- •Министерство образования российской федерации
- •Оглавление
- •Предисловие
- •Введение
- •Методические рекомендации
- •Глава 1. Структура естествознания
- •1.1. Предмет естествознания
- •1.1.1. Анализ понятия «природа»
- •1.1.2. Естествознание донаучное, преднаучное и научное
- •1.1.3. Неисчерпаемость предмета естествознания
- •1.1.4. Специфика донаучного и преднаучного естествознания
- •1.1.5. Специфика научного естествознания
- •1.2. Генезис научного естествознания
- •1.2.1. Перспективы античной преднауки
- •1.2.2. Замещение реальных объектов идеальными
- •1.2.3. Операции преобразования и моделирование изменений
- •1.3. Структура естественнонаучного познания
- •1.3.1. Принципы научного познания
- •1.3.2. Общие методы познания
- •1.3.3. Основные формы естествознания6
- •1.3.4. Непостижимая эффективность математики8
- •Глава 2. Этапы развития естествознания
- •2.1. Ступени развития знания
- •2.1.1. «Естественная магия»
- •2.1.2. Магия и религия
- •2.1.3. Религия и естествознание
- •2.1.4. Специфика восточной преднауки
- •2.1.5. Письменность
- •2.2. Естественнонаучные аспекты античной натурфилософии
- •2.2.1. Евклидова геометрия - первая стандартная научная теория
- •2.2.2. Древнегреческий атомизм
- •2.2.3. Механика Архимеда16
- •2.2.4. Становление астрономии
- •2.3. Значение арабской системы знаний в истории естествознания21
- •2.3.1. Физические достижения арабского средневековья22
- •2.3.2. Астрономия арабо-мусульманского средневековья
- •2.4. Научные революции
- •2.4.1. Первая научная революция (xviIвек). Г. Галилей
- •2.4.2. Вторая научная революция (кон. XviiIв.- нач.XiXвека). И. Ньютон
- •2.4.3. Третья научная революция (кон. XiXв.- сер.XXвека)
- •2.4.4. Четвёртая научная революция (кон. XXвека)
- •2.5. Организация современного естествознания
- •2.5.1. Иерархия естественнонаучных законов
- •2.5.2. Этические принципы науки27
- •2.5.3. Роль междисциплинарных исследований в естествознании
- •Глава 3. Фундаментальные Концепции естествознания
- •3.1. Термодинамика
- •3.1.1. Роль тепловых явлений в природе
- •3.1.2. Вещественная теория теплоты.
- •3.1.3. Корпускулярная теория теплоты
- •3.1.4. Законы термодинамики
- •3.2. Молекулярно-кинетическая теория (статистическая механика)
- •3.2.1. Основные положения молекулярно-кинетических представлений
- •3.2.2. Дискретность вещества
- •Химия. Периодическая таблица химических элементов д. И. Менделеева32
- •3.2.4. Закон сохранения энергии
- •3.3. Электромагнитная теория
- •3.3.1. История открытия электричества
- •3.3.2. М. Фарадей: исследования электромагнетизма
- •Заряд и поле. Закон сохранения электрического заряда
- •Проводники, полупроводники и диэлектрики. Электрический ток
- •Электромагнитное взаимодействие. Электромагнитная теория поля
- •3.4. Квантовая теория
- •3.4.1. Хронология становления квантовой теории
- •3.4.2. Гипотеза м. Планка. Кванты
- •3.4.3. Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света
- •3.4.4. Квантовая теория атома н. Бора
- •3.4.5. Вероятностный характер процессов в микромире
- •3.4.6. Гипотеза Луи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма
- •3.4.7. Принцип неопределённости в. Гейзенберга
- •3.4.8. Волновая механика и уравнение э. Шредингера
- •3.4.9. Принцип дополнительности н. Бора
- •3.5. Симметрия
- •3.5.1. Симметрия и законы сохранения
- •3.5.2. Принципы, организующие сходство
- •3.5.3. Роль симметрии в организации мира
- •Глава 4. Концепции движения, пространства и времени
- •4.1. Генезис представлений о пространстве и времени
- •4.1.1.Биологические предпосылки времени и виды пространства.
- •4.1.2. Пространство и время мифа и натурфилософии
- •4.1.3. Теоцентрическая модель пространства и времени
- •4.2. Классические концепции пространства и времени
- •4.2.1. Проблема континуальности и дискретности пространства и времени
- •4.2.2. Классические интерпретации пространства и времени
- •4.2.3. Проблемы реального пространства
- •4.3. Предпосылки неклассических интерпретаций пространства и времени
- •4.3.1. Принцип относительности и инерциальные системы (г. Галилей)
- •Эфир как абсолютная система отсчёта. Опыт Майкельсона - Морли
- •4.3.3. Принцип относительности и электродинамика Максвелла
- •4.4. Специальная теория относительности (сто)
- •4.4.1. А. Эйнштейн. Единство пространства и времени. Связь массы и энергии38
- •4.4.3. Пространство и время в инерциальных системах
- •4.4.4. Неоднозначность геометрии физического пространства. Неевклидовы геометрии
- •4.5. Общая теория относительности (ото)
- •4.5.1. Инерция и гравитация
- •4.5.2. Теория гравитации
- •4.5.3. Гравитационные массы и искривление пространства - времени
- •Глава 5. Хаос. Самоорганизация. Сложность
- •5.1. Хаос и порядок
- •5.1.1. Энтропия41
- •5.1.2. Принципы системности и целостности
- •5.1.3. Нелинейные системы. Рождение порядка
- •5.2. Самоорганизация
- •5.2.1. Синергетика
- •5.2.2 Механизм самоорганизации
- •5.2.3. Самоорганизация в диссипативных структурах
- •5.3. Необходимость и случайность
- •5.3.1. Проявление необходимости и случайности
- •5.3.2. Необходимость хаоса
- •5.3.3. Смысл информации
- •5.4. Сложность44
- •5.4.1. Понимание сложности. Неравновесное состояние систем
- •5.4.2. Сложное поведение и фазовое пространство45
- •5.4.3. Сложность поведения живых и социальных систем
- •5.4.4. Сложность адаптивных стратегий в живом мире
- •5.5. Управление
- •5.5.1. Кибернетика и теория управления
- •5.5.2. Информационная структура управления
- •5.5.3. Эффект обратной связи
- •Глава 6. Жизнь
- •6.1. Проблема возникновения жизни
- •6.1.1. Специфика жизни как особого уровня организации материи
- •6.1.2. Гипотеза творения (креационизм)
- •6.1.3. Гипотеза спонтанного зарождения жизни
- •6.1.4. Гипотеза стационарного состояния
- •6.1.5. Гипотеза панспермии
- •6.1.6. Теория биохимической эволюции
- •6.2. Структура живого вещества
- •6.2.1. Признаки живого вещества
- •6.2.2. Виды регуляции организма
- •6.2.3. Постоянство внутренней среды (гомеостаз)
- •6.3. Теории эволюции
- •6.3.1. Зарождение эволюционного учения (ж. Ламарк, ж. Кювье, ч. Лайель)
- •6.3.2. Эволюционная теория естественного отбора (ч. Дарвин, а. Уоллес)52
- •6.3.3. Номогенез как альтернатива дарвинизму и как его дополнение
- •6.3.4. Вид и видообразование
- •6.3.5. Проблемы видообразования
- •6.4. Теория наследственности
- •6.4.1. Закон доминирования г. Менделя
- •6.4.2. Хромосомная теория наследственности
- •6.4.3. Структура гена. Расшифровка генетического кода
- •6.4.4. Днк, её роль в реализации наследственной информации
- •6.4.5. Клеточная теория (т. Шван, м Шлейден)
- •1.4.6. Биогенетический закон
- •6.5. Философское и естественнонаучное постижение смерти
- •6.5.1. Биологический и социальный смысл смерти
- •6.5.2. Что такое бессмертие?
- •6.5.3. Социальные следствия развития генной инженерии
- •6.5.4. Социальные и этические проблемы клонирования
- •Глава 7. Биосфера
- •7.1. Генезис биосферы
- •7.1.1. Геологические условия возникновения биосферы
- •7.1.2. Эволюция биосферы. Живое вещество
- •7.1.3. Роль абиотических и биотических круговоротов
- •Климатические первичные периодические
- •7.2. Биогеохимические процессы в биосфере
- •7.2.1. Состав вещества биосферы
- •7.2.2. Особенности основных биосферных циклов
- •Биосферный цикл углерода
- •Биосферный цикл азота
- •Биосферный цикл фосфора
- •7.2.3. Биохимические функции живого вещества
- •7.2.4. Биогенная миграция атомов и биогеохимические принципы
- •7.3. Экологическая структура биосферы
- •Биосфера - многокомпонентная иерархическая система
- •Прокариоты и эукариоты. Бактерии. Вирусы и сине-зелёные водоросли
- •7.3.3. Растения. Грибы. Животные
- •7.4. Глобальное биологическое разнообразие и подходы к его изучению
- •7.4.1. Современные представления о видовом разнообразии биосферы74
- •7.4.2. Современные подходы к исследованию биоразнообразия75
- •Популяционный подход
- •Экосистемный подход
- •7.5. Ноосферогенез
- •7.5.1. В. И. Вернадский о переходе биосферы в ноосферу
- •7.5.2. Естественноисторические аспекты трансформации биосферы в ноосферу
- •7.5.3. Антропоцентризм и биосферное мышление
- •Глава 8. Человек
- •8.1. Человек как вид
- •8.1.1. Человек: особый вид животных
- •8.1.2. Культурный и биологический аспекты эволюции человека
- •8.1.3. Нарушение основного биологического закона
- •8.2. Сознание и поведение
- •8.2.1. Функции головного мозга. Успехи нейрофизиологии
- •8.2.2. Поведение
- •8.2.3. Бихевиоризм
- •8.2.4. Гештальтпсихология
- •8.2.5. Этология и социобиология
- •8.3. Современное мировоззрение и планетарные проблемы
- •8.3.1. Проблема формирования современного мировоззрения
- •8.3.2. Глобальные последствия развития цивилизации
- •8.3.3. Деятельность «Римского клуба» и института л. Брауна «Worldwatch»
- •8.3.4. Новые ценности85
- •8.4. Концепция устойчивого развития
- •8.4.1. Экологическая и экономическая компоненты деятельности
- •8.4.2. Общие положения концепции устойчивого развития
- •8.4.3. Условия устойчивого развития и ключевые понятия концепции
- •8.5. Искусственный интеллект (ии)
- •8.5.1. Основные направления развития ии
- •8.5.2. Знания и их представление
- •8.5.3. Проблема понимания естественного языка
- •Глава 9. Иерархия мироздания
- •9.1. Макромир
- •9.1.1. Основные этапы развития представлений о Вселенной
- •9.1.2. Релятивистская космология (а. Эйнштейн, а. А. Фридман)
- •9.1.3. Концепция расширяющейся Вселенной
- •9.1.4. Концепция «Большого Взрыва»
- •9.1.5. Антропный принцип90
- •9.2. Мезомир
- •9.2.1. Эволюция планеты Земля
- •9.2.2. Экологическая структура мезомира
- •9.2.3. Информационные свойства мезомира
- •9.3. Микромир
- •9.3.1. Учение об элементарных частицах
- •9.3.2. Элементарная структура вещества. Атом
- •9.3.3. Устойчивость и неустойчивость частиц. Термоядерные процессы. Ядро атома
- •9.3.4. Фундаментальные взаимодействия и законы природы92
- •9.3.5. Фундамент материи: физический вакуум и его состояния93
- •9.4. Виртуальные реальности
- •9.4.1.Значение термина «виртуальная реальность»
- •9.4.2. Компьютерная виртуальная реальность
- •9.4.3. Способы существования виртуальной реальности
- •9.4.4. О философии виртуальной реальности и киберпространства
- •9.5. Поиск внеземных цивилизаций
- •9.5.1. О возможности существования жизни и разума во Вселенной
- •9.5.2. О возможности информационного контакта с внеземными цивилизациями
- •9.5.3. О возможных формах технологической активности разума во Вселенной
- •Летопись естественнонаучных открытий Период становления физики как науки
- •Первый этап развития естествознания (кон. XviIв. – 60 годыXiXв.)
- •Второй этап развития естествознания (60-е годы XIX в. - 1894 г.)
- •Период современной физики
- •Важнейшие открытия в биологии и медицине в хх веке
- •Хронология клонирования
- •Летопись открытий в химии
- •Зарождение научной химии
- •Утверждение в химии атомно-молекулярного учения
- •Великие открытия в химии в хх веке
- •Астрономия в хх веке
- •Литература по главам Глава 1. Структура естествознания
- •Глава 2. Этапы развития естествознания
- •Глава 3. Фундаментальные концепции естествознания
- •Глава 4. Концепции движения, пространства и времени
- •Глава 5. Хаос. Самоорганизация. Сложность
- •Глава 6. Жизнь
- •Глава 7. Биосфера
- •Глава 8. Человек
- •Глава 9. Иерархия мироздания
- •Литература дополнительная
- •Словарь терминов
- •Примечания
- •137 138
9.3. Микромир
Учение об элементарных частицах. Стандартная модель мироздания. От элементарных частиц к фундаментальным законам природы. Элементарная структура вещества. Молекулы – атомы – электроны – ядра.Устойчивость и неустойчивость частиц. Термоядерные процессы. Взаимопревращения микрообъектов. Лептоны – адроны – кварки.Фундаментальные взаимодействия и законы природы.Фундамент материи. Физический вакуум и его состояния. Виртуальные частицы.
Одним из наиболее специфических свойств микрообъекта является наличие в его поведении элементов случайности, вследствие чего квантовая механика предстаёт как принципиально статистическая теория, оперирующая вероятностями. В чем же причина того, что в поведении микрообъекта так велика роль случайности? Очевидно, это объясняется спецификой квантовой механики, в которой ни один объект не может, строго говоря, считаться полностью изолированным, полностью независимым от окружения. Какова природа случайных воздействий на микрообъект? Например, в квантовой теории поля она проявляется в явном виде - как взаимодействие микрообъекта с вакуумом (вакуум не пустота, - он «заполнен» виртуальными зарядами). Можно сказать, что микрообъект взаимодействует с окружающим его миром через виртуальные микрообъекты.
Поэтому представляется совершенно естественной интерпретация корпускулярно-волнового дуализма как потенциальной способности микрообъекта проявлять те или иные свойства в зависимости от внешних условий. Это подразумевает органическую связь микрообъекта с окружающим его миром - ведь сама сущность микрообъекта реализуется в том или ином виде в зависимости от конкретных условий, конкретной обстановки.
Квантовая механика восстанавливает диктуемую жизненным опытом идею единства мира и всеобщей связи явлений, которая была в значительной мере утрачена в классическом естествознании. Стираются существовавшие ранее резкие различия между волнами и корпускулами, между частицами и полями, между объектами наблюдения и средой; на первый план выдвигаются взаимопревращения материи.
9.3.1. Учение об элементарных частицах
После той непонятной и запутанной ситуации, которая была характерна для физики 1950 - 1960 годов, когда открываемые «элементарные частицы» исчислялись буквально сотнями, и их число продолжало непрерывно расти, сегодня положение заметно изменилось: мы имеем достаточно простую теорию фундаментальной природы материи и энергии, а также их трансформаций. Возникла так называемая стандартная модель мироздания, согласно которой физический универсум строится на основе двух групп фундаментальных составляющих: кварков* (из которых состоят нуклоны* и атомные ядра) и лептонов* (из которых наиболее известным является электрон). На основе этих двух групп частиц далее строятся атомы и молекулы - основа всей химии и биологии.
Согласно стандартной модели, кварки и лептоны связаны и взаимодействуют между собой посредством другой группы частиц, именуемых калибровочными бозонами*, такими как фотон, W- и Z-бозоны и глюоны. Известные в природе различные взаимодействия сведены к трём фундаментальным видам: электрослабому*, цветовому* и гравитационному, причём первые два сходным и весьма элегантным способом описываются в рамках концепции калибровочного поля*. Кроме того, есть надежда, что в обозримом будущем удастся создать теорию великого единения всех сил природы.
Всё же, несмотря на успех стандартной модели, многие из тех вопросов, которыми задаются сегодня физики в поисках полной «теории всего сущего», остаются неразрешёнными. В число этих вопросов входят:
Каково происхождение массы и чем определяются массы различных элементарных частиц? Будут ли экспериментально обнаружены хиггсовы бозоны* - гипотетические частицы, специально постулированные в рамках стандартной теории для объяснения явления спонтанного нарушения симметрии?
Будет ли открыто ещё одно поколение кварков и лептонов, а вместе с ним ещё один, более фундаментальный уровень элементарных частиц?
Существуют ли в природе другие, ещё не открытые нами силы?
Подтвердятся ли такие теоретические идеи, как, например, идея суперсимметрии* и техницвета*? Удастся ли физикам обнаружить постулируемые ими суперсимметричные частицы? Будем ли мы иметь полную теорию «всего сущего»? Оправдает ли теория суперструн* связываемые с ней надежды91?
Исторически термин «элементарные частицы» был введен для тех частиц, которые считались неделимыми и бесструктурными, и из которых построена вся материя. В современной физике этот термин употребляется менее строго - для обозначения большой группы «мельчайших частичек материи», не являющихся атомами и атомными ядрами (единственным исключением является протон.)
В группу элементарных частиц помимо протона входят нейтрон, электрон, фотон, а также пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны, нейтрино трех типов (электронное, мюонное и t- нейтрино), странные частицы (K - мезоны, гипероны), огромное количество разнообразных резонансов, мезоны со скрытым очарованием (J/Y, Yв) и другие «очарованные» частицы, ипсилон-частицы (U), «красивые» частицы, промежуточные векторные бозоны (W±, Z0) - число таких частиц продолжает расти - (открыто около 1000) и, скорее всего, неограниченно велико. Большинство перечисленных частиц, строго говоря, не удовлетворяют критерию элементарности, так как являются составными объектами. В соответствии со сложившейся практикой термин «элементарные частицы» употребляется для обозначения всех субъядерных частиц.
При обсуждении частиц, претендующих на роль первичных элементов материи, используют термин «истинно элементарные» или «фундаментальные частицы». При этом, наряду с уже известными частицами, такими как электрон, фотон и нейтрино, теоретики вынуждены вводить новые частицы, которые еще только предстоит обнаружить. Часть же требуемых частиц (например, кварки) оказалось необходимым наделить такими свойствами, что они никогда не будут обнаружены в свободном состоянии (вне составных элементарных частиц).
Изучение элементарных частиц и их взаимодействий представляет прямой (возможно единственный) путь к пониманию фундаментальных законов природы. Информация об элементарных частицах получается либо в результате экспериментов с космическими лучами, либо с помощью построенных ускорителей.
В зависимости от типа ускоряемых частиц различают протонные и электронные ускорители. Кроме того, ускорители бывают кольцевые и линейные. В линейных ускорителях частицы разгоняют вдоль прямой линии. В кольцевых ускорителях, «циклотронах», частицы ускоряются, летая по кругу. Использование ускорителей позволяет изучать свойства элементарных частиц и излучений в самых разных условиях. Подвергая определенные мишени бомбардировкам этими частицами, можно получить атомы других элементов, в том числе - и доселе неизвестных. Именно таким способом получают в научном центре в Дубне новые элементы Периодической системы Д. И. Менделеева.
В кольцевых ускорителях, вдоль всего кольца, в котором движутся разгоняемые заряженные частицы и из которых откачан воздух, стоят электромагниты. Чем сильнее магнитное поле, тем более энергичные частицы могут быть удержаны внутри кольца (камеры). Разгоняются частицы при помощи электрического поля в ускоряющих промежутках, которые расположены вдоль кольца. В кольцевом ускорителе, где частица может многократно пролететь вдоль кольца, пока не наберет нужную энергию, электрическое поле может быть не очень сильным. В линейном ускорителе, напротив, ускоряющие электрические потенциалы должны быть предельно высокими, потому что частица должна набрать всю свою энергию за один пролет. (Линейные ускорители используются также и для получения высокоэнергичных пучков ионов и ядер.) Один из самых больших действующих линейных ускорителей (SLAC) расположен в Стэнфорде (вблизи Сан-Франциско, США).