков. Как было уже отмечено, строение синтезируемого белка предопределяется строением определенного участка соответствующей молекулы ДНК. Последовательность мононуклеотидов в молекуле ДНК определяет последовательность аминокислот в синтезируемых организмом белках, в первую очередь в ферментах. Эту зависимость включения в белок той или иной аминокислоты от определенной последовательности нуклеотидов и называют генетическим кодом. Каждой аминокислоте, соответствует определенная последовательность трех расположенных рядом нуклеотидов, называемых триплетов нуклеотидов. Например, триплет ТТТ соответствует аминокислоте фенилаланину, триплет ГЦУ – аланину и т. д. Большинство аминокислот кодируется двумя-тремя сходными триплетами. Таким образом, все многообразие растений, животных и человека закодировано в очень длинных молекулах дезоксирибонуклеиновых кислот.

Как уже отмечалось, все белки (в клетках микробов, растений, животных, человека) состоят в основном из 20 аминокислот. В отличие от обычных полимеров с определенной последовательностью мономеров в цепи, белки отличаются друг от друга последовательностью остатков различных аминокислот вдоль цепи, эту последовательность называют первичной структурой белка (полипептида).  В настоящее время известны первичные структуры более двухсот белков. Некоторые из них содержат по нескольку сотен остатков аминокислот. Эти  остатки, взаимодействуя между собой, образуют определенные пространственные структуры (например, спиральные). Образование водородных связей и определенные пространственные ограничения приводят к тому, что длинная полипептидная цепь легко свертывается в спираль. В результате этого длинные цепи белков имеют вид толстых спиралей. Существуют и другие  формы вторичной структуры белков.

Спирали белков, взаимодействуя между собой, образуют очень сложный, но строго определенный по форме клубок. Размещение спиралей в таком клубке называют третичной структурой белка. Иногда сложившиеся определенным образом громадные молекулы белка взаимодействуют между собой и как бы слипаются. Такое слипание белков называют четвертичной структурой. Существенно, что небольшие изменения во вторичной, третичной и четвертичной структурах белка меняют характер его биологического действия. Все это позволяет природе создавать самые разнообразные составляющие растений и животных.

Синтетическая теория эволюции жизни.  Применительно к живой природе эволюция понимается как образование более сложных видов из простых. Что является источником развития? Различные ученые по-разному отвечали на этот вопрос. Кювье, как уже отмечалось,  считал, что это катастрофы, Ламарк отдавал предпочтение такому фактору, как тренировка органов,  по Дарвину, в качестве такого источника выступает борьба за существование (естественный отбор).

Генетики опровергли представления Ламарка о наследовании приобретенных при жизни признаков. Опытным путем было установлено, что признаки, приобретаемые организмом и приводящие к изменению фенотипа, не оказывают прямого воздействия на половые клетки, передающие признаки следующему поколению.

В 1778 году священник Т. Мальтус опубликовал «Трактат о народонаселении», в котором обрисовал, к чему привел бы рост населения, если бы он ничем не сдерживался. Дарвин перенес его рассуждения на природу и обратил внимание на то, что, несмотря на высокий репродуктивный потенциал, численность популяций остается относительно постоянной. Дарвин предположил, что при интенсивной конкуренции внутри популяции любые изменения, благоприятные для выживания в данных условиях, повышают способность особей размножаться и оставлять потомство.

Другим основанием теории эволюции послужил принцип униформизма английского геолога Ч. Лайеля, в соответствии с которым медленные ничтожные изменения приводят к поразительным результатам, если происходят долго в одном направлении. Точно так же небольшие изменения на протяжении миллионов лет приводят к образованию новых видов.

Теория эволюции сформулирована Дарвином в 1839 году. Наибольший вклад Дарвина в науку заключался не в том, что он доказал существование эволюции, а в том, что он объяснил, как она может происходить. В 1859 году Дарвин опубликовал труд «Происхождение видов путем естественного отбора». Гипотеза Дарвина основана на трех наблюдениях и двух выводах. «Н. 1. Особи, входящие в состав популяции, обладают большим репродуктивным потенциалом. Н. 2. Число особей в каждой данной популяции примерно постоянно. В. 1. Многим особям не удается выжить и оставить потомство. В популяции происходит «борьба за существование». Н. 3. Во всех популяциях существует изменчивость. В. 2. В «борьбе за существование» те особи, признаки которых наилучшим образом приспособлены к условиям жизни, обладают «репродуктивным преимуществом» и производят больше потомков, чем менее приспособленные особи.

Не столь важно, какая конкуренция в процессе естественного отбора имеет место – внутривидовая или межвидовая. Решающий фактор, определяющий выживание, - это приспособленность к среде. Любое, пусть самое незначительное физическое, физиологическое или поведенческое изменение, дающее одному организму преимущество перед другим, будет действовать в «борьбе за существование» как селективное преимущество, в результате чего благоприятные изменения будут передаваться следующим поколениям.

Данные в поддержку гипотезы Дарвина дают различные науки. Палеонтология, которая занимается изучением ископаемых остатков, подтверждает факт прогрессивного возрастания сложности организмов. В самых древних породах встречаются организмы немногих типов, имеющих простое строение. Постепенно разнообразие и сложность растут. Многие виды, появляющиеся на каком-либо стратиграфическом уровне, исчезают затем. Это истолковывают как возникновение и вымирание видов.

В соответствии с данными палеонтологии можно считать, что в протерозойскую геологическую эру (700 млн. лет назад) появились бактерии, простейшие водоросли, примитивные морские организмы; в палеозойскую (365 млн. лет назад) - наземные растения, пресмыкающиеся; в мезозойскую (185 млн. лет назад) - млекопитающие, птицы, хвойные растения; в кайнозойскую (70 млн. лет назад) - современные виды. Конечно, следует иметь в виду, что палеонтологическая летопись неполна.

Теория эволюции знаменовала собой крупный прорыв в биологии, наряду с классификацией Линнея и клеточной теорией. Но вопросы и сомнения оставались. Всю жизнь Дарвина преследовал «кошмар Дженкина» - возражение следующего содержания: если среди поля красных маков появится белый, то после скрещивания он даст розовое потомство, а через 2-3 поколения исчезнет всякое воспоминание о белом цвете.

Лишь возникновение генетики дало возможность отвергнуть это возражение. Опровергнув концепцию Ламарка, генетика помогла дарвинизму, объяснив, что появившийся признак не может исчезнуть, так как наследственный аппарат сохраняет случайно возникшее в нем, подобно тому, как сохраняются опечатки в книгах при их воспроизводстве.

Генетика привела к новым представлениям об эволюции, получившим название неодарвинизма, который можно определить как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Другое общепринятое название - синтетическая, или общая, теория эволюции. Механизм эволюции стал рассматриваться как состоящий из двух частей: случайные мутации на генетическом уровне и наследование наиболее удачных с точки зрения приспособления к окружающей среде мутаций, так как их носители выживают и оставляют потомство (мутация -» появление нового признака -» борьба за существование -» естественный отбор).

Известный физик В. Гейзенберг в своей книге «Физика и философия» писал: «Теория Дарвина в ее сегодняшней форме содержит, собственно, два независимых утверждения. Согласно одному из них, в процессе воспроизведения испытываются все новые формы, которые в своем большинстве при данных внешних обстоятельствах снова исчезают как непригодные; сохраняются лишь немногие приспособленные. Во-вторых, предполагается, что новые формы возникают вследствие чисто случайных нарушений генной структуры» Некоторые из событий, приводимых в качестве доказательства эволюционной гипотезы, воспроизводимы в лаборатории, однако это не значит, что они действительно имели место в прошлом, а свидетельствует об их возможности. На многие возражения до сих пор нет ответа. Поэтому концепцию Дарвина точнее все же относить к гипотезам, которые требуют дальнейшего подтверждения.

Концепция коэволюции. Критика дарвинизма велась со дня его возникновения. Одним не нравилось, что изменения, по Дарвину, могут идти во всех возможных направлениях и случайным образом. Концепция номогенеза утверждала, что изменения происходят не беспорядочно и случайно, а по законам форм. Русский ученый и революционер П. А. Кропоткин придерживался точки зрения, в соответствии с которой взаимопомощь является более важным фактором эволюции, чем борьба.

Эти возражения не могли поколебать общей теории эволюции вплоть до появления под влиянием экологических исследований концепции коэволюции, которая смогла объяснить возникновение полов и другие феномены. Как химическая эволюция - результат взаимодействия химических элементов, так по аналогии биологическая эволюция может рассматриваться как результат взаимодействия организмов. Случайно образовавшиеся более сложные формы увеличивают разнообразие, а значит,  устойчивость экосистем. Удивительная согласованность всех видов жизни есть следствие коэволюции.

Концепция коэволюции хорошо объясняет эволюцию в системе «хищник - жертва» - постоянное совершенствование и того, и другого компонента системы. В системе «паразит - хозяин» естественный отбор должен вроде бы способствовать выживанию менее вирулентных (опасных для хозяина) паразитов и более резистентных (устойчивых к паразитам) хозяев. Постепенно паразит становится комменсалом, т. е. безопасным для хозяина, а затем они могут стать мутуалами - организмами, которые способствуют взаимному процветанию, как грибы и фотосинтезирующие бактерии, вместе образующие лишайники. Но так происходит не всегда. Паразиты являются неизбежной, обязательной частью каждой экосистемы. Коэволюционная «гонка вооружений» способствует большему разнообразию экосистем.

Концепция коэволюции объясняет и факты альтруизма у животных: заботу о детях, устранение агрессивности путем демонстрации «умиротворяющих поз», повиновение вожакам, взаимопомощь в трудных ситуациях и т. п.

Гипотеза Гея-Земли. Эта гипотеза возникла в последние два десятилетия на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции. Авторами ее являются английский химик Джеймс Лавлок и американский микробиолог Линн Маргулис. Вначале была обнаружена химическая неравновесность атмосферы Земли, которая рассматривается как признак жизни. По мнению Лавлока, если жизнь представляет собой глобальную целостность, ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы планеты.

Суть Гея-гипотезы: Земля является саморегулирующейся системой, созданной биотой и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата. По Лавлоку, мы - обитатели и часть квазиживой целостности, которая обладает способностью глобального гомеостаза, снисходительного к нарушениям, если она в хорошей форме, в пределах своей способности к саморегуляции. Когда подобная система попадает в состояние стресса, близкого к границам саморегуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое стабильное состояние или даже полностью уничтожить.

Подходя к Гея-гипотезе с биологических позиций, Л. Маргулис полагает, что жизнь на Земле представляет собой сеть взаимозависимых связей, позволяющих планете действовать как саморегулирующаяся и самопроизводящая система. В 60-х годах она предположила, что эукариотические клетки произошли в результате симбиотического союза простых прокариотических клеток, таких как бактерии. По мнению Маргулис, симбиоз - образ жизни большинства организмов и один из наиболее созидательных факторов эволюции. Например, 90% растений существуют вместе с грибами, поскольку грибы, связанные с корнями растений, необходимы им для получения питательных веществ из почвы. Совместная жизнь приводит к появлению новых видов и признаков. Эндосимбиоз (внутренний симбиоз партнеров) - механизм усложнения строения многих организмов. Изучение ДНК простых организмов подтверждает, что сложные растения произошли из соединения простых.

Так происходит переход от целесообразности на уровне организмов к целесообразности на уровне сообществ и жизни в целом - целесообразности в научном смысле слова, определяемой тем, что существуют не внешние по отношению к сообществам, а внутренние объективные надорганизменные механизмы эволюции, которые и изучает наука. С точки зрения концепции коэволюции естественный отбор, который играл главную роль у Дарвина, является не «автором», а скорее «редактором» эволюции.

12. Экология

Основные понятия и принципы экологии. В буквальном смысле слово «экология» означает науку о «доме» (от греч. «ойкос» - жилище, местообитание). Экология входит  в цикл биологических наук – это наука о местообитании живых существ и их взаимоотношении с окружающей средой. Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, сообществ, экосистем. Термин «экология» предложил немецкий зоолог Э. Геккель в 1866 году, но наибольшее развитие эта наука получила в XX веке.

Экология изучает различные уровни целостности, промежуточные между организменным (биологическим) и глобальным (биосферным). Выделяют аутоэкологию, которая исследует взаимодействие отдельных видов со средой, и синэкологию, которая изучает сообщества. Сообществом, или биоценозом, называют совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания. Совокупность сообщества и среды носит название экологической системы, или биогеоценоза.

Основные понятия аутоэкологии – популяция, местообитание, экологическая ниша. Популяцией называется группа организмов, относящихся к одному или близким видам и занимающая определенную область, называемую местообитанием. Важной экологической характеристикой популяции является ее численность - общее количество особей вида, присутствующее на той или иной территории. Согласно современным представлениям популяция является элементарной единицей эволюции. С точки зрения эволюции важна не общая численность особей в популяции, а эффективная (репродуктивная) численность, т.е. та часть популяции, которая формирует генофонд следующего поколения.

Средняя численность большинства крупных популяций изменяется из года в год относительно мало, главным образом, потому, что организмы размножаются более интенсивно при меньшей плотности популяции и менее интенсивно при большей плотности. Основными причинами колебаний численности популяций связаны с изменениями условий существования: изменение действия абиотических факторов среды, изменение межвидовых отношений (враги, паразиты), изменение количества и качества корма.

Популяционные волны - это вспышки численности, периодические или непериодические значительные изменения числа особей в популяции. С. С. Четвериков назвал популяционные волны и 1905 г. "волнами жизни". Масштабы колебаний численности у популяций разных видов обычно разные. Флуктуации численности вызываются самыми различными причинами, для различных видов эти причины не всегда одинаковые. Но есть и причины общего характера. Так, периодические колебания численности популяций, имеющих 10-11-летний период, объясняются периодичностью активности Солнца.

Совокупность условий, необходимых для существования популяции, носит название экологической ниши. Экологическая ниша определяет положение вида в цепях питания. В зависимости от характера питания строится пирамида питания, состоящая из нескольких трофических уровней. Низший уровень занимают автотрофные организмы, питающиеся неорганическими соединениями, прежде всего растения. На более высоком уровне располагаются гетеротрофные организмы, использующие в пищу биомассу растений. Затем идут гетеротрофы второго порядка, питающиеся гетеротрофами первого порядка, т. е. травоядными животными и т. д.

Организмы, способные к фото- или хемосинтезу и являющиеся в пищевой цепи первым звеном, созидателем органических веществ из неорганических, называют продуцентами, к ним относятся все автотрофные организмы. Организмы, потребляющие готовые органические вещества (но не доводящие разложение органических веществ до простых минеральных составляющих), называют консументами (от лат. consumo – потребляю).  Совокупность консументов образует трофические цепи, в которых выделяют консументы первого порядка (растительноядные), второго, третьего и т.д. порядков (хищники). Все гетеротрофные организмы относятся к консументам. Третья разновидность организмов редуценты – (от лат. reducentis - возвращающий, восстанавливающий). Редуценты (другое название – сапротрофы) – это организмы, разлагающие мертвоеорганическое вещество (трупы, отбросы) и превращающие его в неорганические вещества, которые затем усваиваются продуцентами.

Один из важнейших принципов экологии – принцип устойчивости, в соответствии с которым чем больше трофических уровней и чем они разнообразнее, тем устойчивей биосфера. В экологии показано, что живой мир – не совокупность живых существ, а единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимоотношений. Если даже небольшая часть его погибнет, погибнет и все остальное.

К важным выводам экологии можно отнести следующие, отмечавшиеся еще Вернадским. 1. Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи со средой, т. е. с другими организмами и неживой природой. 2. Жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись на планете, стимулируя перераспределение энергии и веществ. 3. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность популяции колеблется вблизи равновесного уровня.

Равновесие в живой природе не статично, как равновесие кристалла, а динамично, представляя собой движение вокруг точки устойчивости. Если эта точка не меняется, то такое состояние называется гомеостазом («гомео» - тот же, «стасис» - состояние). В пределах «гомеостатического плато» за счет отрицательных обратных связей живой организм поддерживает параметры своей внутренней среды, противодействуя внешним воздействиям, на таком постоянном уровне. Например, кровяное давление, частота пульса, температура тела – все это обусловлено гомеостатическими механизмами, которые работают настолько хорошо, что мы обычно их не замечаем.

Механизм, ответственный за эволюцию живой природы, получил название гомеореза. Он дает возможность как бы перескакивать с одного устойчивого состояния на другое через неравновесные точки (как бы «с кочки на кочку»), тем самым проявляя такую отличительную особенность живых тел, как их способность поддерживать устойчиво неравновесное состояние. Средством, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (на достаточно низком уровне энтропии), является энергия, получаемая организмом из окружающей среды с продуктами питания.

Закономерности развития экосистем. Одним из основных достижений экологии стало обнаружение того обстоятельства, что развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы. Развитие экосистем (сукцессия) – это последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном районе. Сукцессия состоит из стадий развития, стабилизации и климакса. Их можно различать на основе критерия продуктивности системы: на первой стадии продукция растет до максимума, на второй остается постоянной, на третьей уменьшается до нуля по мере разрушения системы. Развитие экосистем всегда идет в направлении повышения их устойчивости, достигаемой за счет увеличения разнообразия. Распространив этот вывод на всю биосферу, получаем ответ на вопрос, зачем природе нужны 2 млн. видов. И то, что современный человек уменьшает многообразие природы, - очень опасно для нее.

Первыми экосистемами, которые изучались с помощью количественных методов были системы «хищник - жертва». Американец Лотка в 1925 году и итальянский ученый В. Вольтерра в 1926 году создали математические модели роста отдельной популяции и динамики популяций, связанных отношениями конкуренции и хищничества. Исследование системы «хищник-жертва» показало, что типичной для популяции жертв эволюцией является увеличение рождаемости, а для популяции хищников - совершенствование способов ловли жертвы.

К интересным результатам привело изучение системы «паразит - хозяин». Казалось бы, отбор должен вести к уменьшению вредности паразита для хозяина, но это не так. И в этой паре идет конкурентная борьба, в результате которой усложняются и те, и другие. Гибель одного ведет к гибели другого, а сосуществование увеличивает сложность всей системы.

13. Происхождение и эволюция человека

Проблема появления человека на Земле.  Как и в вопросе происхождения Вселенной и жизни, существует представление о божественном творении человека («И сказал Бог: сотворим человека по образу нашему, по подобию нашему... И сотворил Бог человека по образу своему»).

Во многих первобытных племенах были распространены представления о том, что их предки произошли от животных и даже растений (на этом основано представление о тотемах), а такие верования встречаются у так называемых отсталых народов до сих пор. В настоящее время в связи с ажиотажем вокруг НЛО в моду вошли версии о происхождении человека от внеземных существ, посещавших Землю, или даже от скрещивания космических пришельцев с обезьянами.

Но господствует в науке с XIX века вытекающая из теории эволюции Дарвина концепция происхождения человека от высокоразвитых предков современных обезьян. Она получила в XX веке генетическое подтверждение, поскольку из всех животных по генетическому аппарату ближе всего к человеку оказались шимпанзе.

Существуют как существенные сходства, так и существенные различия человека и животных. Сходства определяется, во-первых, вещественным составом, строением и поведением организмов. Человек состоит из тех же белков и нуклеиновых кислот, что и животные, и многие структуры и функции нашего тела та кие же, как и у животных. Чем выше на эволюционной шкале стоит животное, тем ближе его сходство с человеком. Во-вторых, человеческий зародыш проходит в своем развитии те стадии, которые прошла эволюция живого. И, в-третьих, у человека имеются рудиментарные органы, которые выполняли важные функции у животных и сохранились у человека, хотя не нужны ему (например, аппендикс).

Однако и отличия человека от животных фундаментальны. Прежде всего, к ним необходимо отнести разум.  Изучение высших животных показало, что они обладают многим из того, на что, как раньше считались, способны только люди. Эксперименты с обезьянами обнаружили, что они могут понимать слова, сообщать с помощью компьютера о своих желаниях, и с ними можно вести таким образом диалог. Но чем не обладают самые высшие животные, так это способностью к понятийному мышлению, т. е. к формированию отвлеченных, абстрактных представлений о предметах, в которых обобщены основные свойства конкретных вещей. Мышление животных, если о таковом можно говорить, всегда конкретно; мышление человека может быть абстрактным, отвлеченным, обобщающим, понятийным, логичным.

Вторым главным отличием является то, что человек обладает речью. Опять-таки, у животных может быть очень развитая система общения с помощью сигналов (что, кстати, позволило говорить о «цивилизации дельфинов»). Но только у человека есть то, что И. П. Павлов назвал второй сигнальной системой, позволяющей людям  общаться  с помощью слов. Этим человеческое общество отличается от других общественных животных.

В естествознании, пытающемся выяснить естественные причины человеческих способностей, известна гипотеза немецкого антрополога М. Мюллера о происхождения речи из звуков, произносимых при работе, которые потом становились общими в процессе совместного труда. Сначала появились корни глаголов, соответствующие определенным видам деятельности, затем другие части слова и речи. Таким же путем в процессе общественного труда постепенно мог возникнуть разум.

Способность к труду - еще одно фундаментальное отличие человека от животных. Конечно, все животные что-то делают, а высшие животные способны к сложным видам деятельности. Обезьяны, например, используют палки в виде орудий для доставания плодов. Но только человек способен изготовлять, творить орудия труда. С этим связаны утверждения, что животные приспосабливаются к окружающей среде, а человек преобразует ее, и что в конечном счете труд создал человека.

Со способностью к труду соотносятся еще два отличительных признака человека: прямохождение, которое освободило его руки, и, как следствие, развитие руки, особенно большого пальца на ней. Наконец, еще два характерных признака человека, повлиявших на развитие культуры - использование огня и захоронение трупов.

Главные отличия человека от животных: понятийное мышление, речь, труд, - стали теми путями, по которым шло обособление человека от природы.

Человек как предмет естественнонаучного познания.  Науки о человеке.  В начале курса мы говорили о различии естественнонаучного и гуманитарного знания и определили, что естествознание изучает природу, как она есть, а гуманитарные науки изучают духовные произведения человека. О человеке можно говорить как предмете естествознания в том смысле, что человек тоже часть природы, как с точки зрения своего происхождения, так и с точки зрения биологической основы своего существования.

В настоящее время в науке утвердилось представление, что человек –  биосоциальное существо, соединяющее в себе биологическую и социальную компоненты. С каждым годом этология накапливает все больше данных, свидетельствующих о том, что социальное поведение человека во многом генетически детерминировано. С точки зрения современной науки более правильно разделять биологическую предопределенность существования человека и его родовую (собственно человеческую) сущность.

Итак, человек как предмет естественнонаучного познания может рассматриваться в трех аспектах: 1) происхождение; 2) соотношение в нем естественного и гуманитарного; 3) изучение специфики человека методами естественнонаучного познания. Первое направление, традиционно называемое антропологией, изучает: когда, от кого и как произошел человек и чем он отличается от животных; второе направление – социобиология,  изучающая  генетическую основу человеческой деятельности и соотношение физиологического и психического в человеке; к третьему направлению относится изучение естественнонаучным путем мозга человека, его сознания, души и т. п.

Антпропология. В буквальном смысле «антропология» - наука о человеке (от греч. «антропос» - человек). Современная антропология изучает проблемы происхождения человека,  а также специфику его строения и эволюции. Бурное развитие антропология получила во второй половине XIX века после создания теории эволюции Дарвина.

Э. Геккель выдвинул гипотезу о существовании в прошлом промежуточного (между обезьяной и человеком) вида, который он назвал питекантропом (букв. «Обезьяночеловек»). Питекантропом были названы остатки, обнаруженные в 1891 году на острове Ява. Существа, жившие 0,5 млн. лет назад, имели рост более 150 см, объем мозга примерно 900 куб. см., использовали ножи, сверла, скребки, ручные рубила. В 20-е годы XX века в Китае был найден синантроп («китайский человек») с близким к питекантропу объемом мозга. Он использовал огонь и сосуды, но не имел речи.

Геккель первым предположил, что не современные обезьяны были предками человека, а дриопитеки («древесные обезьяны»), которые жили в середине третичного периода (70 млн. лет назад). От них одна линия эволюции пошла к шимпанзе и гориллам, другая - к человеку. 20 млн. лет назад под влиянием похолодания джунгли отступили и одной из ветвей дриопитеков пришлось спуститься с деревьев и перейти к прямохождению (так называемые «рамопитеки», остатки которых найдены в Индии и поэтому названы в честь бога Рамы).

В 1960 году английский археолог Л. Лики открыл в Восточной Африке «Человека Умелого», возраст которого 2 млн. лет, а объем мозга 670 куб. см. В этих же слоях были обнаружены орудия труда из расколотой речной гальки. Позже на озере Рудольф в Кении были найдены остатки существ того же типа возрастом 5,5 млн. лет. Наличие изготовленных орудий труда (если по этому факту судить о становлении человека) позволили существенно увеличить его возраст. После этого укрепилось мнение, что именно в Восточной Африке в четвертичном периоде кайнозойской эры произошло разделение человека и человекообразных обезьян (не ранее, так как гены тех и других слишком сходны), т. е. разошлись эволюционные линии человека и шимпанзе.

Что было причиной появления человека именно в одном месте? В Восточной Африке имеют место выходы урановых пород и существует повышенная радиация. Последняя, как доказано генетикой, вызывает мутации. Таким образом, здесь эволюционные изменения могли протекать более быстрыми темпами. Возникший вид, физически более слабый, чем окружение, должен был, чтобы выжить, начать изготавливать орудия, вести общественный образ жизни и развить разум как мощный инструмент слабого от природы существа, не обладающего достаточными естественными органами защиты.

«Человека Умелого» относят к австралопитекам (букв. «южная обезьяна»). Объем мозга австралопитека не превышал объема мозга человекообразных обезьян, но он был способен к созданию орудий труда. Это стало формой преодоления противоречия между недостаточной естественной вооруженностью австралопитека и большой насыщенностью его существования опасными ситуациями.

В 1856 году в долине Неандерталь в Германии обнаружили остатки существа, жившего 150-40 тыс.лет назад, названного неандертальцем. Он имел объем мозга, близкий к современному человеку, но покатый лоб, надбровные дуги, низкую черепную коробку; жил в пещерах, охотясь на мамонтов. У неандертальца впервые обнаружены захоронения трупов. Наконец, в пещере Кро-Маньон во Франции в 1868 году были найдены остатки существа, близкого по облику и объему черепа (до 1600 куб. см.) к современному человеку, имевшему рост 180 см и жившему от 40 до 15 тыс. лет назад. Это и есть «Человек Разумный». В ту же эпоху появились расовые различия.

Итак, линия эволюции человека выстраивается следующим образом: «Человек умелый» (австралопитек), «Человек прямоходящий» (питекантроп и синантроп), «Человек неандертальский», «Человек разумный» (кроманьонец). После кроманьонца человек не изменялся генетически, тогда как его социальная эволюция продолжалась.

В соответствии с одной из гипотез человек современного типа возник 200 тыс. лет тому назад в Восточной Африке, при этом питекантроп, синантроп и неандерталец - не предки современного человека, а различные группы гоминид (человекообразных существ), вытесненных «Человеком прямоходящим» из Восточной Африки.

Альтернативная точка зрения мультирегиональной эволюции человечества  утверждает, что только архаичные люди возникли в Африке, а современные - там, где они живут сейчас. Человек покинул Африку не менее 1 млн. лет назад. Эта гипотеза основывается на палеонтологическом сходстве между современными людьми и далекими предками, живущими в местах их обитания.

Социобиология. Данная наука занимается поисками границ между биологическим и специфически человеческим. Эта наука в применении к изучению человека находится на стыке естественнонаучного и гуманитарного знания.  «Социобиология изучает биологические основы всех форм общественного поведения, включая человека», - писал основоположник этой науки  Э. Уилсон. Как нейрофизиология стремится объяснить физиологические основы мышления, так социобиология - биологические основы эволюции человека.

Социобиология изучает коэволюцию в самом человеке. Ее основная идея в отношении к человеку заключается в том, что «Человек Разумный» есть обычный биологический вид с генетически разнообразным поведением. У человека, как любого другого вида жизни, не может быть целей, которые возникали бы вне его собственной биологической природы. В человеке есть врожденная способность к взаимопомощи и к общительности как основе морали. В той степени, в которой эта способность наследуется, она социобиологична; в той, в которой приобретается в процессе жизни и воспитания – социокультурна. Проблема в том, может ли влияние цивилизации переходить на генетический уровень и становиться фактором искусственного отбора или имеет место только социальное наследование культуры.

Генетика вкупе с социобиологией изучает вопрос о том, существуют ли гены эгоизма, альтруизма, т. е. наследуются ли черты характера или они социально обусловлены воспитанием. Под генетическую детерминацию попадает инцестовое торможение, конфликт отцов и детей, война, территориальность, различная ориентация полов, страх детей перед чужими людьми и т. д. Стремление сохранить свой престиж и достоинство также врожденно. Социобиология утверждает, что скоро в нашей власти будет определять многие из генов, которые обусловливают поведение.

Один из спорных моментов социобиологии – выяснение того, что в большей мере –  эгоизм или альтруизм – является движущей силой эволюции. В соответствии с точкой зрения, выраженной в книге Р. Докинса «Эгоистичный ген», само воспроизводство жизни – функция эгоизма, и все, что эволюционировало, должно было быть эгоистичным. Представители этих взглядов должны ответить на вопрос: как объяснить с позиций борьбы за существование широкое распространение альтруистического поведения?

Перед сторонниками второй точки зрения стоит вопрос: как альтруистическое поведение может передаваться из поколения в поколение? Ответ на него к настоящему времени таков. Если одно животное подает сигнал об опасности другим, рискуя своей жизнью, это поведение может быть сохранено отбором, так как дает преимущества родственным особям, а гены альтруистической особи сохраняются в них. Жала рабочих пчел остаются в теле врага, неся гибель самой пчеле, а африканские термиты в сражении с врагами извергают особый секрет, от которого гибнут сами и их противники. Популяции, в которых индивиды проявляют самопожертвование ради пользы других, оказываются в более выгодных условиях, чем те, члены которых, прежде всего, заботятся о собственном благополучии.

Этология.  Этология еще до социобиологии показала, что в человеке много свойственного животным. Агрессивность человека соответствует агрессивности животных, а садизм имеет корни в инстинкте агрессии. Как и в животном мире, агрессивность больше присуща мужчинам. Отбор в результате только внутривидовой борьбы, как считают этологи, может быть отрицателен для вида, а он играет все большую роль для человека, стимулируя войны и экологический кризис.

Как преодолевается эта опасность в животном мире? К. Лоренц  писал: «Полезный, необходимый инстинкт вообще остается неизменным; но для особых случаев, где его проявление было бы вредно, вводится специально созданный механизм торможения. Культурно-историческое развитие народов происходит аналогичным образом; именно потому важнейшие требования Моисеевых и всех прочих скрижалей, - это не предписания, а запреты». Христос запретил противиться злу. Отказ от борьбы известен и у животных.

Агрессивность нельзя исключить, избавляя людей от раздражающих ситуаций, или наложив на нее моральный запрет, или с помощью генетической инженерии, так как она выполняет биологически положительную роль, и все инстинкты связаны между собой. Спорт, искусство, наука, смех выступают как необходимый тормозящий механизм агрессии по отношению ко всем людям и всей природе. Важна и борьба с грехами, потому что на это уходит энергия. Лоренц формулирует биологический (этологический) вариант категорического императива Канта: «Поступай так, чтобы твое поведение как разумного существа соответствовало законам природы».

Однако полной аналогии между поведением человека и животных не может быть именно потому, что человек не только биологическое существо. «У дикого животного в естественных условиях не возникает конфликта между его внутренними склонностями и тем, что оно «должно» делать, - вот эту-то райскую гармонию и потерял человек. Более высокий интеллект обеспечил человеку культурное развитие, и, главное, принес с собой дар речи, способность отвлеченно мыслить, накапливать и передавать от поколения к поколению все возрастающие запасы знаний. В результате историческое развитие человека происходило в сотни раз быстрее, чем чисто органическое, филогенетическое развитие прочих живых существ. Однако инстинкты человека, его врожденные реакции по-прежнему связаны с намного более медленным органическим развитием и отстают от его культурно-исторического развития. Естественные склонности» уже не вполне укладываются в рамки человеческой культуры, в которых их практически заменил интеллект.

Животные гораздо более жестко реагируют на стимулы, чем человек. Еще одно из отличий человека от животных - способность к высоким порядкам предсказания. Большее значение, чем у животных, имеет у человека обучение и все, связанное с ним.  Для того, чтобы что-то выучить, нужен интерес к этому. Способом его повышения служит игра. Потребность к игре, по Лоренцу, свойственна только наиболее психически развитым из всех живых существ. «Не случайно игра представляется нам более высоким видом деятельности, чем соответствующие ей серьезные типы поведения, назначение которых - сохранять жизнь вида».  

Существуют вполне обоснованные опасения, что в человеческом обществе ослаблен естественный отбор (благодаря, в частности, заботе о менее приспособленных и выживании больных), помогавший эволюции наших предков. Каких бы успехов ни достигало человечество, это всегда сопровождалось пессимистическими высказываниями, что оно находится на пути вырождения и вообще представляет собой тупиковую ветвь эволюции.

Этнология.  Многие различия между людьми (национальные, расовые, половые) являются естественными, поэтому общественные объединения по этим признакам можно рассматривать с естественнонаучной точки зрения. Одной из таких наук является этнология с основным для нее понятием этноса. Этнос в отличие от используемого в гуманитарных науках понятия нации, представляет собой объединение людей, главным образом, по национальному (т. е. в большей степени естественному, чем культурному) признаку.

Известным этнологом  нашего  времени является русский ученый Л. Н. Гумилев. Этнология, по Гумилеву, естественная наука. Если З. Фрейд пытался объяснить действия индивидов психической энергией, то Гумилев объяснял социальное развитие с помощью энергии Солнца. Солнце посылает импульсы, они приводят к так называемому пассионарному толчку. При снижении солнечной активности, по Гумилеву, защитные свойства ионосферы снижаются, достигающие Земли электромагнитное излучение и потоки частиц становятся более жесткими, что, как известно, повышает уровень мутаций.

Механизм эволюции этносов, предложенный Гумилевым, близок синергетическому: воздействие извне (солнечное излучение), появление «пассионариев», точка бифуркации, становление и развитие этноса. По Гумилеву, пассионарный толчок приводит к появлению некоторого числа энергичных (пассионарных) личностей, а они, индуцируя пассионарность, формируют этнос, ведя всех людей за собой.

Этногенез включает следующие этапы: 1) подъем - динамичная (завоевательная) фаза; 2) «перегрев», -  акматическая (от франц. акмэ - «вершина») фаза;  3) переход в нормальное состояние - инерционная фаза; 4) обскурация - фаза затухающих колебаний. Основной лозунг фазы подъема – «интересы этноса важнее всего», главное для индивидуума – долг перед обществом. Часты войны; ведется интенсивное преобразование природы. В акматической фазе этнос достигает своей высшей точки силы, после которой начинается спуск вниз. В инерционной фазе главным становится лозунг «будь самим собой», процветает индивидуализм; льется кровь, но культура развивается, и в ней каждый проявляет свою индивидуальность; растранжириваются богатства и слава, накопленные предками; природа приходит в стабильное состояние в пассионарных странах, но разрушается в странах захваченных. Лозунг фазы обскурации - «будь, как все», «мы устали от великих». Возрастная болезнь - убийство лучших по личным качествам. Каждый думает о себе. Продолжается рост культуры и накопление материальных ценностей. Этнос достигает гомеостаза. Природа или консервируется или деградирует (в этом случае этнос гибнет). При исключительном упадке пассионарности природа восстанавливается. В конце развития этноса - футуристическое восприятие времени, забвение прошлого и настоящего ради будущего, приводящее к губительным восстаниям и крушению. Гибель через 1200 лет настигает этнос под слиянием собственного разложения или нашествия других более молодых и энергичных этносов. Последние стадии - мемориальная (остается только память как совокупность того, что было познано) и реликтовая (память исчезает). Концепции Гумилева объясняет сказания о героях в фольклоре всех народов как воспоминания о светлой поре возникновения и мощи этноса.

Социальная экология.  В  широком смысле слова к экологии относится все, что включено в систему отношений «человек - природа», и, стало быть, эта наука лежит на стыке естественных, технических и гуманитарных наук. Человек находится в самых разнообразных связях с окружающей средой - вещественных, энергетических, информационных. Так, например, огромное воздействие на человека, как показал русский ученый А. Л. Чижевский, оказывает Солнце. В частности, кривая распределения острых сердечных приступов во времени точно соответствует графику изменений солнечной активности. Свойства крови (число красных и белых кровяных телец) также зависят от солнечного облучения. Среди современных направлений, изучающих взаимодействие между человеком и природой, можно выделить глобальную экологию, экологию человека и социальную экологию.

Основная задача глобальной экологии – разработка прогнозов возможных изменений биосферы в целом под влиянием антропогенной деятельности. Экология человека изучает организм человека с точки зрения его адаптационных возможностей. Опасность для современного человека заключается, во-первых, в том, что он не обладает гомеостазом, соответствующим всем его нуждам. Так, он не приспособлен к радиации, поскольку защитный механизм боли не реагирует на радиоактивное облучение. Опасность и в том, что, несмотря на огромные адаптационные возможности человека в сравнении с другими видами жизни, они все-таки не поспевают ныне за изменениями окружающей среды.

Наконец, к третьему направлению исследований взаимоотношений человека и природы, относят социальную экологию. Социальная экология изучает эти взаимоотношения под углом зрения воздействия общества на среду. Она должна ответить на вопрос, почему развитие общества привело к экологическому кризису. Экология утверждает, что уменьшение биологического разнообразия опасно для устойчивости экосистем, а человек, думая о повышении продуктивности, нарушает основные закономерности развития экосистем (например, борется с «вредителями» сельского хозяйства, которые не менее важны с точки зрения разнообразия и устойчивости экосистем). Человек стремится взять как можно больше от природы, а природа стремится не к максимальной продуктивности, а к максимальной устойчивости – в этом суть основного противоречия в отношениях человека с Природой.

Имея свои специфические родовые качества, человек должен бороться с природой. Но в этой борьбе не может быть победителей, потому что человек является частью биосферы, и, уничтожая природу, человек губит себя, не замечая этого, как он не замечает радиоактивного облучения. Разнообразие экосистем уменьшается человеком и с целью облегчения управления ими, но при превышении определенной меры это грозит экологической катастрофой.

Есть предположения, что как в живой природе достигается гомеостаз численности популяции в среде, так должно быть и в человеческом обществе. Называют цифры от 1 млрд. до 12-20 и даже 700 млрд. Важно, конечно, не только то, сколько людей живет на Земле, но и то, каковы их качества. Для преодоления экологического кризиса необходим отказ от потребительской ориентации и изменение науки, техники, человеческих ценностей.

Наука и техника создают инструменты господства над природой, но они необходимы и для того, чтобы защитить ее. Изменения в научно-технической сфере должны касаться как целей, так и методологии, поскольку в социальной экологии, как и в квантовой механике, уже нельзя разделить субъект и объект (человек и природа представляют собой единую систему).

Эволюция культуры.  Помимо эволюции человека как биологического вида, можно говорить об эволюции культуры. Для обозначения различных периодов человеческого развития археологами  была предложена шкала, которая основывалась на материале орудий, созданных и применяемых человеком. Соответственно, на этой шкале выделены каменный,  медный, бронзовый и железный века. Каменный век – это  эпоха применения каменных орудий. В его пределах выделяют палеолит (древнекаменный век), мезолит (среднекаменный веке) и неолит (новокаменный век).   В свою очередь, в пределах палеолита выделяют нижний палеолит (преобладание галечных орудий), средний палеолит (преобладание орудий на отщепах - отколотых частях камня, являющихся заготовкой для более сложных орудий) и  верхний палеолит (от 38 тыс. лет, появление пещерного искусства у «Человека разумного»).

В мезолите преобладал охотничьесобирательный тип общественного устройства. Важное событие произошло в неолите 9-6 тыс. лет тому назад, получившее название неолитической революции - одомашнивание диких животных, переход к выращиванию растений и оседлому образу жизни (свайные постройки). Из охотничье-собирательного хозяйство превратилось в производящее скотоводческо-земледельческое. Виды домашних животных и культурных растений, выведенные с помощью искусственного отбора и гибридизации, гончарное производство, ткачество, металлургия и другие результаты неолитической революции широко используются и поныне.

Каждая из следующих стадий культуры (медный, бронзовый и железный века) также имеет свою датировку. Однако выяснилось, что это скорее стадии развития отдельных культур, и их время зависит от времени развития данной культуры. Последовательность смены «веков» не везде соблюдается и в целом данная схема ныне признается не вполне удовлетворительной, хотя ничего лучшего пока не предложено.

Развитие цивилизации, по А. Тойнби, идет через подражание. Способность к имитации, доставшаяся нам от обезьян, послужила основой социального развития человека. Английский биолог Р. Докинс ввел понятие «мим» - единица подражания. Примерами «мимов» являются мотивы, идеи, фразы, моды, способы создания вещей или частей здания.

Для нормального развития, по Тойнби, необходимы кризисы, которые требуют напряжения сил для адекватного ответа на вызов ситуации. Человек достигает цивилизованного состояния не вследствие биологических дарований (наследственности) или легких условий географического окружения, а в процессе удачного реагирования на вызов в ситуации особой трудности, воодушевляющей на беспрецедентное усилие. Прогресс общества определяется, таким образом, ответом на вызов объективных условий существования.

Ноосфера. Существуют два понимания ноосферы: 1) сфера господства разума (в этом смысле провозвестником ноосферы можно считать Фихте); 2) сфера разумного взаимодействия человека и природы (по Тейяру де Шардену и Вернадскому). Мы будем понимать ноосферу во втором смысле.

Ноосфера, по Тейяру де Шардену, - это коллективное сознание, которое станет контролировать направление будущей эволюции планеты и сольется с природой в точке Омега, как раньше образовывались такие целостности, как молекулы, клетки и организмы. В своей известной книге «Феномен человека» он писал: «Мы беспрерывно прослеживали последовательные стадии одного и того же великого процесса. Под геохимическими, геотектоническими, геобиологическими пульсациями всегда можно узнать один и тот же глубинный процесс – тот, который, материализовавшись в первых клетках, продолжается в созидании нервных систем. Геогенез, сказали мы, переходит в биогенез, который, в конечном счете, не что иное, как психогенез... Психогенез привел нас к человеку. Теперь психогенез стушевывается, он сменяется и поглощается более высокой функцией –  вначале зарождением, затем последующим развитием духа –  ноогенезом».

В «Кибернетике» Винер вспомнил о воззрении Лейбница на живой организм «как на некое сложное целое, где другие живые организмы (например, кровяные тельца) ведут собственную жизнь... Клетки обладают многими, если не всеми свойствами независимых живых организмов». Там же он писал: «По степени целостности жизнь сообщества может вполне приближаться к уровню, характерному для поведения отдельной особи». На базе таких холистических представлений и созданы гипотеза Геи-Земли и концепция коэволюции.

Вернадский развил концепцию ноосферы как растущего глобального осознания усиливающегося вторжения человека в естественные биогеохимические циклы, ведущего, в свою очередь, ко все более взвешенному и целенаправленному контролю человека над глобальной биогеохимией.

Концепция ноосферы напоминает натурфилософские системы или сциентистские утопии. Становление ноосферы – возможность, но не необходимость. Ценность этой концепции в том, что она дает конструктивную модель вероятного будущего, а ее ограниченность в том, что она рассматривает человека как прежде всего разумное существо, тогда как индивидуум и тем более общество в целом редко ведет себя по-настоящему разумно. «Подобно волчьей стае – будем надеяться, все же в меньшей степени – государство глупее, чем большинство его членов», - писал Винер. Пока человечество движется отнюдь не к ноосфере, и последняя остается одной из научных гипотез. «Самая суть понятия ноосферы – вера в призвание людей, которые должны изменить биосферу с помощью науки и техники», - отмечал П. Тейяр де Шарден. Но склонность к вере выходит за пределы разума.

Литература

Концепции современного естествознания: учебник для вузов /Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006.

Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003.

Горбачев В.В. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов. - М.: Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и образование», 2003.

Свиридов В.В. Концепции современного естествознания: учебное пособие. – СПб: Питер, 2003.

Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: учеб. пособие. – М.: Издательский центр «Академия», 2006.

Примерами смежных наук являются такие как химическая физика, астрофизика, биофизика, физическая химия, биохимия, геохимия, биогеохимия и многие другие.

Так, например, уже нескольких поколений физиков-теоретиков  бьются над созданием теории «Великого объединения», в рамках которой можно было бы установить универсальный характер всех фундаментальных сил природы.

В соответствии с верификационной концепцией научными являются лишь те результаты, которые могут быть проверены на соответствие опыту. Суть критики данной концепции сводится к тому, что в науке кроме верифицируемых результатов могут иметь место и такие, которые не сводятся только к экспериментам и непосредственно из них не следуют.

По мнению сторонников справедливости критерия фальсификации,  проверка полученного знания на принадлежность к науке должна заключаться не только в поиске подтверждающих фактов, но и в реализации попыток опровержения знания. Данный критерий также подвергается критике, т.к он неприменим к тем положениям, которые не могут быть сопоставлены с опытом. Кроме того, опровержение некоторой теории может являться не столько результатом ее фальсификации, сколько вытеснения другой (более полной) теорией.

систематизация получаемых фактических данных в виде диаграмм, таблиц, блок-схем, графиков и т.п.).

Перефразируя известное высказывание А. Эйнштейна, можно сказать, что экспериментальный ответ природы на задаваемый ей вопрос будет выражен на том же теоретическом языке, на котором был задан этот вопрос.

Многие известные ученые считали, что измерения имеют основополагающее значение для науки. Так, например, английский физик У. Томсон (лорд Кельвин)  считал, что «каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить», а создатель периодической системы химических элементов Д. И. Менделеев утверждал, что «наука начинается с той поры, когда начинают измерять».

Например, модель атома, предложенная Резерфордом, напоминает Солнечную систему, не случайно эта модель получила название планетарной.

По словам Р. Хаусхера, ученые, как и прежде, «были заняты поиском всеобъемлющих схем, универсальных объединяющих основ, в рамках которых можно было бы систематически, т. е. логическим путем или путем прослеживания причинных зависимостей, обосновать взаимосвязь всего сущего, грандиозных построений, в которых не должно оставаться места для спонтанного, непредсказуемого развития событий, где все происходящее, по крайней мере в принципе, должно быть объяснимо с помощью незыблемых общих законов».

Существует множество определений понятия «система», например:

 • система – объективное единство закономерно связанных между собой элементов, предметов, явлений, а также знаний;

 • система – это множество объектов вместе с отношениями между объектами и между их атрибутами (свойствами);

 • система – это множество взаимосвязанных элементов, совместно действующих ради достижения общей цели.

 • система – комплекс избирательно вовлеченных элементов, взаимосодействующих достижению заданного полезного результата, который принимается основным системообразующим фактором.

     Система – это совокупность элементов, обладающая благодаря взаимодействию между ними целостными (эмерджентными) свойствами, позволяющими реализовать определенную цель.

Все эти системы называют материальными потому, что их содержание и свойства не зависят от познающего субъекта. Стремясь же познать и осмыслить свойства окружающего нас мира, человек создает абстрактные системы (схемы, таблицы, гипотезы, теории, планы, программы и т.п.). В философском смысле эти системы являются идеальными, т.к. представляют собой отражение объективно существующих в природе и обществе материальных систем. Классическим примером абстрактной системы является известная всем периодическая система элементов Д.И.Менделеева.

Если таких переменных мало, а взаимоотношения между ними описываются известными законами и поддаются математической обработке, систему можно считать простой (пример – Солнечная система). Поведение же сложных систем, например, таких, с которыми имеют дело метеорологи, определяется столь большим числом переменных, что нахождение каких-либо закономерностей становится весьма сложной, а иногда и неразрешимой задачей. Так, можно легко рассчитать положение любой планеты Солнечной системы (или какого-либо другого известного небесного тела) через много тысяч лет, а вот точный прогноз погоды на завтра сделать удается далеко не всегда.

В свою очередь, каждая подсистема состоит из множества частей, в некоторых случаях внутри нее целесообразно выделять подсистемы 2-го (а иногда и 3-го) уровня. Наименьшие же «детали» системы называют элементами, хотя этот термин с полным правом применим и для обозначения любой части системы. Чтобы подчеркнуть терминологические сложности, возникающие при описании строения обобщенной системы, отметим, что любой элемент, каким бы малым он не был, является системой (вопрос лишь в том, имеет ли смысл в том или ином конкретном случае рассматривать этот элемент, как систему).

Случайный, хаотический характер поведения сложных систем с большим числом элементов системы связано с непредсказуемым взаимным влиянием, взаимодействием этих многочисленных элементов и с непредсказуемым проявлением этих взаимодействий.

Так, если по гладкой трубе с небольшой скоростью течет жидкость, то в ней случайно возникают малые завихрения, но эти завихрения сами собой гасятся, и в целом поток остается упорядоченным, ламинарным.

Так, если скорость движения жидкости по трубе превышает некоторую критическую величину, то малейшая неоднородность потока немедленно приведет к катастрофическому превращению ламинарного потока в неупорядоченный, турбулентный.

В поисках природного первоэлемента (своего рода «кирпичика» мироздания) древнегреческие философы вольно или невольно обращались к мифологии, в которой утверждалось существование четырех стихий (греч. stoicheion – первооснова): земли, воды, воздуха и огня (вдумчивый читатель увидит соответствие этих четырех стихий четырем известным агрегатным состояниям вещества).

1. Реферат- Обломовщина
2. формирования принципов телеметрии
3. В этих миллионах стpасть к этило вому спиpту и опиатам была сильнее нежели любовь к Богу дому или детям; и да
4. реферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук
5. Lnguge wr ueberll beknnt und wr die Grundlge fuer den meriknischen Strukturlismus
6. Самовоспоминание представляет собой результат всей жизни посвященной этому учению
7. Чукотский автономный окру
8. РЕФЕРАТ дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук Макіївка ~ Дисертацією
9. Позови в цивільному процесі
10. Досократовская философия
11. активным белков4 Роль клеток врожденной системы иммунитета в защите от внутрикле.html
12. Право Напрям підготовки спеціальність 6
13. Кейнсианский крест иллюстрирует- модель DS для целей краткосрочного макроэкономического анализа; равнове
14. в течение 1918 года Церковь в своем обиходе будет руководствоваться старым стилем
15.  Основные демографические характеристики населения России 1
16. РЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук ЛЬВІВ1
17.  Понятие и криминологическая характеристика общеуголовной корыстной преступности Существенные признаки
18. Reform towrd new KORE.html
19. ТЕМА ПОЛИТИЧЕСКАЯ ИДЕАЛОГИЯ И ЕЕ СОЦИАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ Понятие политической идеологии.
20. Тема 9 Статистика основных и оборотных фондов Понятие состав и виды оценки основных фондов Баланс

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе