Разумова Е.Р. КСЕ

11

Предметом исследования химии являются вещества, из которых состоят физические тела, их свойства и превращения друг в друга, называемые химическими реакциями. Несомненной заслугой химии в ХХ веке является получение веществ, не созданных природой: новых материалов (полимеры), лекарственных препаратов и т.д.

Науки о Земле изучают нашу планету, ее геосферные оболочки:

литосферу	–	твердую	оболочку Земли, гидросферу и атмосферу–
водную и	воздушную		оболочки	соответственно. География исследует
поверхность		Земного	шара, а	геология – его недра. Прикладная

геология занята поисками полезных ископаемых, необходимых для развития экономики.

Четвертый блок – биология и примыкающая к ней медицина– занимаются исследованием всех живых организмов Земли. Медицину часто называют наукой о человеческих болезнях. Это неверно.

Медицина – это наука о здоровье человекаи способах его сохранения.

К биологии также примыкаетэкология (она и родилась как раздел биологии, изучающий взаимоотношения живых организмов между собой и со средой обитания). Экологии посвящена одна из последних тем данного курса.

Научное и религиозное мировоззрение

Религия, так же, как и наука, является частью общечеловеческой культуры. Взаимоотношения науки и религии в разные исторические эпохи были различными. Иногда эти области культуры творились одними и теми же людьми: в древности самыми образованными были жрецы, в средние века– монахи. Порой наступали периоды острой конфронтации. Самый яркий пример такой конфронтации– действия римско-католической церкви и ее карательного органа– Святой инквизиции – против «еретиков», среди которых было немало ученых.

Главное различие научного и религиозного мировоззрения состоит в том, что любая научная истина всегда требует доказательства, тогда как любая религиозная доктрина основана исключительно на вере.

Таким образом, современная наука, достижения и успехи которой неоспоримы, имеет богатейшую предысторию и непростую внутреннюю структуру.

Контрольные вопросы: 1. Что такое наука?

12

2.Какое место в науке занимает естествознание?

3.На какие периоды можно разделить историю науки?

Тема 2. Методология, методы и ступени научных исследований

Метод в науке – это способ получения информации. Раздел науки о методах научных исследований называется методологией.

Центральным методом в науке являетсяанализ – разделение сложного объекта на более простые составные части и изучение этих частей. Анализ настолько глубоко проник во все разделы наук(как естественных, так и гуманитарных), что философы начали обвинять науку в чрезмерной аналитичности.

Антиподом анализа, а по существу дополняющим его методом является синтез– соединение составных частей сложного объекта в единое целое. Очень важно при этом, чтобы отдельные составные части целого не противоречили друг другу.

Индукция – построение общего заключения на основе частных осылок и дедукция – получение частного результата на основе общей закономерности – так же дополняют друг друга, как анализ и синтез.

Описаниеэто	фиксация	сведений об	изучаемом	объекте. Оно
может быть словесным или образным (зарисовки).
Измерение –	сравнение	изучаемых	объектов	с	другими,

признанными в качестве образцов (эталонов). Появление меры и числа выводит исследование на количественный уровень.

Моделирование – один из важнейших методов современной науки. Модель – это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе исследования замещает оригинал, когда последний, например, недоступен. Под моделированием понимают процесс построения, изучения и применения моделей. Построение модели требует некоторых знаний об оригинале. Модель должна отражать наиболее существенные его черты. Изучение одних сторон изучаемой системы осуществляется ценой отказа от отражения других.

Из этого следует, что для одной				и той же системы может быт
построено	несколько		«специализированных»		моделей,
концентрирующих		внимание	на	определенных, иногда	разных
сторонах исследуемой системы.
Следующим после построения модели является этап«модельного»
эксперимента,	когда	фиксируются		сведения о поведении модели.

Далее осуществляется перенос знаний с модели на оригинал. Наконец,

13
следует практическая проверка полученной с помощью	моде
информации. В последние годы появился новый раздел науки–
математическое моделирование экономических процессов.
Классификация – разделение всех изучаемых объектов	на

отдельные группы по сходным признакам и изучение этих .групп Больше всего в классификации нуждаются н математизированные науки (например, очень остро стояла проблема классификации в биологии, недаром столь заметную роль в ней сыграл великий классификатор К. Линней).

Абстрагирование – отвлечение от ряда не существенных для данного исследования свойств и отношений, выделение наиболее значимых характеристик объекта и обозначение их в виде символа.

Наиболее абстрактной из всех наук является математика.

Ступени научного исследования.

Любое научное исследование начинается с научного факта– предмета исследования. Затем следует наблюдение– фиксация в памяти научного факта, а за ним– эксперимент – сознательно поставленный опыт. Первым, как уже было сказано выше, использовал эксперимент для доказательства научной истины. Галилей. Эксперимент может быть прямым, т.е. реальным, и его результаты мы фиксируем органами чувств, которым могут помогать различные приборы. Другой вид эксперимента – модельный, о месте которого уже было сказано; чем точнее модель, тем достовернее результат. Наконец, эксперимент может быть мысленным; великим мастером этого вида эксперимента был А. Эйнштейн.

Следующей стадией является обработка и обобщение результатов экспериментов, и здесь огромную помощь оказывает специальный раздел математики – математическая статистика. В науке уже давно произошло своеобразное разделение труда на экспериментаторов и теоретиков. Первые прекрасно владеют современной аппаратурой и техникой эксперимента, вторые выдвигают гипотезы и строят теории.

Гипотеза – это научное предположение, подлежащее обязательной экспериментальной, практической или математической проверке.

	14
Примером	неподтвержденной гипотезы является геоцентрическая
модель мироздания Аристотеля - Птолемея.
Доказанная и проверенная гипотеза становитсятеорией. При
построении теорий особую значимость приобретает упомянутый выше
метод	абстрагирования. Любая	теория	должна	не	тол

исчерпывающе объяснять результаты эксперимента, но также и уметь предсказывать то, что еще не открыто наукой.

Конечной целью любого научного исследования является познание законов природы и развития общества. Здесь следует указать и на еще один существенный момент: в процессе научных исследований осуществляется самореализация личности ученого. Писатели, художники, музыканты остаются жить в своих произведениях, ученые

– в результатах своих исследований. В последние десятилетия наблюдается распространение естественнонаучных и математических методов в область гуманитарных наук.

Итак, наука имеет свои специфические подходы к разрешению проблем, называемые научными методами. Решение любой научной задачи осуществляется ступенчатым путем, и каждый исследователь в своей работе должен пройти определенные стадии, без которых невозможен путь к успеху.

Контрольные вопросы:

1.Что такое анализ, какова его роль в науке?

2.Каково место эксперимента в научных исследованиях?

3.В чем отличие гипотезы от теории?

Раздел II. Физическая картина мира.

Тема 3.

Макромир: классическая механика.

Механика – наука о движении физических тел. Первый закон механики открыл .ГГалилей, а сформулировал .ИНьютон. Это законинерции: без воздействия силы тело находится в состоянии покояили прямолинейного равномерного движения. Такое движение называется движением поинерции. Аристотель, кстати, считал, что тело может двигаться только под действием внешней силы.

Второй закон механики: под действием силы тела изменяют скорость и движутся с ускорением, при этом сила равна произведению

15

массы тела на его ускорение. Работая над вторым законом механики, Ньютон создал дифференциальное исчисление: так удобнее было в математической форме выразить понятие ускорения как второ производной от расстояния по времени.

Третий закон: всякому действию можно сопоставить равное по величине, но противоположно направленное противодействие, проще говоря – действие равно противодействию. Три с лишним века эти

законы	были	незыблемы, они	многократно	подтверждались
экспериментально. Но на рубежеXIX и ХХ веков выяснилось, что
законы	классической физики		работают не всегда,		имеют ряд

ограничений. Эти ограничения касались размеров и скорости объектов, а именно: их размеры должны быть существенно больше размеров

атома, а	скорости – существенно меньше скорости			света, т.е. объекты
должны	быть достаточно велики		и двигаться не очень быстро. Мир
этих	объектов	называетсяМАКРОМИРОМ,		и	границы	его
простираются от молекул до Солнечной системы.
Четвертый		закон Ньютона	называется		законом Всемирного

тяготения и формулируется так: два любых тела во Вселенной притягиваются друг к другу с ,силойпрямо пропорциональной

произведению	их	масс	и	обратно	пропорциональной			квадр
расстояния	между	ними. Эта		сила	притяжения		называется
гравитацией.	Следует	подчеркнуть,			что	эта	сила	всегда
положительна, т.е. гравитационного отталкивания не существует.
Незадолго до работ . ИНьютона немецкий астрономИоганн
Кеплер сформулировал законы движения планет вокруг								Солнца.
Ньютон вывел законы Кеплера из закона Всемирного тяготения.
Французский	астроном У.Ж.		Леверье заметил, что			орбита планеты

Уран (последней из известных тогда семи планет) отклоняется от той, которую вычислили по закону Кеплера, и предположил, что за Ураном должна существовать еще одна планета. Эта планета была открыта в 1846 г. французским астрономом И.Г. Галле том месте небосвода, на

которое	указал Леверье, и	названа Нептуном.		Таким	образом,
открытая	«на кончике пера»	восьмая	планета	Солнечной	системы
блестяще	подтвердила верность законов		Кеплера, а значит, и		закона

Всемирного тяготения.

И. Ньютон впервые создал единую механику всех земных и небесных тел. Как уже было сказано, его труды – это вторая революция

вестествознании. В одной из своих последних работ. НьютонИ

написал: «Я видел дальше других, потому что стоял на плечах

		16
гигантов», отдавая	тем	самым	дань	уважения
предшественникам,	имевшим	менее	счастливую	научную

человеческую судьбу.

Мы уже говорили, что на рубеже XIX и ХХ веков произошла третья революция в естествознании. В это время в экспериментальной физике был осуществлен ряд открытий, которые была не в состоянии объяснить классическая физика. Стало очевидно, что все мироздание не ограничивается макромиром, и объяснение вновь открытых экспериментов лежит за его пределами. Но о МИКРОМИРЕ и МЕГАМИРЕ будет сказано позже, а мы вернемся пока к макромиру.

Принцип детерминизма Лапласа.

На основании законов классической механики. НьютонаИ французский ученый Пьер Лаплас вместе с немецким философом И.

Кантом создали механистическую модель Вселенной, в основе которой лежит принцип детерминизма, т.е. определенности. Суть его состоит в следующем: если в какой-то точке известны координаты и скорость тела, то по законам классической механики можно с одинаковой точностью определить координаты и скорость этого тела в любой точке Вселенной. В таком мире нет места случайности, все четко предопределено, а Вселенную можно представить в виде гигантской единожды заведенной игрушки.

Понятие парадигмы. Парадигма И. Ньютона

Парадигма – это исходное основополагающее утверждение, принимаемое без доказательств, на основе которого строятся все дальнейшие рассуждения. В математике парадигмами являются аксиомы.

Парадигмой макромира являетсяпарадигма Ньютона, которая касается пространства и времени. Вся классическая физика макромира основана на утверждении, что пространство и время абсолютны и не зависят друг от друга.

Далее необходимо дать определение этих . пара

Пространство	– это порядок взаимодействия объектов во Вселенной.
Пространство	макромира трехмерно, т.е. любой объект имеет длину,
ширину и высоту. Его математическое описание дал		французский
математик Рене Декарт, предложивший систему		трех взаимно

17

перпендикулярных координат, в которой можно описать положение любого тела.

Время –	это порядок	смены	явлений	во Вселенной. Время
одномерно и направлено из прошлого в будущее. Измеряется время в
долях Земного цикла, единицей			измерения	текущего	времени
является	секунда. Время	историческое		измеряется	,векам

геологическое – миллионами лет.

Свойства пространства и времени и законы сохранения в классической механике.

Понятие о симметрии.

Пространство однородно, т.е.	его	свойства одинаковы во	всех
точках. Пространство изотропно,	т.е.	его свойства не зависят	от

направления. С однородностью пространства связан закон сохранения импульса (импульс – это произведение массы тела на его скорость), поскольку механические свойства замкнутой системы не изменяются

при	любом		параллельном			переносе	системы	как.	С целог
зотропностью			пространства		связан закон		сохранения	момента
импульса (момент импульса – это произведение импульса на радиус-
вектор,		т.е. расстояние до точки				или оси	вращения); этот закон
особенно важен для вращательного движения, т.к. механические
свойства		замкнутой		системы	не	изменяются при любом			поворот
системы как целого.
	Закон сохранения механической энергиисвязан с однородностью
времени		в	силу	,тогочто	механические		свойства	системы не

изменяются при любом переносе системы во времени.

Далее следует коснуться также понятиясимметрии. Это слово имеет греческое происхождение и означает пропорциональность, соразмерность, структуры, свойств и формы материального объекта

относительно	точки	или	оси	его	преобразований. Симметрия
относительно	переносов	в	пространстве(трансляция) связана с

однородностью пространства, поворотная симметрия – с изотропностью пространства, а симметрия во времени– это эквивалентность различных моментов времени (однородность времени).

Симметрия очень широко распространена в живой и неживой

природе (симметрия	кристаллов, различных живых организмов,
человеческого тела).	Огромную роль симметрия играет в химии:

18

большинство молекул (в особенности органических) симметрично, что определяет многие их свойства.

Таким образом, уже к концу XVIII века на основании классической механики Ньютона была построена логически заверше механическая картина мира.

Контрольные вопросы :

1.Что такое гравитация?

2.В чем сущность парадигмы Ньютона?

3.Каковы ограничения законов классической механики?

Тема 4. Макромир: электромагнетизм, поля и волны.

Электромагнетизм – это раздел физики, изучающий электрические и магнитные явления. С электричеством люди были знакомы с

незапамятных времен. Еще	древние	греки знали, что если	кусок
янтаря потереть шерстью,	то он	начинает притягивать	легкие

предметы. Слово «электрон» по-гречески означает янтарь. До XVIII в. наука электричеством не занималась. Первым ученым, начавшим изучать заряженные тела, был француз Шарль Кулон, открывший основной закон электростатики – науки о неподвижных электрических зарядах (именно его именем названа единица измерения заряда).

Поначалу электрические явления никак не связывали с магнетизмом
(последний был известен еще древним китайцам, которые изобрели
компас).
На рубеже XIII и XIX веков датчанин Христиан Эрстед и француз
Анри Ампер продемонстрировали			на опыте, что проводник с			током
порождает	эффект	отклонения магнитной стрелки. Ампер				стал
творцом	нового раздела физики– электродинамики, его				именем
названа	единица	измерения	силы . Эсттокафету		изучения
электромагнетизма		далее принял		великий		английски
экспериментатор		Майкл	,Фарадейоткрывший			закон
электромагнитной индукции – явления возникновения
электрического тока в проводнике, находящемся в магнитном поле.
Именем	Фарадея	названа	единица	измерения	электроемкос
(фарада).	Эрстед,	Ампер	и	Фарадей	были		вел

экспериментаторами.

19

Единую теорию электромагнетизма разработал выдающийся английский физик и математикДжеймс Максвелл. Он вывел четыре уравнения, описывающие электромагнитные явления, записав их в дифференциальной и интегральной форме, т.е. используя весь аппарат высшей математики. Другим важным открытием Максвелла было установление факта, что свет имеетэлектромагнитную природу.

Наконец, Максвелл ввел понятие поля как пространства вне масс и зарядов, передающего их взаимодействие. Стало ясно, что материя существует не только в виде вещества, состоящего из частиц, но и в виде поля (об идее близкодействия будет сказано ниже).

Передается поле с помощью волн. Волну можно определить как передачу энергии без передачи вещества. Волны бывают продольными (звук) и поперечными (электромагнитные). Наука о распространении

звука	называется акустикой.	Звук хорошо передается в воздухе,
жидкости и в твердом веществе(кристалле), но не распространяется в
вакууме. Скорость звука в воздухе составляет примерно 340 м/сек.
Вернемся к понятию поля. Максвелл ввел два вида поля–
гравитационное, описываемое		законом Всемирного тяготения,
электромагнитное, описываемое		уравнениями	Максвелла. Забегая
несколько вперед, следует заметить, что уже в ХХ веке появилось еще
два	вида полей(взаимодействий) – сильное		и слабое. Частицы,
участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами, к ним

относятся, в частности, протоны и нейтроны. Одно из проявлений сильного взаимодействия – ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в атомных ядрах.

Сильные взаимодействия имеют очень малый радиус действия, равный размеру атомного ядра, и на этих расстояниях превосходят все другие типы взаимодействий. В слабых взаимодействиях участвуют

элементарные	частицы – электроны, позитроны, мюоны			и	нейтрино.
Наиболее	распространенный		процесс, обусловленный		слабым
взаимодействием –		бета-распад	радиоактивных	атомных		ядер
(подробнее обо всех этих частицах см. в разделе МИКРОМИР).
По интенсивности эти поля располагаются так: самое интенсивное
– сильное поле, затем – электромагнитное (оно примерно в1000 раз
менее интенсивно),		затем слабое	,инаконец, гравитационное. Но
природа едина, и поэтому лучшие умы ХХ века– А.Эйнштейн, наши
выдающиеся	соотечественники		Л..ДЛандау, П.Л. Капица, А.Ф.
Иоффе, И.Е. Тамм – пытались создать единую теорию поля. Пока что
эти попытки не увенчались успехом, и на сегодняшний день(начало

		20
XXI века) единая теория поля еще не создана,				построена только
теория электрослабых взаимодействий.
Рассмотрим	несколько	подробнее		электромагнитное.	по
Предсказанные	Максвеллом		электромагнитные ,
распространяющиеся со скоростью света, имеют различную длину и
образуют электромагнитный спектр. Самые			коротковолновые – это

гамма- и рентгеновские лучи, затем с возрастанием длины волны следуют ультрафиолетовое, видимое инфракрасное и микроволновое

излучение и, наконец, радиоволны.
Впервые	экспериментальное				доказательство	существовани
электромагнитных		волн	было	осуществлено немецким физико
Генрихом		Герцем.	Первое		практическое	при

электромагнитных волн для связи было осуществлено русским ученым Александром Степановичем Поповым в 1896 г. Однако изобретателем радиосвязи в мировой науке считают итальянца Г. Маркони: с незапамятных времен на достижения русской науки закрывают глаза,

их просто игнорируют.
В	какой	среде	распространяются			электромагнитные			волны?
Дж.Максвелл выдвинул идею существованиянеподвижного эфира,
заполняющего		пространство		и	имеющего		ненулевую		плотност.
Система отсчета, связанная с неподвижным эфиром, отождествлялась с
абсолютным		пространством. Впоследствии А.					Майкельсон		своим
блестящим		опытом	опроверг		существование			эфира(об	опыте
Майкельсона		см. в Теме 7, посвященной				теории	относительности .А
Эйнштейна).
Электромагнитное поле может проявляться в разных формах: это
электрический		ток, различные		виды		излучения, о		которых	было
сказано выше (в их числе и тепловое излучение), а также химические
связи между атомами в молекулах. Наконец, нервные импульсы в
живых	организмах –		это также	специфические			электрические		токи;

человеческий мозг является источником слабого электромагнитного поля, называемого биополем. Примеры научного и псевдонаучного подходов к проблеме биополя.

Таким образом, к концу XIX века наука об электромагнетизме была закончена как экспериментально(труды А. Ампера, Х. Эрстеда, М. Фарадея), так и теоретически (работы Дж. Максвелла).