Макаров - КСЕ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙИНСТИТУТ(ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГОГОСУДАРСТВЕННОГОТЕХНИЧЕСКОГОУНИВЕРСИТЕТА

Концепции современного естествознания

Часть I

Учебное пособие

РПК «Политехник» Волгоград

2006

УДК 502 (075) К 65

Рецензент: к. ф.-м. н., доц. Ю. А. Гнедов; к. с.-х. н. А. К. Зеленяк.

Макаров В. М. КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. ЧАСТЬ I;

Учеб. пособие / ВолгГТУ, Волгоград, 2006. – 68 с.

ISBN 5-230-04722-4

В первой части пособия рассматриваются в доступной форме разделы «История развития естествознания» и «Современная физическая картина мира». В конце каждого параграфа приводится перечень контрольных вопросов по пройденному материалу. Вопросы сформулированы в той же редакции, что и в карточках проверки знаний по итогам контрольных недель, и в карточках программированного тестового контроля по результатам семестра. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по очной и очно-заочной формам обучения, по специальностям 061100 «Менеджмент организаций» и 060500 «Бухгалтерский учёт и аудит».

Ил. 2. Библиогр.: 7 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

Валентин Максимилианович Макаров

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. ЧАСТЬ I

Учебное пособие

Под редакцией автора Темплан 2006 г., поз. № 29.

Лицензия ИД № 04790 от 18 мая 2001 г. Подписано в печать 23. 05. 2006 г. Формат 60×84 1/16. Бумага листовая. Гарнитура ”Times“.

Усл. печ. л. 4,25. Усл. авт. л. 4,13.

Тираж 100 экз. Заказ

Волгоградский государственный технический университет 400131 Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28.

РПК «Политехник» Волгоградского государственного технического университета 400131 Волгоград, ул. Советская, 35.

ISBN 5-230-04722-4	©	Волгоградский
		государственный
		технический
		университет, 2006
	2

	ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение		4
Глава I. История развития естествознания.		8
1.	Содержание понятия естествознание.	8
2.	Возникновение античной науки. Космоцентризм.	9
3.	Первый (ионийский) этап развития натурфилософии.
	Учение о первоначалах мира.	10
4.	Второй (афинский) этап развития натурфилософии.
	Возникновение атомистики. Учение Аристотеля.	11
5.	Третий (эллинистский) этап в древнегреческой натур
	философии. Развитие математики и механики.	14
6. Древнеримский период античной натурфилософии.		16
7.	Естествознание эпохи Средневековья.	17
8.	Научные революции в истории общества. Сущность и
	механизм естественнонаучной революции.	18
9.	Первая естественнонаучная революция.	19
10.	Вторая естественнонаучная революция. Гелиоцентрическая
	система мира. Учение о множественности миров.	20
11. Создание классической механики и экспериментального
	естествознания. Механистическая картина мира.	21
12.	Открытия, создавшие фундамент третьей естественнонауч-
	ной революции.	27
13.	Теория Максвелла.	27
Глава II. Современная физическая картина мира.		29
14.	Возникновениеиразвитиеквантовойфизики. Гипотезаквантов	29
15.	Теория атома Н. Бора. Принцип соответствия.	30
16.	Создание квантовой механики.	33
17.	Проблемы интерпретации квантовой механики. Принцип
	дополнительности.	35
18.	Концепция атомизма и элементарные частицы.	37
19.	Фундаментальные физические взаимодействия. Частицы
	– переносчики взаимодействия.	45
20.	Гравитация.	46
21.	Электромагнетизм.	47
22.	Слабое взаимодействие.	48
23.	Сильное взаимодействие.	49
24.	Развитие представлений о пространстве и времени.	51
25.	Создание А. Эйнштейном специальной теории
	относительности (СТО).	55
26.	Создание и развитие общей теории относительности (ОТО).	62
27.	Экспериментальная проверка ОТО.	66
Литература		69
	3

ВВЕДЕНИЕ

Наука подразделяется на три крупных блока – о природе, технические и гуманитарные науки. Каждый из этих блоков, в свою очередь, подразделяется на большое число общих разделов и частных дисциплин. В соответствии с названием изучаемого курса мы будем касаться преимущественно первого блока – наук о природе, или естествознания.

Если излагать подробно весь научный материал, накопленный на протяжении длительного времени во всех отраслях естествознания, то получится огромный фолиант, может быть и нужный, но мало полезный даже для узких специалистов естественнонаучного профиля, не говоря уже о специалистах гуманитарных направлений. Задача изложения материала естествознания усложняется ещё и тем, что его форма должна быть доступной будущим специалистам, для которых естествознание не является профессиональной дисциплиной. Поэтому автор ограничивается изложением основополагающих идей – концепций современного естествознания. Слово «концепция», в переводе с латинского, означает: понимание, систему. Это определённый способ понимания или истолкования предметов, процессов, явлений, кратко выраженный основной смысл той или иной теории, её суть.

Опыт преподавания курса для студентов гуманитарных направлений показывает, что знание концепций современного естествознания помогает будущим специалистам расширить кругозор и познакомиться с конкретными естественно - научными проблемами, тесно связанными с экономическими, социальными и другими проблемами, от решения которых зависит уровень жизни каждого из нас. Это очень важно именно в наше время, когда накатывается новая очередная историческая волна мифологизации культуры, всё чаще ставятся под сомнение достижения, ценности и возможности научного познания мира, когда происходит всплеск интереса к мистицизму, оккультизму, магии, спиритизму. В этих условиях приобретает особую значимость утверждение идеалов научно – рационального отношения к действительности, на которых построена вся наша цивилизация.

На первый взгляд может показаться, что естествознание - ненужный груз для специалистов гуманитарного профиля. Зачем утруждать проблемами естественно - научных основ, например, энергетики или экологии будущих экономистов? Однако истинный экономист должен владеть не только законами экономики, но и естественно - научной сущностью объекта, для которого проводится экономический анализ. Без знаний естественно - научной сущности анализируемого объекта и без понимания естественно - научных основ современных технологий экономист, даже владеющий экономической теорией, не может дать серьёзных рекомендаций по оптимальному решению даже самого простого вопроса, связанного с оцен-

4

кой, например, экономической эффективности применения различных предлагаемых технологий изготовления, какого - либо товара народного потребления. Ведь каждая технология характеризуется своей спецификой, влияющей на качество товара, своим энергопотреблением, своей материально - технической базой, воздействием на окружающую среду и т.п., а это означает, что поставленный вопрос сопряжён с решением комплекса задач, включающего и экономические, и естественно - научные аспекты. Специалисту, владеющему вопросами современного естествознания вместе с теоретическими знаниями экономики, не составит труда решить не только простую задачу - составить экономически обоснованный бизнес - план, но и любую сколь угодно сложную экономическую задачу.

Первую оценку того или иного предложения настоящий руководитель любого ранга обычно производит самостоятельно, прежде чем вынести окончательное решение, либо привлечь к решению специалистов. Вероятность того, что оценка будет объективной, а решение - единственным и правильным, тем выше, чем шире профессиональный кругозор руководителя. Это особенно важно при принятии особо ответственных решений, связанных, например, со строительством крупных объектов - мощных электростанций, протяжённых магистралей и т.п. – которые затрагивают интересы колоссального числа людей, часто и всего государства, иногда и многих государств. Не владея естественно - научными основами современных технологий получения электроэнергии, вряд ли можно принять решение о строительстве такой электростанции, которая наносила бы минимальный экологический ущерб и производила бы дешёвую энергию.

Если руководители и работающие с ними специалисты вынесут решение без учёта естественно – научных основ энергетики и экологии, то оно может оказаться некомпетентным. Например, решение о строительстве гидроэлектростанций на равнинных реках, которые, не только нарушают экологический баланс окружающей среды, но и производят не самую дешевую энергию. Причём на восстановление разрушенной среды потребуется гораздо больше энергии, чем её производят сами такие электростанции. Подобные некомпетентные решения могут послужить основой для строительства сверхмощной атомной электростанции в том регионе, где нет крупных потребителей энергии, и где природные условия позволяют строить электростанции совершенно другого типа, например, гелиоэлектростанцию. Мощности последней вполне достаточно для местного потребления, при этом не возникает проблемы передачи электроэнергии на большие расстояния другим потребителям, что влечёт за собой неизбежные потери полезной энергии. Кроме того, гелиоэлектростанция практически не наносит экологического вреда окружающей среде.

С проблемами энергетики, экологии понятно – ими должен владеть и инженер, и руководитель, и экономист. А нужны ли знания, например, о

5

генной инженерии? Оказывается нужны. Без таких знаний невозможно ни вывести высокопродуктивные породы животных, ни внедрить современные передовые технологии в сельском хозяйстве.

Извышеизложенного вытекаютосновные цели изадачи нашего курса:

-понимание специфики гуманитарного и естественно – научного типов познавательной деятельности, необходимости их глубокого внутреннего согласования, интеграции на основе целостного взгляда на окружающий мир;

-осознание исторического характера развития научного познания, исторической необходимости в периодической смене научных картин мира, научных революций;

-формирование ясного представления о современной физической картине мира, как о системе фундаментальных знаний об основаниях целостности и многообразия природы, которые определяют облик современного естествознания;

-формирование представлений о современной астрономической картине мира

-получение представлений об эволюции химических знаний и современных концепциях ее развития;

-получение представлений о современной биологической картине мира, о преемственности природных систем, их развитии от неживых к живым;

-осознание содержания современных глобальных проблем в их связи с основными законами естествознания;

-формирование представлений о принципах универсального эволюционизма и синэнергетики;

-получение представлений о концепциях социальной эволюции, физиологических основах, психологии социального поведения и здоровья человека;

-ознакомление с методологией естественнонаучного познания, принципами теоретического моделирования объекта в естествознании;

-формирование представлений о радикальном качественном отличии науки от разного рода антинаучного мифотворчества, оккультизма, мистицизма и др.

Исходя из перечисленных целей и задач, перед автором стояла довольно сложная проблема, как вместить весь материал в отведенные пять печатных листов. Наиболее простым оказался вариант деления курса на составляющие, ит.е. написание ипоследующее издание пособияпочастям.

В первую часть пособия включены разделы, «История развития естествознания» и «Физические концепции естествознания».

Поскольку автор является приверженцем фронтального тестового опроса студентов, как по результатам контрольных недель, так и итого-

6

вому контролю, в конце каждого параграфа приводится перечень контрольных вопросов по пройденному материалу. Вопросы сформулированы также как они будут поставлены и в карточках опроса очередного практического занятия и в карточках проверки знаний по итогам контрольных недель и в карточках итогового контроля по результатам семестра. Опыт проведения такого опроса позволяет добиться высоких результатов успеваемости студентов по дисциплине.

7

ГЛАВА I. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.

1. Содержание понятия естествознание.

Естествознание – это совокупность наук о природе, рассматриваемых как единое целое.

Точное естествознание – это вполне оформленное (в математических формулах) точное знание обо всем, что действительно существует или может существовать во Вселенной.

Первой формой существования естествознания была натурфилософия (лат. natura-природа), т.е. философия природы.

Считалось, что философии отведена роль «науки наук», «царицы наук», ибо она была вместилищем всех человеческих знаний об окружающем мире, а естественные науки являются лишь её составными частями.

Натурфилософское понимание природы содержало много вымышленного, фантастического. Чем же объясняется появление и довольно длительное существование натурфилософии?

1.Естественнонаучного знания практически не существовало и попытки целостного охвата, объяснения окружающей действительности были единственным способом познания мира.

2.До ХIХ столетия естествознание было слабо дифференцировано, еще в ХVIII в. в качестве самостоятельных наук существовали лишь механика, математика, астрономия и физика. Химия, биология, геология находились в процессе становления. В такой ситуации натурфилософия стремилась заменить отсутствующие науки.

3.Отрывочные знания об объектах, явлениях природы, которые давало естествознание, натурфилософия истолковывала вымышленными, фантастическими причинами и связями. Придумывали какую-нибудь силу (например, «жизненную силу») или мифическое вещество (флогистон, электрическая жидкость, эфир и т. п.). Пробелы в естествознании восполнялись только в воображении.

ВХIХ в. естествознание достигло достаточно высокого уровня развития, был накоплен и систематизирован большой фактический материал, т.е. когда были познаны действительные причины явлений, раскрыты их реальные связи между собой, существование натурфилософии потеряло свое значение. А в этой связи и понимание философии как «науки наук» прекратило свое существование. Однако тесная связь между философией и естествознанием сохраняется и по сей день.

Естествознание исследует одни и те же явления с позиций сразу не-

скольких наук, «выискивая» наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривает природу как бы сверху. Цель естествознания – исследование природы как единого целого.

8

Зачем изучают естествознание?

Для того чтобы четко представить себе подлинное единство природы, то единое основание, на котором построено все разнообразие предметов и явлений природы и из которого вытекают основные законы, связывающие микро – и макромиры: Землю и Космос, физические и химические явления между собой, жизнью, разумом.

Изучая отдельные естественные науки, невозможно познать природу как единое целое.

Цели естествознания: (двойная задача).

- 1. Выявление скрытых связей создающих органическое единство всех физических, химических и биологических явлений.

-2. Более глубокое и точное познание самих этих явлений.

2. Возникновение античной науки. Космоцентризм.

Впервые наука в истории человечества возникает в Древней Греции в VI веке до н.э. Под наукой понимается не просто совокупность каких-то отрывочных, разрозненных сведений, а определенная система знаний, являющаяся результатом деятельности особой группы людей (научного сообщества) по получению новых знаний. В отличие от ряда древних цивилизаций (Египет, Вавилон, Ассирия) именно в Древней Греции обнаруживаются указанные характеристики науки. Именно там возникли первые научные сообщества (Милетская школа, Платоновская академия, пифагорейцы). При этом древнегреческие мыслители были, как правило, одновременно и философами, и учеными естествоиспытателями. Их достижения в математике, механике, астрономии навечно вошли в историю науки. Это был доклассический этап в развитии естествознания (классическое естествознание начнется с ХVI–ХVII вв., когда будут заложены основы современной науки).

Характеристика науки Древней Греции:

-абстрактность;

-отвлеченность от конкретных фактов;

-налет мифологических представлений.

Контрольные вопросы

1.Что является целью естествознания?

2.Чем объясняется появление и длительное существование натурфилософии?

3.Что понимается под наукой?

4.Какие черты были свойственны науке Древней Греции?

9

3. Первый (ионийский) этап развития натурфилософии. Учение о первоначалах мира.

С VI в. до н.э. – особый период в истории развития науки и культуры Древней Греции. Завершилось формирование древнегреческих городов – государств. Выделялся Милет – главный город Ионийской Колонии в Малой Азии, на побережье Эгейского моря. Здесь сформировалась Милетская школа натурфилософии. Появились деньги, как всеобщий эквивалент при обмене и товаров. Эта чисто экономическая идея была, затем распространена на природу.

Гераклит Эфесский (544–483 гг. до н. э.) – «первоначало» - огонь. «Этот Космос,- писал он, - единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, но он всегда был, есть и будет вечно живым огнем, в полную меру воспламеняющимся и в полную меру погасающим.» При этом Гераклит считал, что «все обменивается на огонь и огонь – на все, подобно тому, как золото на товары, а товары на золото» – античное понимание сущности природы.

Основатель Милетской школы – Фалес Милесский (примерно 625547 гг. до н.э.) полагал, что началом всего существующего является вода. Все возникает из воды и обращается в воду – учил он. Нашу землю он сравнивал с островом, плавающим в океане воды. Оставил определенный след в математике и астрономии:

-предсказал солнечное затмение;

-открыл, что Луна светит не своим светом;

-нашёл способ измерения высоты пирамид по длине их тени;

-указал Полярную звезду и ряд созвездий, что послужило руково дством для мореплавания;

-ввел календарь (360 дней в году и 30х дневных 12 месяцев). Ученик Фалеса – Анаксимен (около 585–524 гг. до н. э.)- признавал

за основу всего «воздух», способный разрежаться и уплотняться. Различной степенью его разрежения и уплотнения он объяснял возникновение всех тел окружающего мира. Разрежаясь, воздух становится огнем, сгущаясь – облаками, водой и землей. Движение воздуха, порождающее многообразный мир, происходит вечно.

Другой ученик Фалеса – Анаксимандр (610–546 г.г. до н.э.) пошел несколько другим путем – отказался от «стихий», первоосновой считал – «апейрон» (беспредельное, неопределенное). Анаксимандр полагал, что «апейрон» первоначально представлял из себя неопределенную туманную массу, находившуюся в постоянном круговом вращении, из которого в конце концов произошло все многообразие мира.

Анаксимандру принадлежит первая попытка дать общекосмологическую картину мира: Земля – центр Вселенной, ее опоясывают 3 огненных кольца: солнечное, лунное и звездное. Эти кольца покрыты воздушной

10