4. Современные космологические концепции. Антропный принцип
4.1. Происхождение Вселенной. Концепция Большого взрыва.
4.2. Возникновение и структура Солнечной системы.
4.3. Антропный принцип в современной науке.
Космология – астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя понимание свойств всей Вселенной.
Космология начинает развиваться на строгой научной основе после открытия И. Ньютоном закона Всемирного тяготения. Гравитационное взаимодействие согласно теории Ньютона передается от одного тела к другому мгновенно на каком бы расстоянии они не находились друг от друга. Пространство и время считаются абсолютными, т. е. их свойства не зависят от материи и ее движения.
Новая модель Вселенной была создана в 1917 году А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности.
В 1922 году советский геофизик и математик А.А. Фридман показал, опираясь на предположение об однородности и изотропности Вселенной, что Вселенная может расширяться или сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т. е. об увеличении всех расстояний мира.
Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 году американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий, которое было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием.
Составной частью модели расширяющейся Вселенной является концепция Большого взрыва, как начала расширения, произошедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равен нулю, а ее плотность – бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью.
Ученых всегда интересовал вопрос: почему наша Вселенная такова, какова она есть? Какую роль в существовании Вселенной играет или должен играть человек?
В 1970-х гг. английский ученый Б. Картер сформулировал антропный принцип в двух вариантах – слабом и сильном.
Слабый антропный принцип утверждает: то, что мы предполагаем наблюдать во Вселенной, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя.
Более серьезное содержание заложено в сильном антропном принципе, согласно которому Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции мог существовать наблюдатель. По существу, в нем идет речь о случайном или закономерном происхождении «тонкой подстройки» Вселенной.
Тема рефератов:
Экспериментальные и мировоззренческие предпосылки современной космологии.
Черные дыры: история развития вопроса и современные представления.
Эволюция представлений о функционировании Солнечной системы.
Рождение, жизнь и смерть звезд как типичный пример эволюции в мегамире.
Модель расширяющейся Вселенной.
Структурная самоорганизация Вселенной.
Антропный принцип в современной космологии.
Жизнь и разум во Вселенной: проблема внеземных цивилизаций.
Эволюция Вселенной: модели А. Фридмана.
Галактики и методы их изучения.
Солнечная активность и ее влияние на происходящие на Земле процессы.
Концепции современной химии
5.1. Специфика химии как науки
5.2. Четыре уровня химического знания.
Одной из важнейших естественных наук является химия – наука, изучающая превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и (или) строения.
Основанием химии выступает двуединая проблема – получение веществ с заданными свойствами и выявление способов управления свойствами вещества.
Эта же проблема является одновременно и систематизирующим началом химии. Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения вопроса. Свойства вещества зависят от четырех факторов:
от элементарного и молекулярного состава вещества;
от структуры молекул вещества;
от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;
от уровня химической организации вещества.
Поскольку эти способы появлялись последовательно, в истории химии можно выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа ее развития. В то же время с каждым из вышеназванных способов решения основной проблемы химии связан тот или иной уровень химического знания.
Эти уровни химического знания находятся в отношениях иерархии:
первый уровень химического знания – учение о составе вещества;
второй уровень химического знания – структурная химия;
третий уровень химического знания – учение о химических процессах;
четвертый уровень химического знания – эволюционная химия.
Темы рефератов:
Ятрохимия как ступень в развитии химии.
Периодический закон Д. И. Менделеева и его значение в науке.
История открытия редких химических элементов.
Современная химическая картина мира.
Концепция химической эволюции и биогенезис.
Новые химические технологии и возможность их применения.
Вклад химии в развитие современного общества.
История становления структурной химии: открытия Дальтона, Кекуле, Бутлерова.
Возникновение жизни на Земле и ее разнообразие
Структурные уровни организации жизни.
Основные концепции происхождения жизни на Земле.
Появление жизни на Земле.
Уровни организации органического мира – дискретные состояния биологических систем, характеризующиеся соподчиненностью, взаимосвязанностью, специфическими закономерностями.
Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но основными являются молекулярный, клеточный, онтогенетический, популяционно-биоценотический, биогеоценотический и биосферный.
Молекулярно-генетический уровень жизни – это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, являющихся началом основных процессов жизнедеятельности. На этом уровне элементарными структурными единицами являются гены.
Клеточный уровень жизни. Наименьшей самостоятельной единицей строения, функционирования и развития живого организма является клетка, которая представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию.
Онтогенетический уровень жизни. Основной единицей жизни выступает отдельная особь, а элементарным явлением онтогенез – процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации.
Популяционно-биоценотический уровень жизни. Это надорганизменный уровень жизни, основной единицей которого является популяция – совокупность особей одного вида, относительно изолированная от других групп этого же вида, занимающая определенную территорию, воспроизводящая себя на протяжении длительного времени и обладающая общим генетическим фондом.
Биоценотический уровень жизни. Биогеоценоз – это целостная саморегулирующаяся система, которая может существовать на протяжении длительного времени.
Биосферный уровень жизни. Это наивысший уровень организации жизни, охватывающий все явления жизни на нашей планете. Биосфера – это живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов планеты, включая человека) и преобразованная им окружающая среда. Термин «биосфера» был введен в 1875году австрийским ученым Э. Зюссом, а разработка учения о биосфере неразрывно связана с именем выдающегося российского ученого В.И. Вернадского.
К наиболее распространенным в те или иные периоды развития естествознания концепциям происхождения жизни на Земле относят:
- концепцию креационизма, утверждающую, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения;
- концепцию стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;
- концепцию самопроизвольного зарождения жизни, основывающуюся на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества;
- концепцию панспермии, утверждающую, что жизнь занесена на нашу планету извне, из космического пространства;
- концепцию закономерного происхождения жизнм путем биохимической эволюции.
Жизнь на Земле появилась более 4 млрд. лет тому назад и первичные организмы обладали следующими свойствами:
- были гетеротрофными организмами, т.е. питались готовыми органическими соединениями, накопленными на этапе космической эволюции Земли;
- были прокариотами – организмами, лишенными оформленного ядра;
- были анаэробными организмами, использующими в качестве источника энергии дрожжевое брожение;
-появились и долгое время существовали в водах первичного океана;
- появились в виде первичной биосферы.
Темы рефератов:
Формирование биологической картины мира.
Проблема происхождения и сущности жизни.
Специфика живого и фундаментальные свойства живой материи. Взаимосвязь между физическими, химическими и биологическими процессами.
Структура и функции клетки (физико-химические аспекты).
Жизнь как «антиэнтропийный процесс».
Функциональная ассиметрия живых систем.
Иерархические уровни организации живой материи.
Биоразнообразие и его роль в сохранении и устойчивости биосферы.
Учение В.И. Вернадского о биосфере и феномен человека.
Концепция ноосферы и ее научное обоснование.
Иерархическое строение биосферы и трофические уровни.
Факторы и движущие силы эволюционного процесса
7.1. Теория эволюции Ч. Дарвина.
7.2. Механизмы и законы эволюции.
7.3. Синтетическая теория эволюции.
Понятие эволюции – процесса длительных, постепенных, медленных изменений, ( возникновению новых организмов, структур, форм и видов), проникло в науку в конце XVIII века. Однако именно Дарвин создал совершенно новое учение о живой природе, обобщив отдельные эволюционные идеи в одну стройную теорию эволюции. Опираясь на огромный фактический материал и практику селекционный работы по выведению новых сортов растений и пород животных, он сформулировал основные положения своей теории, изложив их в книге «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствующих пород в борьбе за жизнь» (1859).
Концепция Дарвина построена на признании объективно существующих процессов в качестве факторов и причин развития живого. Основными движущими факторами эволюции являются изменчивость, наследственность и естественный отбор.
Первым звеном эволюции выступает изменчивость ( изменение и превращение организмов под действием внешней среды ), которая является неотъемлемым свойством живого.
Следующим фактором эволюции является наследственность-свойство организмов обеспечивать преемственность признаков и свойств между поколениями, а также определять характер развития организма в специфических условиях внешней среды.
Особую роль в становлении новых преставлений о развитии сыграла генетика, которая составила основу неодарвинизма – теории органической эволюции путем естественного отбора признаков , детерминированных генетически. Другое общепринятое название неодарвинизма – синтетическая (основанная на данных многих областей естествознания), или общая, теория эволюции (СТЭ), которая представляет собой синтез основных эволюционных идей Дарвина и, прежде всего, естественного отбора с новыми результатами исследований в области наследственности и изменчивости.
Основные положения СТЭ можно свести к четырем утверждениям:
главным фактором эволюции считается естественный отбор, интегрирующий и регулирующий действие всех остальных факторов ( мутагенеза, гибридизации, миграции, изоляции и др);
эволюция протекает постепенно, посредством отбора случайных мутаций, а новые формы образуются через наследственные мзменения;
эволюционные изменения случайны иненаправлены. Исходным материалом для них являются мутации.
макроэволюция, ведущая к образованию надвидовых групп, осуществляется только посредством микроэволюции. Каких-либо специфических механизмов возникновения новых форм жизни не существует.
Синтетическая теория эволюции не является застывшей и завершенной концепцией. У нее есть ряд трудностей, на которых основываются недарвиновские концепции эволюции.
Темы рефератов:
Основные проблемы генетики и роль воспроизводства в развитии живого.
Роль мутаций и факторов окружающей среды в эволюции живого.
Эволюция живой материи и ее законы. Микро- и макроэволюция.
Факторы и главные направления Эволюционного процесса.
Основные проблемы синтетической теории эволюции.
Рождение генетики; ее основные понятия и представления.
Особенности живых систем.
Революция в молекулярной биологии. Достижения молекулярной биологии и генетики в ХХ веке.
Клонирование: мифы и реальность, «за» и «против».
Синергетика и естествознание XXI века
Основоположники синергетики рассматривают ее как новое междисциплинарное направление исследований, как учение о сложноорганизованных системах. Г. Хакен подчеркивает, что все основные ее понятия «отражают различные аспекты особой области науки, занимающейся изучением сложных систем, - синергетики. И. Пригожин и Г. Николис в совместном труде определяют синергетику как «познание сложного», которое возникло из исследования физики неравновесных состояний.
В настоящее время синергетика стала парадигмой исследования сложноорганизованных систем и не только находит широкое применение в естественных и технических науках, но и все активнее вторгается в социально-экономическое и гуманитарное познание. Прогресс в познании сложных систем способствовал преодолению противопоставления категорий простого и сложного, пониманию их относительности, а самое главное – раскрытию роли сложноорганизованных процессов в ходе эволюции и развития биологического и социального мира.
Основа синергетики – идея о принципиальной возможности порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Это происходит при возникновении положительной обратной связи между системой и окружающей средой.
Как же объясняет современная наука, в частности синергетика, процесс самоорганизации систем?
1. Для этого система должна быть открытой, потому что закрытая, изолированная система, в соответствии со вторым законом термодинамики, в конечном счете, должна прийти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком, или дезорганизацией.
2. Открытая система должна находиться достаточна далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и неспособна к какой-либо организации.
3. Система должна быть нелинейной.
4. Если упорядочивающим принципом для закрытых систем является эволюция в сторону увеличения энтропии или усиления их беспорядка, то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации.
5. Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты синергетического взаимодействия будут недостаточны для проявления кооперативного взаимодействия.
6. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии.
7. Возникновение самоорганизации опирается на принцип положительной обратной связи.
Это необходимые, но далеко не достаточные условия для возникновения самоорганизации в системах разной природы.
Темы рефератов:
Значение синергетики для современной науки.
Научно-исторические предпосылки синергетики.
Проблема самоорганизации систем живой и неживой природы.
Самоорганизация как источник и основа эволюции систем.
Порядок и динамичекий хаос в сложных системах.
Кибернетика и синергетика.
Самоорганизация как механизм творческого мышления.
Синергетика на перекрестке культур.
Человек и общество как «открытая система». Наука и идеология в приложениях синергетики.
Список рекомендуемой литературы:
Арнольд А.И. Теория катастроф. М., 1990.
Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М.: Энергоатомиздат, 1990.
Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. М.: Наука, 1988.
Войткевич Г.В. Возникновение и развитие жизни на Земле. М.: Наука, 1988.
Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М.: Наука, 1989.
Грант В. Эволюционный процесс. М.: Мир, 1991.
Девис П. Суперсила. М.: Мир, 1989.
Дмитриева В.Ф., Прокофьев В.Я. Основы Физики. М.: Высшая школа, 2003.
Дубнищева Т.Я. Концепция современного естествознания. Новосибирск: ЮКЭА, 1997.
Канке В.А. Концепции современного естествознания. М.: Логос, 2006.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: ЮНИТИ, 1997.
Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М.: Мир, 1998.
Кейлоу П. Принципы эволюции. М.: Мир, 1986.
Коровин Н.В. Общая химия. М.: Высшая школа, 1998.
Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. М.: АГАР, 1996.
Кун Т. Структура научных революций. М.: Наука,1990.
Кэри У. В поисках закономерностей развития Вселенной. М.: Мир, 1991.
Льюин Б. Гены. М.: Мир, 1987.
Моисеев Н.Н. Человек и ноосфера. М.: Прогресс, 1990.
Найдыш В.М. Концепция современного естествознания. М.: Альфа-м; ИНФРА-М, 2005.
Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М.: Мир,1993.
Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М.: Мир, 1990.
Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М.: Наука, 1990.
Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.: Прогресс, 1986.
Реймерс Н.Ф. Популярный биологический словарь. М.: Наука, 1991.
Реймерс Н.Ф. Экология. Теории, законы, правила, принципы и гипотезы. М.: Россия молодая, 1994.
Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. М.: Гардарики, 2005.
Сингер М., Берг А. Гены и геномы: в 2 т. М.: Мир, 1998.
Философские проблемы естествознания/ Под ред. С.Т. Милютина. М.: Высшая школа, 1985.
Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1980.
Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. М., 2004.
Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М.: Наука, 1998.
Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики? М., Атомиздат, 1972.
Яблоков А.В. Эволюционное учение. М.: Высшая школа, 1989.
Дмитриева Валентина Феофановна,
Базина Инна Викторовна