Естествознание Нового времени (XVII – XIX вв.)

6. Естествознание Нового времени (XVII – XIX вв.)

Исаак Ньютон – дифференциальное и интегральное исчисления, важные астрономические наблюдения, завершение дела Галилея по созданию классической механики. Три закона механики, закон всемирного тяготения. Основной труд – «Математические начала натуральной философии» – 1687 г. Предложил научно-исследовательскую программу, которую он назвал «экспериментальной философией» – механистическую.

Проблема философского метода.

Истоки противоположности двух методов – в древности. Гераклит: «Все течет, все изменяется», Ксенофан, Парменид,Зенон – мир неподвижен, неизменен, так как всякое изменение – это противоречие, что невозможно.

На определенном этапе научного познания природы метафизический метод был неизбежен, так как облегчал процесс познания. В рамках метафизического подхода проводилась классификация явлений природы. Карл Линней «Система природы»- предложен принцип такой классификации для живой природы. Градация: класс, отряд, род, вид, вариация. 6 классов животного мира (млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, черви, насекомые) и 24 класса растительного. Однако Линней не усмотрел в этой классификации развития.

Дальнейшее развитие естествознания требовало его диалектизации.

7.Научная революция 18-19 веков. Крушение механистической картины мира

Сутью научной революции 18-19 вв. является диалектизация естествознания.

1) Немецкий философ Иммануил Кант (1724-1804) «Всеобщая естественная история и теория неба»- попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы.

2) Пьер Симон Лаплас «Изложение системы мира» – независимо от Канта пришел к тем же выводам. Космогоническая гипотеза Канта-Лапласа.

3) в XIX в идеи развития распространились на все естествознание. Английский естествоиспытатель Чарльз Лайель (1797-1875) «Основы геологии» - идеи геологического эволюционизма.

4) Чарльз Роберт Дарвин (1809-1882) «Происхождение видов в результате естественного отбора». Развитие- это условие существования вида, условие его приспособления к окружающей среде.

5) Ботаник Маттиас Якоб Шлейден (1804-1881), биолог Теодор Шванн (1810-1882)- создатели клеточной теории (все растения и животные состоят из клеток).

6) Широкомасштабное единство, взаимосвязь в материальном мире продемонстрирована с открытием закона сохранения и превращения энергии. Первооткрывателями его считаются немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814-1878) и английский исследователь Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889). Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821-1894) увязал этот закон с принципом невозможности вечного двигателя.

7) Немецкий химик Фридрих Вёлер (1800-1882) – синтезировал первое искусственное органическое вещество – мочевину.

8) Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) - периодическая таблица элементов.

9) Французский биолог Жан Батист Пьер Ламарк (1744-1829)- гипотеза эволюции живой природы.

Принципы:

а) градации (стремление к совершенству),

б) прямого приспособления к условиям внешней среды.

Законы:

а) изменения органов под действием упражнений,

б) наследования признаков новыми поколениями.

Механистические взгляды на материальный мир господствовали до XIX века. Все закономерности материального мира сводились к законам механики. С открытием электрического заряда пришлось пересматривать взгляды.

1) Француз Шарль Огюст Кулон (1736-1806) – закон взаимодействия электрических зарядов.

2) Англичанин Майкл Фарадей (1791-1867) ввел в науку понятие электромагнитного поля. Кроме вещества, в природе существует еще и поле.

3) Англичанин Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) «Трактат об электричестве и магнетизме»- математическая теория электромагнитного поля.

4) Немец Генрих Рудольф Герц (1857-1894) экспериментально подтвердил теоретические выводы Максвелла.

Естественнонаучная революция 20 века.

В конце XIX - начале XX века был сделан каскад научных открытий, которые привели к коренному пересмотру физической картины мира.

1) Французский физик Антуан Анри Беккерель (1852-1908) открыл явление спонтанного излучения солей урана.

2) Французские физики Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) открыли новые радиоактивные элементы.

3) Английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл первую элементарную частицу – электрон и предложил первую модель атома.

4) Английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) предложил новую, планетарную модель атома. Она основывалась на экспериментах Ганса Гейгера (1882-1945) и Эрнста Марсдена (1889-1970).

5) Датский физик Нильс Бор (1885-1962) разработал квантовую теорию строения атома. Постулаты: в атоме существуют дискретные (стационарные) состояния, в которых атом не излучает. При переходе из одного состояния в другое атом излучает или поглощает квант энергии.

6) Немецкий физик Макс Планк (1858-1947) положил начало квантовой теории, выдвинув гипотезу о дискретном испускании электромагнитного излучения.

7) Альберт Эйнштейн (1879-1955) дополнил гипотезу Планка положениями, что электромагнитное излучение распространяется и поглощается порциями (квантами). Создал теорию относительности, основанную на том, что пространство и время не абсолютны.

8) Французский ученый Луи де Бройль (1892-1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи. Корпускулярно-волновой дуализм.

9) Появилась электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов, используемых для передачи, обработки и хранения информации. В 1940 г американский математик Норберт Виннер предложил использовать в вычислительных машинах не десятичную, а двоичную систему счисления, разработанную Джоржем Булем в 19 в. На основе идей Виннера была создана общая теория информации и связи.

10) Этапы развития электронно-вычислительной техники. 1-е поколение – ламповые вычислительные машины. Второе поколение – полупроводниковые ЭВМ. В середине 60х годов появились интегральные схемы. На них основано третье поколение ЭВМ. В начале 80х годов стали выпускать микросхемы, содержащие до 100 тыс. элементов в кубическом сантиметре. Сейчас выпускают большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (более млн. элементов). Один из путей развития электроники – создание микросхем на основе белковых структур.

Лекция 4. Современное естествознание

Панорама современного естествознания. Тенденции развития.

Новые явления и процессы, имевшие место в развитии естествознания и техники в первой половине XX века (открытие цепной ядерной реакции - О. Ган, Ф. Штрассман, Л. Мейтнер и О. Фриш), подготовили уникальное событие, получившее наименование научно-технической революции (НТР), которая началась во второй половине XX века, когда совпали по времени и научная и техническая революции.

Первый этап НТР начался в 50х годах ХХ в.

1) В 1953 году была раскрыта структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), что послужило началом интенсивных исследований в химии и биологии.

2) В 1954 году была построена первая в мире атомная электростанция в Обнинске.

3) Появилась кибернетика. Электронно-вычислительная техника.

4) Космические исследования. Ракетно-космическая техника.

Второй этап НТР начался со второй половины 70х годов и продолжается до сих пор.

1) В последние десятилетия биология достигла грандиозных успехов, когда сумела заглянуть внутрь живой клетки и понять биологические механизмы на уровне молекулярных взаимодействий. Генная инженерия. Расшифровка генома человека.

2) Новые технологии: гибкие автоматизированные производства, лазерная технология, биотехнология и др.

3) Информатизация общества на основе персональных компьютеров. Интернет.

4) Нанотехнологии, оптоэлектроника, электроника высоких скоростей.

Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. Корпускулярно-волновой дуализм.

Поле – сплошная среда, имеющая различные параметры (поле скоростей, температур и т.д.)

Дискретность – «зернистость» – означает делимость пространства- времени, строения и форм движения (скачки). (Например, множество целых чисел).

Континуальность – непрерывность, целостность объекта. (Например, множество действительных чисел).

Луи де-Бройль: все микрообъекты обладают корпускулярными и волновыми свойствами. E = h?, E=mc2, ?=h/mv.

Порядок и беспорядок в природе. Хаос.

Существует различие между обратимыми и необратимыми процессами. Законы классической механики являются обратимыми.

Характер протекания процессов в природе определяется II началом термодинамики, согласно которому в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи тепла только от более горячих тел к менее горячим.

В обратимых процессах сохраняется некоторая физическая величина, названная Клаузиусом энтропией. В необратимых процессах энтропия возрастает. Людвиг Больцман связал энтропию S с натуральным логарифмом статистического веса W (или термодинамической вероятности макросостояния, то есть числом микросостояний, которыми может быть осуществлено каждое макросостояние). S = k lnW (k – постоянная Больцмана).

Энтропия – мера неупорядоченности системы (хаоса). Энтропия возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку.

По Эддингтону возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени».

Лекция 5. Структурные уровни организации материи

Концепции описания природы.

Сложился культурно-исторический подход к анализу развития естествознания.

парадигма (гр.пример, образец) – признанные всеми научные достижения, система теоретических представлений и философских обобщений.

В основе «жесткого ядра» физической исследовательской программы лежит базисная теория. Например, квантовая теория поля, как базисная, формирует целый ряд фундаментальных теорий: атомная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц и т.д.

Типы физических исследовательских программ: механистическая (Ньютон), релятивистская (Эйнштейн), квантово-полевая (Планк), в настоящее время строится теория Суперобъединения (единая теория поля).

Структурные уровни организации материи. Микро-, макро- и мегамиры. Пространство и время.

Взаимодействие Частицы Максимальн. радиус действ. Относит. интенсивн. Кванты сильное адроны 10-15 м 1 глюоны

электромагнитное все заряж. ч-цы ? 10-3 фотоны слабое все ч-цы, кроме фотона 10-18 м 10-14 бозоны (W+,W-,Z) гравитац. все ч-цы ? 10-36 гравитоны

Элементарные частицы: 36 кварков и антикварков, 8 глюонов, 12 лептонов, фотон – всего 57 элементарных частиц.

Микромир – объекты, меньшие 10-6м, наблюдаемые с помощью приборов.

Макромир - доступный наблюдению человека – от 10-6м до порядка 1 астрономической единицы (150 млн.км -большая полуось земной орбиты).

Мегамир – все за пределами солнечной системы (границы наблюдаемой Вселенной –10 26м).

Ньютон ввел понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, которые не связаны с материей, однородны и изотропны. (Это субстанциональная концепция) Р.Декарт – ввел систему координат евклидовой геометрии. (В реляционной концепции пространство и время рассматриваются как системы отношений между взаимодействующими объектами).

Н.И. Лобачевский и Георг Риман – предложили неевклидовы геометрии. Пространство и время составляют континуум, свойства которого зависят от материи.

В настоящее время пространство и время трактуются как формы существования материи. Они неразрывно связаны между собой, их единство проявляется в движении и развитии материи.

Наше пространство трехмерно. (Но в принципе возможны Вселенные с другим числом пространственных измерений). Свойства пространства зависят от скорости движения системы отсчета, от наличия гравитационных полей.

l = lo v (1-v2/c2)

Время течет в одном направлении – от прошлого к будущему. Ход времени зависит от скорости протекания процессов (химическое, биологическое, геологическое время – 1 секунда геологического времени = 100 тыс. лет исторического), зависит от скорости движения инерциальной системы отсчета

( СТО):

t =to/v 1-v2/c2

Современная физика связывает необратимость времени с необратимыми тепловыми процессами.

Некоторые принципы современной физики.

Современная физика, как и классическая, признает объективное существование физического мира, однако отказывается от наглядности.

1. 1.Близкодействия – взаимодействие распространяется с конечной скоростью, через поле (ранее Р.Декарт ввел принцип дальнодействия - мгновенно на любом расстоянии). Максимальная скорость – скорость света в вакууме.

2. Целостности – существует взаимодействие частиц с определенными состояниями физического вакуума, частицы могут рождаться из физического вакуума.

3. Запрета (Паули) – для фермионов: две тождественные частицы не могут находиться в одном квантовом состоянии.

4. Тождественности – состояния системы, полученные перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте.

5. Симметрии волновой функции для системы тождественных частиц – (симметрия – инвариантность свойств системы при некоторых преобразованиях ее параметров) – существует обменное взаимодействие между частицами (Гейзенберг).

6. Эквивалентности – (в основе ОТО)- ускорение эквивалентно однородному полю тяготения. Следствие – равенство инертной и гравитационной масс.

7. Соответствия (Н.Бор) – любая неклассическая теория в предельном случае переходит в классическую. (Пример – СТО – классическая механика).

8. Неопределенности (В.Гейзенберг) – невозможность одновременно точного определения координаты и импульса частицы: ?x.?px?h.

9. Дополнительности – волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают, а дополняют друг друга. Этот принцип утверждает зависимость описания поведения физических объектов от условий наблюдения.

10. Суперпозиции – два тела взаимодействуют друг с другом независимо от наличия других тел.

11. Относительности (Галилея – в классической механике, Эйнштейна – в релятивистской): все инерциальные системы отсчета (ИСО) равноправны относительно любых физических явлений. Релятивистская физика отказывается от принципов механистического детерминизма.

И другие принципы…

Лекция 6. Состояние и способы его описания

Динамические и статистические закономерности в природе.

Понятие состояния - центральный элемент физических теорий - совокупность данных, характеризующих объект в данный момент времени. Для задания состояния системы необходимо:

1) определить параметры состояния – совокупность физических величин, описывающих явление,

2) выделить начальные условия (параметры в начальный момент времени),

3) 3)применить законы, описывающие эволюцию системы.

Закон - объективная, необходимая, всеобщая повторяющаяся связь между явлениями и событиями.

Структурность и системность - общие свойства материи.

Структурность – внутренняя расчлененность материи.

Системность – организованность, упорядоченность существования материи.

Единство структурности и системности – определяет существование мира как систему систем: система объектов, система свойств или отношений и т.п.

Бытие – сложноорганизованная иерархия систем, все элементы которой находятся в закономерной связи друг с другом.

Система - комплекс взаимодействующих элементов (неразложимых компонентов системы). По характеру связей между элементами системы и с окружающей средой системы делятся на:

a) суммативные (элементы автономны) и целостные (каждый элемент зависит от целостности);

b) открытые (обменивающиеся энергией, ве6ществом, информацией с окружающей средой) и закрытые (элементы взаимодействуют только между собой).

Лекция 7. Законы сохранения в макропроцессах

Теорема Нётер и законы сохранения.

В 1918 г. Эмми Нётер доказала теорему, из которой следует, что если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющаяся величина. (Каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией).

a. закон сохранения энергии – следствие временной трансляционной симметрии (однородности времени),

b. закон сохранения импульса – трансляционной симметрии (однородности) пространства,

c. закон сохранения момента импульса - симметрии относительно поворотов в пространстве (изотропности пространства) и т.д.

Диссипация энергии - (необратимый процесс) - переход энергии из одних форм в другие, более низкие по классу (самая низкая – тепловая энергия).

Закон сохранения и превращения энергии - всеобщий закон Природы.

В обратимых процессах S= const, в необратимых - S^. (Отличие прошлого от будущего ).

В равновесных состояниях S= const и max, а энергия min.

Принцип Больцмана – любое макросостояние может быть осуществлено определенным числом микросостояний (W).

Законы термодинамики.

I. (Закон сохранения энергии) ?U=Q – A (изменение внутренней энергии равно полученному количеству теплоты минус работа системы). Первый закон не указывает направления тепловых процессов.

II. Несколько формулировок:

a) процесс, единственным результатом которого было бы изъятие теплоты из резервуара, невозможен;

b) невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре (Карно);

c) тепло не может передаваться самопроизвольно от холодного тела к горячему;

d) энтропия изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает.

II закон устанавливает наличие фундаментальной асимметрии в природе - однонаправленности самопроизвольных процессов.

III. Невозможно достижение абсолютного нуля ( 0К = - 273,15 оС) как сверху, так и снизу.

В 18 веке произошла промышленная революция (паровые машины - Уатт, Стефенсон, Фултон, Черепанов; цикл Карно; телеграф - Морзе).

21.Эволюционно-синергетическая парадигма.

Синергетика – теория самоорганизации в сложных, открытых, неравновесных и нелинейных системах любой природы. (Совокупность идей о принципах самоорганизации и суммы общих математических методов ее описания).

Самоорганизация - возникновение порядка из хаоса без управляющего воздействия извне, за счет внутренней перестройки системы – общее свойство сложных (состоящих из множества элементов), открытых (находящихся в состоянии обмена энергией, веществом, информацией с окружающей средой), нелинейных (описываемых нелинейными уравнениями) и неравновесных (находящихся вдали от состояния термодинамического равновесия) систем.

Обратная связь – непременный атрибут самоорганизации, а именно положительная ОС (усиливающая) – изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что приводит к появлению нового порядка и структуры. Отрицательная (успокаивающая) ОС приводит к устранению внешнего воздействия.

Эволюция - постепенное развитие. Развитие самоорганизующейся системы проходит через скачки (точки бифуркации, в которых имеется несколько возможных направлений развития).

Кибернетика («искусство управления») – изучает системы с отрицательной ОС.

Составляющие эволюционно-синергетической парадигмы.

a) принцип глобального эволюционизма,

b) концепция фундаментального единства материи,

c) представление об универсальности алгоритма развития как проявления самоорганизации в природных и социальных системах,

d) принцип необратимости эволюции.

Примеры самоорганизации в неживой природе - реакция Белоусова-Жаботинского, лазер, сверхпроводимость. (Эффект Мейснера – явление полного вытеснения магнитного поля из объема сверхпроводника при понижении температуры ниже критической).