Концепция современного естествознания



страница1/4
Дата07.02.2018
Размер0.81 Mb.
ТипКурс лекций
  1   2   3   4

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

ГОУ ВПО УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УГТУ - УПИ

Концепции современного естествознания

Курс лекций для студентов специальностей: управление внешнеэкономической деятельностью предприятий, банковское дело, бухгалтерский учет и аудит, финансы и кредит факультета экономики и управления, филиалов и представительств университета

Авторы: доцент, к.т.н. Павлович ОльгаНиколаевна

профессор, д.т.н. Харлампович ГеоргийДмитриевич


Кафедра химической технологии топлива и промышленной экологии

ЕКАТЕРИНБУРГ 2005



ВВЕДЕНИЕ

Цели и задачи дисциплины


Концепция университетского образования предполагает подготовку специалистов, которые наряду с глубокими знаниями в избранной отрасли обладают и широким кругозором во всех областях науки и человеческой деятельности. Поэтому дисциплина «Концепции современного естествознания» является важным звеном в обучении студентов.

Главной целью дисциплины, охватывающей все стороны современного естествознания, является формирование естественнонаучного мировоззрения, расширение кругозора и воспитание естественнонаучной культуры. Особое внимание придается пониманию общих принципов научного мышления, методов современного естествознания, истории естествознания, тесной взаимосвязи различных областей естественных наук, роли естествознания в развитии культуры и общества. Важной целью курса является представить естествознание в непрерывном развитии и преодолении неопределенностей и противоречий, создать у студентов заинтересованность в непрерывном углублении своих знаний и в расширении кругозора.

В результате изучения дисциплины студент должен получить представление об основной естественно - научной терминологии, об основных этапах развития естествознания, об общности и особенностях действия основных законов, управляющих мирозданием во всех формах его проявления.

Изучение дисциплины базируется на знаниях, приобретенных студентами в школе, которые закрепляются, углубляются и расширяются с формированием у студентов активного стиля мышления и устойчивой направленности на постоянное самообучение и самовоспитание. Полученные знания и навыки реализуются и получают развитие в процессе дальнейшего обучения и последующей трудовой деятельности.

Овладение курсом создаст надежную базу для дальнейшего самообразования, расширения круга интересов и лучшего понимания того набора естественнонаучной информации, с которым приходится сталкиваться каждому.

1. Понятие о естественной и гуманитарной культуре, их взаимосвязь. Проблемы современного естествознания и важность их понимания для решения личных, производственных, общественных и экономических задач
Естествознание в современном понимании - это совокупность наук о природе “материальных реальностей”, находящихся во взаимной связи, взаимодействии, в движении. Предметом дисциплины «Концепции современного естествознания» является сложившаяся к настоящему времени система идей и принципов исследования природы и вопросы использования результатов этих исследований в практической повседневной деятельности людей.

В современном “постиндустриальном” обществе в научные разработки и технологическую деятельность вовлечены миллионы людей. Работа их определяет судьбы миллиардов, поэтому без глубокого освоения идей, языка и методов современной науки невозможно разумное развитие человеческой цивилизации. Экологический кризис, поставивший человечество на грань катастрофы, вызван не научно-техническим прогрессом, а напротив - недостаточным распространением в обществе научных и культурных знаний, и именно это порождает благодатную почву для принятия безответственных решений, бесконтрольного удовлетворения человеческих потребностей в ущерб окружающей природе.

Влияние науки на все сферы жизни - производство, технику, быт, технологию, военное дело, экономику, политику, культуру, мировоззрение - неоспоримо и стремительно растет. Открытия ученых и технические достижения гораздо больше повлияли на жизнь каждого и судьбы цивилизации, чем все политические деятели прошлого. История человечества “связана не с деяниями могущественных князей или прославленных полководцев, а с бессмертными именами Колумба, Коперника, Кеплера, Галилея, Ньютона” (Ю.Либих). В обществе на пороге третьего тысячелетия созрело убеждение в том, что только “человек культуры” сможет соответствовать современному уровню развития цивилизации. Этим и объясняется введение в образовательную систему многих ВУЗов, курса “КСЕ”, в котором интегрированы идеи и методы нескольких естественно - научных дисциплин.
Человеческая деятельность и человеческая культура разделена на две сферы: естественнонаучную и гуманитарную. Первая из них охватывает физику, химию, биологию, физиологию, науки о Земле и космосе (астрономию, геологию, географию, почвоведение), науки о человеке (психология, антропология, медицина). На положениях и закономерностях этих наук основывается практическая деятельность людей, производство и потребление продукции, охрана психического и физического здоровья, поддержание и улучшение уровня жизни людей. Все существующие технологии в сфере производства продукции и услуг базируются на данных естественных наук.

Во вторую группу входят такие виды деятельности, как философия, искусство, религия, музыка, литература. Они существенно влияют на формирование ценностей и потребностей людей, на их мировоззрение и направление деятельности, они способствуют формированию морального, культурного, нравственного уровня людей. Именно эти виды деятельности оказывают часто решающее влияние на характер практической направленности использования закономерностей, установленных в естественно - научной деятельности.

Истоки этих двух видов деятельности существенно различаются.

Естественные науки основываются на проведенных наблюдениях и на логических выводах из наблюдаемого.

Для всех естественных наук общим является цель, методы и критерии.

Цель - глубже познать явления реального мира (однако, сколько бы наука ни “зрела”, цель эта все равно остается впереди).

Критерии научности - непротиворечивость утверждений и их проверяемость (практика – критерий истины).

Метод - это совокупность действий, призванных помочь достижению желаемого результата. К научным методам относятся:

1)наблюдение - целенаправленное восприятие явлений объективной действительности.

2) логика и интуиция.

Логика и интуиция - это антиподы и вместе с тем дополняющие друг друга союзники. Обе они неизбежны. Удачно выразил суть дела известный математик Пуанкаре: “Логика, которая одна может дать достоверность, есть орудие доказательства, интуиция есть орудие изобретательности”.

3)моделирование - изучение объекта (оригинала) путем создания и исследования его копии (модели), заменяющей оригинал с определенных сторон, интересующих исследователя.

Эксперимент занимает особое мнение среди научных методов. Эксперимент - наблюдение в специально создаваемых и контролируемых условиях, что позволяет восстановить ход явления при повторении условий. Но не над всеми телами можно провести эксперимент. Например, небесные светила можно только наблюдать. Если же мы все-таки считаем эксперимент необходимым, то можем провести его на моделях, т. е. на телах, размеры и масса которых пропорционально уменьшены по сравнению с реальными телами. Результаты модельных экспериментов можно считать пропорциональными результатами взаимодействия реальных тел. Среди перечисленных научных методов особую роль играет эксперимент. Но эксперимент (и установление математических зависимостей) - это лишь частный случай моделирования. В общем случае моделирование можно определить как сопоставление изучаемого явления (объекта, процесса) с моделью - другим явлением, которое мы считаем понятным. Эффективность модели определяется тем, в какой мере соотношение компонентов и зависимостей в ней аналогично соотношениям в изучаемом явлении.

Таким образом, вся естественно - научная информация основана на наблюдениях и логических выводах из них вытекающих. Всегда возможны ее проверка и уточнение. Естественные науки никогда и ничто не принимают на веру. Воспроизводимость и доказательность - критерии истинности в естествознании. Результаты естественных наук всегда объективны.

Решение глобальных проблем должны основываться на твердой научной базе - это будут закономерности, установленные естественными науками (изменение климата, поворот рек, осушение болот, постройка каналов и ТЭС).

В основе эволюции лежит метод “проб и ошибок”. И развивались все те пробы, которые оказались в соответствии с требованиями эволюции. Так возник человек. На это потребовалось много миллионов лет. Человек начал преобразовывать окружающую его природу тоже путем “проб и ошибок”. Человек стал обобщать опыт удачных проб, накапливая и передавая его другим людям, другим поколениям. Метод “проб и ошибок” лежит и по сей день в основе познания природы и используется для ее преобразования.

Логическое обобщение опыта, полученного из “проб и ошибок”, лежит в основе научных закономерностей, происходящих в природе процессов.

Таким образом, огромная роль науки в нашей цивилизации общепризнанна.

Объекты гуманитарных наук создаются человеком, его вдохновением и (или) талантом. Их учения или сочинения могут воздействовать на эмоции и разум многих поколений людей, но невозможно путем наблюдений или экспериментов воспроизвести способы творчества и мышления философов, писателей, артистов и композиторов. Критерии истинности в гуманитарных дисциплинах отсутствуют. Взгляды и суждения в гуманитарных дисциплинах неизбежно субъективны. Примером субъективности гуманитарных дисциплин могут быть произведения художников, режиссеров, композиторов.

На практике взаимосвязь между этими двумя сферами оказывается очень сложной. Но все же именно гуманитарной культурой определяется эволюционный рост человечества. Многие решения, определяющие будущее (человечества), зависят от адекватной интерпретации научных открытий. Например, в средние века политическая и духовная власть принадлежала религии, и это накладывало отпечаток на развитие науки. Наука, в основном, должна была служить иллюстрацией и доказательством религиозных истин.

Именно гуманитарная культура дает направление, в котором должна развиваться естественная наука. Влияние постулатов, субъективно сложившихся в философии или религиозных вероучениях, может ограничить сферу логических умозаключений в естественных науках, а также и возможные эксперименты. И тем в большей степени они могут повлиять на практическую реализацию выводов естественных наук. Это существенно влияет на развитие экономических учений, т. к. экономика занимает промежуточное положение между этими группами наук.

Господствующие религиозные и философские представления могут надолго затормозить развитие новых взглядов и представлений в естественных науках. Так, господство позиций Т.Д. Лысенко в отечественной биологии не только затормозило на многие десятилетия ее развитие и отбросило ее на уровень конца 19 века, но и нанесло огромный экономический ущерб практическому сельскому хозяйству. Трагедия отечественной генетики явилась следствием не столько личности Лысенко, сколько господства административных методов управления наукой, девальвации роли точного эксперимента. До сего дня отечественная биология и особенно генетика, существенно отстает от мирового уровня. Все это привело к экологическому ущербу: потерям в урожайности сельскохозяйственных культур и убогой продуктивности животноводства, недостатку лекарственных препаратов и биологически активных веществ, нерациональному использованию природных ресурсов и т. д. Хотя в 20-х годах наша генетика считалась самой передовой в мире.

Только объективный характер естественно - научных знаний, методология научного поиска и анализа позволяют более критично подходить к умозрительным взглядам и утверждениям, они позволяют более продуманно и обоснованно принимать практические решения, которые избавят от неоправданного расходования средств на реализацию неоправданных прожектов.

Владения основными представлениями современного естествознания защищает от принятия дутых сенсаций и спекулятивных мировоззренческих представлений. Оно также крайне важно для оценки новых технических решений и возможностей, что позволяет более направленно осуществлять экономическую деятельность на рынке идей и научных разработок, правильно определяя их потенциал и перспективы.

Пытаясь определить, станет ли событие или процесс развиваться в требуемом направлении, нужно обратиться к законам природы. Любые утверждения об открытиях, ниспровергающих основные фундаментальные законы природы, требуют крайне настороженного отношения. И, тем не менее, появляются новые изобретатели вечного двигателя.

Важно представить и существование определенных ограничений в представлениях современных естественных наук. Достаточно большое число принятых суждений основывается на недостаточном или поддающемся различной трактовке эксперименте. Часто научный прогресс базируется на неполном знании. В определенных сферах отсутствуют надежные методы наблюдения. Наконец существуют и непознанные явления. В науке мы никогда не имеем достаточных оснований для уверенности в том, что мы уже достигли истину.

Немногим более 100 лет назад Генрих Герц, открывший радиоволны, на вопрос о практическом значении этого открытия, заявил: “Никакого! Можете мне поверить!” А если вспомнить явление радиоактивности, которое открыл Беккерель еще в 1896 г. Сначала его открытие воспринималось как любопытное, но малозначащее явление природы. Исследования Кюри и Резерфорда показали, что это явление имеет фундаментальный характер и связано с процессами, которые происходят в ядрах атомов. Со дня открытия этого явления прошло больше 100 лет, а оно уже дало человечеству наиболее мощный источник энергии.

История неизменно показывает, что практически любое крупное научное открытие или теория влияет на развитие цивилизации нашего общества.

Еще пример. Казалось небольшие и вначале малоэффективные открытия, сделанные в продолжение прошлых 2-х веков Гальвани, Франклином, Фарадеем в области электричества, и их теоретическое обобщение, сделанное Максвеллом, привели к современной электротехнике.

Современный лазер, играющий теперь большую роль в науке, различных областях практики, как известно, основывается на явлении индуцированного излучения, и его теоретическая природа была открыта Эйнштейном еще в 1916 году, а впервые создана в 40-е годы.

Оторванность теории от опыта является причиной запаздывания с внедрением научного открытия в жизнь.

Мы опять затронули две важных составляющих науки - теория и практика. Чтобы постичь мир в сложном его многообразии, нужно умело сочетать теорию и практику. Мы знаем формулу “Практика - критерий истины”. Но роль теории в науке огромна. Всемирно известный русский физиолог И.П. Павлов сказал: «Без идей в голове не увидишь и фактов».

Еще можно привести примеры, когда теоретические исследования опережают эксперимент.

Существование античастицы - позитрона впервые было теоретически предсказано английским физиком П. Дираком в 1930 г., а экспериментально же позитрон был открыт только в 1932 г. американским физиком К. Андерсоном. И это открытие явилось блестящим подтверждением теории Дирака.

Своеобразную характеристику теории и эксперименту дал известный ученый - метеоролог Сэттон в 60-е годы: “Теория - это то, во что никто не верит, кроме самого теоретика. Эксперимент - это то, во что все верят, кроме самого экспериментатора”. Здесь остроумно отмечена парадоксальная ситуация в науке, объясняющая, почему новой теории приходится вести борьбу за признание. Новое в науке, как правило, пробивает себе дорогу в борьбе со старым. Можно вспомнить слова великого Ньютона: “Я вижу, что нужно или отказаться от этого, чтобы давать что-нибудь новое в науке, или сделаться рабом для его защиты”

Следует еще раз подчеркнуть, что не всякая новизна в науке отражает истину, она может оказаться и заблуждением. “Кто ищет, вынужден блуждать” (Гете).

И, вероятно, нам посчастливиться быть свидетелями новых открытий в естествознании. Тем более, важно знать существующее состояние естествознания, так как любые новые открытия, как правило, не отбрасывают существующие знания, а лишь расширяют и углубляют их, открывая новые просторы для практического применения этих знаний и дальнейшего овладения тайнами Природы.


2. История естествознания и панорама современного естествознания
По-видимому, естествознание началось с развития астрономии. Она почти так же стара, как человек. Многие тысячелетия первобытные собиратели и охотники искали путь по солнцу и звездам, полагались на лунный свет во время охоты. По мере развития земледелия и скотоводства людям стал необходим календарь, чтобы своевременно сажать растения, использовать разливы рек для орошения земель, ухода за животными. И поэтому уже на ранних стадиях развития цивилизации тщательно записывались сведения о движении Солнца, Луны, звезд.

Стоунхендж в Англии, многие памятники культуры древних индийцев, вавилонян, египтян, майя представляли устройства для наблюдения солнца в период равноденствия, солнцеворота, для точных астрономических наблюдений.

В жизни человека сияющее Солнце играло огромную роль и человек начал понимать это, как только стал задумываться над тем, что его окружает. Солнце приносило долгожданное лето, а Луна давала полезный свет ночью. И недаром практически во всех древних религиях главным богом было Солнце.

Люди пришли к суеверным выводам, что их судьбами и характером управляют Солнце, Луна и блуждающие звезды (планеты). Предсказание сезонных изменений погоды и всех жизненно важных процессов, так же как и предсказание судьбы и будущего людей стало обязанностью тех, кто наблюдал и обобщал знание - первых священников и первых магов.

Первобытная магия и религия породили науку. Первобытная религия переплетается с мифами о богах, с религиозными обрядами, она попыталась привести в систему сведения об окружающей человека природе и социальных отношениях. Первыми профессиональными астрономами были жрецы - мудрейшие люди племени - составители календаря.

Любознательность и стремление накапливать знания были свойственны людям с самых древних времен. Первобытный человек копил и использовал знания - таким было начало прикладной науки. А затем он начал систематизировать знания, применять их и размышлять над ними. Древние, обобщая наблюдения за природой и руководствуясь здравым смыслом, пытались связать выявленные факты в причинно - следственные цепочки. Так был начат трудный путь к научному знанию - от отдельных примеров к обобщению. Трудно уловить идею общего поведения, закона или характерного качества. Однако это существенный шаг в превращении набора тех или иных фактов в раздел науки.

Можно говорить, что древняя астрономия имела три побуждения к дальнейшему развитию:


  1. Практические цели людей, календарь, часы, ориентация.

2. Магия для воздействия на психику людей; астрология для предсказания судьбы, удач и неприятностей.

З.Чисто научный интерес: стремление понять сущность явлений, объяснить законы, которым подчиняется окружающий мир.

Обобщение наблюдений происходило не только в астрономии и в других областях естествознания. За многие тысячелетия до нашей эры люди в самых разных краях Земли пытались разобраться в болезнях, поражающих человека и животных, найти способы их излечения. Приготовление металлов, красителей, цветного стекла, строительство оросительных систем, выведение новых пород животных и растений требовало искать зависимости, объяснять явления, определять закономерности.

В памятнике древнеиндийской культуры "Камасутра", созданного более полутора тысяч лет назад и уходящего корнями в гораздо более древние времена, в числе 64 искусств, которыми должна обладать хорошо воспитанная девушка, упоминаются: резьба, плотничанье, строительное дело, проба серебра и драгоценностей, искусство проектирования оросительных каналов, металлургия, приготовление ароматов, знание происхождения и окраски драгоценных камней, искусство ухода за деревьями и многие другие.

Глубокими прикладными знаниями обладали египтяне и вавилоняне. Однако, как и в очень многих цивилизациях древности, знания были секретом узкого круга жрецов, средством подчинения себе людей. Знания приобретали религиозную, мистическую окраску и сами обобщения подчинялись основным религиозным концепциям. Немалый, накопленный поколениями, опыт мастеров оставался семейным или корпоративным секретом.

Развитию естествознания в древние века решающий толчок дала греческая цивилизация. Именно греками были сделаны крупные обобщения, выдвинуты многочисленные, зачастую умозрительные, фантастические гипотезы, которые в известной мере легли в основу современного естествознания.

Конечно их метод, их подход далек от современного научного подхода, особенности которого будут рассмотрены в следующей главе. Им представлялось достаточным выдвижение логичных объяснений тех или иных явлений. Проверка гипотезы экспериментом, определение воспроизводимости результатов не входили в круг приемов, использованных древней наукой.

Основоположником греческой науки и философии был Фалес (~ 600 г. до н.э.). Он собрал все, что было сделано в области геометрии, и привел ее в систему принципов и выводов, которые затем были развиты Эвклидом. Фалес знал: 1)что Луна светит отраженным солнечным светом, 2)он знал, что магнитный железняк притягивает железо, 3)обнаружил появление электрических зарядов при натирании янтаря, 4)он предложил общее объяснение устройства вселенной, предполагая, что вода является веществом, из которого построено все остальное.

Пифагор (-530г. до н.э.) и его ученики высказали предположение о том, что 3емля не плоская (как считал Фалес), а шарообразная.

В том же 6 веке до н.э. Гераклит высказал мысль о том, что Вселенная никем и никогда не была создана, что в ней нет ничего неизменного - все движется, изменяется, развивается.

В 5 веке до н.э. Демокрит и Левкипп пытались создать атомистическую теорию, чтобы объяснить строение материи и мира в целом. Они считали невероятным, что материю можно беспредельно делить на все более мелкие части. Должны существовать крошечные неделимые атомы. Материя по Демокриту состоит из атомов и пустоты.

Было бы наивно называть эту идею предвидением атомной химии, предложенной Дальтоном в 1800 году. Экспериментальных доказательств у Демокрита и Левкиппа не было. Они, как и многие ученые древности, основывались на фантастических предположениях, не сделали научного открытия, но выдвинули великую идею, которая должна была 2300 лет дожидаться научного воплощения.

В 4 веке до н.э. со взглядами на устройство Вселенной выступил великий греческий философ - Аристотель. Он выдвигал ряд догматических взглядов, на основе которых строил картину мира. Так, исходя из того положения, что сфера- это идеальная форма, он постулировал и сферические орбиты планет, и сферическую форму Солнца, Земли, Луны, планет.

Он приводил следующие доводы в пользу того, что Земля круглая:

1.Принцип симметрии: сфера симметрична и совершенна.

2.Давление: составные части Земли, естественно стремясь упасть к ее центру, сжимают ее в форме шара.

З.Тень: при затмении Луны край тени Земли, падающей на Луну, всегда имеет круглую форму.

4.Высота звезд на небе: даже при небольших путешествиях заметно изменение положения созвездий на небе.

Для характера мышления Аристотеля, да и многих его современников и последователей существенно то, что решающее значение имел довод о совершенстве сферической формы.

Аристотель обобщил огромное количество наблюдений, но предложенные им воображаемые схемы для объяснения явлений надолго - на тысячелетия были приняты как догмы. Своим учением Аристотель надолго закрепил мнение о Земле, как о неподвижном центре Вселенной.

У греков было немало гениальных догадок. В Ш веке до н.э. Аристарх Самосский сделал два упрощающих предположения о том, что:

1) Земля вращается и этим объясняется суточное вращение звезд.

2)Земля, как и планеты, вращаются вокруг Солнца и этим объясняются видимые перемещения Солнца и планет относительно звезд.

Аристарх пытался определить расстояние до Солнца, хотя и получил величину меньше действительной в 20 раз. Он же пришел к выводу, что звезды удалены на бесконечно большие расстояния, чем Солнце, а поэтому кажутся неподвижными.

Идеи Аристарха не были восприняты - они слишком противоречили традиционным взглядам, да к тому же все-таки были чистыми идеями и не были подтверждены измерениями. Сам же Аристарх был обвинен в безбожии и изгнан из родного города.

После походов Александра Македонского центр греческой культуры переместился в Александрию. Эрастофен (=235 год до н.э.), пользуясь результатами астрономических наблюдений и наземных измерений, определил размеры Земли (с ошибкой не более 5%), а последователи Аристарха и Эрастофена с ошибкой не более 1% определили расстояние от Земли до Луны. Деятельность Александрийской астрономической школы завершилась геоцентрической системой мира, созданной во 2 веке до н. э. Птоломеем. Приняв за основу идеи Аристотеля о шарообразной Земле, размещавшейся в центре мира, Птоломей нашел оригинальное объяснение наблюдаемым сложным движениям планет. По мнению Птоломея, каждая планета вращается вокруг некоторой точки, а эти точки, в свою очередь, вращаются вокруг Земли. Достоинством этого ошибочного представления было то, что оно позволяло вычислять положение планет на будущее. Геоцентрическую систему мира признавали более 1500 лет.

В Древнем Риме интенсивно развивались прикладные знания. Однако в науке римляне в основном обобщали и популяризировали взгляды и суждения греческих ученых. Наибольшим достижением эпохи Рима явилась великая поэма Тита Лукреция Кара "De rerum natura" (О природе вещей).

Лукреций Кар (99-55 годы до н.э.) создал произведение, отображающее догадки античных атомистов и материалистов, на удивление созвучные во многом с современными представлениями, хотя многие представления и Лукреция и его современников представляются очень наивными, например: "Солнце нам видно с Земли в его настоящих размерах, и полагать, что оно или больше, иль меньше, не должно…”

Отсутствие эксперимента было бичом и всех других отраслей знания. Античная медицина основывалась на опыте поколений, на изучении скелетов, на вскрытии животных. Великие врачи древности Гиппократ и Гален дали первые анатомо-физиологические описания целостного организма, обобщили опыт античной медицины. Но, в то же время, представления Галена о системе кровообращения были ошибочны, но приняты, как догма на полтора тысячелетия.

Далее, до середины ХУ-ХУ веков, развитие естествознания приостановилось. Жестокие монотеистские религии не нуждались в научных знаниях, так как все уже было сказано в "Библии" и "Коране". За истину были признаны и высказывания Аристотеля и других великих ученых древности. Ученые Востока в средние «века пошли дальше греков, но принципиальных сдвигов в познании мира не совершили. В то же время постепенно развивались ремесла. Люди создавали новые инструменты, новые приспособления, создавали базу для нового этапа развития естествознания. Интерес к античной культуре и науке, который возник в эпоху Возрождения, пробудил мышление, а наступавшая эпоха Великих географических открытий властно требовала новых знаний.

В 1543 г на смертном одре Николай Коперник увидел первый экземпляр своей книги - плод упорного тридцатилетнего труда, долгих наблюдений, сложных расчетов, в которой он доказал, что Земля вращается вокруг Солнца и является одной из планет. Гелиоцентрическая система бросила вызов многовековой традиции и встретила жесткое сопротивление. Так, в 1600 г на площади Цветов в Риме был заживо сожжен Джордано Бруно за пропаганду учения Коперника и за еще более смелое, но не доказанное утверждение о множестве планетных систем и обитаемых миров.

Но уже через 10 лет после гибели Бруно мир был потрясен открытиями Галилея. Впервые в истории астрономии небо начали наблюдать с помощью подзорных труб. Впервые были обнаружены горы, кратеры, трещины на Луне, спутники Юпитера, пятна на Солнце, доказано вращение Солнца. Одновременно с Галилеем наблюдал движение планет Иоганн Кеплер, открывший три закона, названные его именем, по которым совершается движение небесных тел в Солнечной системе.

Кеплер, дал красивую единую геометрическую схему построения орбит планет. Он писал: “Я принял размеры планетарных орбит в соответствии с астрономией Коперника, который в центре поставил неподвижное Солнце, а Землю сделал вращающейся как вокруг Солнца, так и вокруг своей оси”. Кеплер развеял “чары округленности“ Галилея.

Галилей в своих работах представлял систему мира Коперника с равномерным движением по окружности, хотя ему было известно из личной переписки с Кеплером, что планеты движутся по эллипсам с периодически меняющимися скоростями.

Так были сделаны первые шаги, ведущие к современной наблюдательной и вычислительной астрономии.

Не менее тяжким был путь и в познании человека и в борьбе с болезнями людей. По сути дела даже познание кровообращения человека до начала 17 века недалеко ушло от времен Клавдия Галена. Преследования Везалия, смерть в 1533 году на костре Сервета, предшествовали появлению в 1628 году книги Уильяма Гарвея (1578-1657) о движении сердца и крови у животных, написанию которой предшествовала тридцатилетняя работа, многочисленные вскрытия и животных и людей. В 1651 году появилась и вторая замечательная работа Гарвея “Исследования о рождении животных”. Он впервые описал развитие зародышей и твердо установил, что всё живое развивается из яйца. Гарвей узнал о строении организма далеко не все. Он так и не узнал, как попадает кровь из артерий в вены. Микроскопов еще не было, увидеть капилляры он не мог. Они были открыты только через 4 года после его смерти. По той же причине трудно было проследить все стадии развития зародыша. Не знал Гарвей и роли легких. Ведь в то время не знали состава воздуха, не представляли важность газообмена. Гарвей лишь отмечал, что в легких кровь охлаждается, но и изменяет свой состав.

Новый этап развития биологии в немалой степени связан с именем привратника ратуши города Делфта Антония Левенгука (1632-1723). Левенгук изготовил первые микроскопы и впервые увидел мир микробов. “С величайшим удивлением я увидел под микроскопом невероятное количество маленьких животных в таком крошечном кусочке вышеуказанного вещества (налета с зубов)”, - писал он в Лондонское королевское общество. Левенгук впервые увидел и капилляры в кровеносной системе, и тельца, входящие в состав крови, и сперматозоидов в семенной жидкости. По сути дела он открыл людям новый мир и невероятно расширил познания о нем. И, что самое важное, он дал исследователям новое средство и новый способ проведения исследований.

В конце 17 века появились первые научные журналы, и новая информация, новые открытия становились достаточно быстро известными широкому кругу специалистов. Это ускоряло обмен информацией и подталкивало людей к новым и новым открытиям.

Именно в 17 веке произошло то, что дало основание говорить о научной революции - выдвижение новых принципов познания, категорий, методов. Социальным стимулом развития науки стало растущее капиталистическое производство, которое требовало новых ресурсов и машин. Только в 17 веке наука стала рассматриваться в качестве способа увеличения благосостояния населения и обеспечения господства человека над природой.

Стиль мышления в науке с тех пор характеризуется следующими двумя чертами: 1)опора на эксперимент, поставляющий и проверяющий результаты; 2)господство аналитического подхода, направляющего мышление на поиск простейших, далее неразложимых первоэлементов реальности.

И далее развитие естествознания шло со все нарастающей скоростью: законы механики, закон всемирного тяготения, открытые Ньютоном в конце ХУП века, открытие Гальвани животного электричества и создание электрических батарей и первых статических электрогенераторов Алессандро Вольта, открытие состава воздуха Ломоносовым и Лавуазье в ХУШ веке, и установленные ими же законы сохранения массы, обнаружение Деви целой плеяды новых химических элементов в первые годы Х1Х века и атомная теория Дальтона - все это дало толчок бурному развитию науки и техники в Х1Х веке и, главное, установлению тех законов и правил, по которым развивается наука. На смену умозрительному и бездоказательному выдвижению идей, на смену придумыванию названий вместо того, чтобы разобраться в существе явлений ("жизненная" или "производящая" сила, флогистон или теплород), пришли строгий эксперимент, строгое доказательство предположений, стремление разобраться в причинах любых вещей и событий.

Зародилась современная атомная физика, развивалась химия, химия давала для физики новые идеи, и физика пошла по традиционному пути построения моделей веществ, так, в частности, возникла модель Резерфорда, дополненная постулатами Бора. В результате развития квантовой механики стало возможным прийти к пониманию строения всех химических элементов таблицы Менделеева. Была создана теория химической связи. На стыке наук возникали новые области знаний, и стало совершенно очевидно, насколько условны границы между науками. Например, создание молекулярной биологии, которая изучала проявления жизни на молекулярном уровне, дало понимание многих важных процессов, ранее считавшихся монополией биологии (дыхание, раздражение). Эти процессы являются химическими процессами. Химическую природу имеет даже процесс деления клетки, но жизнь не сводится только к физико-химическим процессам. Физики, пришедшие в биологию в 20 веке, сумели расшифровать рентгенограммы ДНК и проникнуть в самые глубинные тайны жизни.

В математике появилась возможность решать на ЭВМ невероятно сложные нелинейные уравнения с огромным числом взаимосвязанных параметров. Были разработаны новые методы и разделы математики, такие, как теория катастроф, кибернетика, теория вероятностей.

В 19 веке естествознание движется семимильными шагами. В начале века Майкл фарадей устанавливает законы электромагнитной индукции, выводит науку об электричестве и магнетизме на широкую дорогу развития, ведущую в ХХ век.

Выдающийся вклад в науку внес Луи Пастер (1822-1895).

Он доказал и объяснил существование оптической изомерии органических веществ. Он доказал, что микробы не могут самозарождаться (многие ученые до работ Пастера были убеждены в обратном). Блестящие работы Пастера доказали, что именно микробы являются носителями многочисленных болезней, и он научно обосновал методы борьбы с вредными микробами и инфекционными болезнями. Пастер победил многие болезни, в том числе такие, как сибирская язва и холера, Пастер победил ранее неизлечимое бешенство. И Вечным памятником Пастеру служит созданный при его жизни Пастеровский институт в Париже - всемирный штаб борьбы с инфекциями.

Чем дальше, тем большими темпами развивалось естествознание. Сегодня трудно даже представить, что автомобиль и радио, радиоактивность и элементарные частицы, законы наследственности известны людям менее ста лет, а научная база для развития производства полимеров и синтетических волокон, носители наследственности, полупроводники и персональные компьютеры стали известны менее 40-50 лет назад.

Наука росла не только вглубь, но и вширь. От каждой большой науки отпочковывались новые и новые отрасли. Многие отрасли создавались на стыке наук. Чтобы представить себе панораму современных естественных наук, обратимся к Правительственному Постановлению о номенклатуре специальностей научных работников. Эта номенклатура отражает многообразие наук, те самостоятельные направления, которые ответвляются от единого научного дерева.

Так к математике относят математический анализ, дифференциальные уравнения в математической физике, геометрию и топологию, теорию вероятностей и математическую статистику, математическую логику, алгебру и теорию чисел, вычислительную математику, математическую кибернетику, математическое обеспечение вычислительных машин и систем.

Механика включает теоретическую механику, строительную механику, механику деформируемого твердого тела, механику жидкостей, газа и плазмы, динамику, прочность машин, приборов и аппаратуры, механику сыпучих тел, грунтов и горных пород.

Астрономия подразделяется на астрометрию и небесную механику, астрофизику и радиоастрономию.

Физика имеет целых 18 ветвей: экспериментальная физика, теоретическая и математическая физика, радиофизика, включая квантовую радиофизику, физическая электроника, в том числе, квантовая, оптика, акустика, физика твердого тела, физика и химия плазмы, физика низких температур и криогенная техника, физика полупроводников и диэлектриков, физика магнитных явлений, геофизика, электрофизика, теплофизика, молекулярная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц, химическая физика, в том числе физика горения и взрыва, кристаллография и кристаллофизика, физика и механика полимеров.

Химические науки включают неорганическую химию, аналитическую химию, органическую химию, физическую химию, электрохимию, химию высокомолекулярных соединений, химию элементоорганических соединений, радиационную химию, биоорганическую химию, химию природных и физиологически активных веществ, коллоидную химию, химию нефти и нефтехимический синтез, радиохимию, химическую кинетику и катализ.

Очень широк круг биологических наук. В него входят радио - биология, биофизика, молекулярная биология, биохимия, ботаника, вирусология, микробиология, зоология, энтомология, ихтиология, эмбриология и гистология, физиология растений, физиология человека и животных, антропология. генетика, экология, цитология, гидробиология, паразитология, гельминтология и бионика.

Разнообразны геолого-минералогические науки. В их числе геология, геохимия, биогеохимия, геотектоника, гидрогеология, инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение, петрография и вулканология, палеонтология и стратиграфия, геология океанов и морей, металлогения, геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых, геология, поиски и разведка рудных и нерудных месторождений, геология, поиски и разведка месторождений твердых горючих ископаемых, геология, поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений, методика и техника поисков и разведки полезных ископаемых, минералогия, литология.

С естественными науками тесно связаны многочисленные технические науки, которых естественные науки снабжают идеями, фундаментальными знаниями, методами исследования, науки сельскохозяйственные и географические. Последние, включающие биогеографию и географию почв, геоморфологию и палеогеографию, гидрологию суши и водные ресурсы, океанологию, метрологию, климатологию, физику атмосферы, гидрохимию, рациональное использование природных ресурсов и охрану природы являются также естественными науками.

На естественных науках базируются также многочисленные медицинские и психологические науки.

И за каждой наукой многочисленные и разнообразные научные школы, десятки международных журналов. Так выглядит современное естествознание.

В авангарде науки идут фундаментальные исследования. Внимание к ним резко возросло, после того как, А. Эйнштейн сообщил в 1939 году президенту США Рузвельту о том, что физиками выявлен новый источник энергии, который позволяет создать невиданное доселе оружие массового уничтожения.

Современная наука - “дорогое удовольствие”. Строительство синхрофазотрона, необходимого для проведения исследований в области физики элементарных частиц, требует миллиарды долларов, а космические исследования? В развитых странах на науку сегодня затрачивается 2-3% валового национального продукта. Но без этого невозможны ни достаточная обороноспособность страны, ни ее производственное могущество.

Наука развивается по экспоненте: объем научной деятельности, в том числе мировой научной информации в 20 веке, удваивается каждые 10-15 лет. Растет число ученых, наук. В 1900 году в мире было 100 тыс. ученых, сейчас 5 миллионов (один из 100 человек, живущих на Земле). 90% всех ученых, когда-либо живущих на планете - наши современники. Процесс дифференциации научного знания привел к тому, что сейчас насчитывается больше 15 тысяч научных дисциплин.

Итак, развитие естествознания шло от непосредственного созерцания природы, через расчленение знаний и через анализ внутри отдельных научных дисциплин к синтезу наук, к воссозданию картины мира. Затем научные открытия ускорили развитие техники и технологий, требовавших от нее, в свою очередь, новых открытий. Таким образом, наука, превратившись в производственную силу, в корне изменила жизнь человеческого общества.

Наука продолжает стремительно специализироваться, совершенствуется оборудование, разветвляется математический аппарат. В числе концепций современного естествознания особый интерес вызывает синергетика - прокладывает путь к построению единой теории самоорганизации в сложных системах - физических, химических, биологических. Синергетика исследует совместное действие многих элементов систем, кооперирует (соединяет) действие многих научных дисциплин. Синергетический подход позволяет понять процессы развития материи, позволяет единым образом описать процессы в живой и неживой природе, в отдельном организме, в обществе.
3. Общие принципы и методы современного естествознания. Единство мира и тенденции его развития
Если мы посмотрим вокруг себя, мы видим несметное множество объектов, претерпевающих непрерывное изменение и движение на небе и на Земле. Они обладают различными свойствами и качествами, среди этих объектов мы находим любые: от самых простых - газов и жидкостей и твердых тел, до таких сложных, как растения, животные и человек. Поведение всех этих форм материи очень сложно и запутано. И все же мы можем отметить некое подобие порядка в природе. Мы замечаем сходство между различными объектами, мы разбиваем их на классы. И видим какие-то закономерности в живой и неживой природе. Материалы, из которых состоят эти объекты, можно разделить по типам, таким, как горные породы, металлы, жидкости, органические вещества и т. д. Эти вещества сильно отличаются по своим свойствам, но мы везде видим одни и те же металлы, горные породы, органические вещества и т.п. Кусок золота остается таким же, где бы его не нашли. В мире живого мы тоже находим сходства, мы находим бактерии, деревья, цветы, животных, в пределах каждой такой группы мы видим общие свойства и безошибочно относим всех представителей любой группы к определенному виду.

Мы хотим знать, почему в природе существуют специфические формы, почему они именно таковы, почему они ведут себя именно так, как мы видим. Оказывается, что все в мире, во Вселенной, взаимосвязано. Существует материальное единство мира. Действительно, данные современной науки говорят о том, что природа в своей основе проста и едина. Достаточно упомянуть, например, об относительно малом числе элементарных частиц в физике и о весьма ограниченном наборе материальных носителей генетической информации в биологии, т.е. об атомах, объединяющихся в молекулу - неживая природа и живые объекты - клетки и молекулы. Именно эти простейшие сущности порождают огромное разнообразие материального мира и явлений, происходящих в нем. За последние годы многое удалось понять в механизме развития - в эволюции живой и неживой материи, это развитие от простого к сложному, от неупорядоченного хаоса к высоко дифференцированным единицам, от неорганизованного к организованному. Этот единый процесс развития охватывает неживую природу, жизнь, общество - всю Вселенную. Если существует единый процесс развития, то это объясняет важность тех немногочисленных законов эволюционного процесса, которые определяют поведение систем. Эти законы одинаковы для всех объектов. Такие законы природы не знают исключений и их предсказательная ценность исключительно велика

Таким образом, существуют объективные законы природы. Задача науки состоит в их открытии.

Но, как правило, действие законов природы ограниченно той областью, для которой они справедливы.

Закон всемирного тяготения - универсальный закон природы, открытый Ньютоном. Он объясняет не только притяжение каждой частицы вещества Землей, но и справедлив для всей Вселенной. Движение Луны вокруг Земли, планет вокруг солнца основано по той же силе - тяготение. Благодаря своей всеобщности сила тяготения действует и за пределами солнечной системы и даже за пределами нашей Галактики. Звезды каждой Галактики влияют друг на друга вследствие действия сил притяжения, и каждая галактика притягивает другие галактики. Универсальность этого закона, справедливость его для всей Вселенной стала понятной благодаря Исааку Ньютону. Однако, Ньютон рассматривал классическую механику, в которой пространство и время считались независимыми друг от друга. Классическая механика имеет определенные границы применимости. В этих границах она работает великолепно - на ее основе вычисляют траектории планет, искусственных спутников, решаются задачи техники.

Ньютон считал, что существуют абсолютное пространство и абсолютное время. Абсолютное пространство определялось им как безотносительно к чему-либо внешнему, оно остается всегда одинаковым и неподвижным. В соответствии с этим считалось совершенно очевидным, что два события, одновременные в какой-либо системе отсчета, будут одновременными и во всех остальных системах отсчета.

На смену метафизическим идеям Ньютона об абсолютном пространстве и времени пришло новое понимание естествознания.

В работах Эйнштейна (1905 г.) был высказан принцип относительности, который явился чрезвычайно общим и широким принципом естествознания. Эйнштейн пришел к выводу, что абсолютной системы отсчета не существует. Механическое движение тела относительно, то есть о движении тела в пространстве можно говорить лишь в том случае, если указано, по отношению к какому телу происходит движение, относительно какого тела происходит перемещение.

Теория относительности, или релятивистская теория, была создана Эйнштейном в 1905 году. Она включает в себя теорию пространства - времени, механику быстрых движений со скоростями, близкими к скорости света.

Выводы из теории относительности широко проникли в механику, термодинамику, оптику и электродинамику. Направление развития естествознания, в котором использовалась теория относительности, называется релятивистским. Теория относительности впервые установила, что масса тела при увеличении скорости увеличивается. В отличие от классической механики, рассматривающей малые скорости, при малых скоростях изменение массы не учитывается. Поэтому движение тел в космосе и вообще все явления, наблюдаемые в бескрайнем космическом пространстве, было бы совершенно невозможно понять без релятивистской механики, так как скорости движения всех тел в космосе (звезды, космическая пыль, планеты) достигают огромных величин.

Не меньшее значение имеет релятивистская механика и для понимания строения и движения элементарных частиц, образующих вещество. Теория относительности не отменила законов Ньютона, она просто ограничила их применимость скоростями значительно меньшими скорости света.

Основным законом в естествознании является закон сохранения материи. Но материи свойственно движение, а движение можно выразить через энергию, то есть энергия является одной из основных количественных характеристик материи. Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Энергия может переходить из одних форм в другие, от одних тел к другим, но общее ее количество не может изменяться ни при каких условиях. Этот закон был открыт в 1841-1847 годах Робертом Майером и Гельмгольцем. Это закон сохранения и превращения энергии. Этот закон (основной закон природы) был открыт при изучении живых организмов.

Майер обратил внимание, что у людей, живущих в тропиках, венозная кровь по яркости окраски приближается к артериальной. Отсюда он заключил, что при повышенной температуре окружающей среды нужна меньшая затрата энергии для поддержания постоянной температуры тела. Дальнейший ход рассуждений привел Майера к формулировке общего закона.

Другой не менее важной характеристикой материи является масса. Закон сохранения массы впервые был открыт в средине 18 века Ломоносовым. Если выделить совершенно изолированную систему тел, то при всех условиях общая энергия и общая масса этих тел остается совершенно неизменными. В этом состоит закон сохранения энергии.

Закон сохранения энергии просуществовал безмятежно целых полвека (с 1847 г). Он объяснял все земные проблемы. Разумеется, астрономы задумывались, откуда берутся гигантские потоки энергии, излучаемой Солнцем в течение всей долгой истории Солнечной системы, и не могли найти ответ, который бы их удовлетворил и этот закон. Это было, пока не открыли радиоактивность.

В 1896 г. появилась необходимость узнать, откуда берется огромная энергия, излучаемая радиоактивными веществами. И примерно лет 10 закон сохранения энергии переживал трудные времена. Затем в 1905 году Эйнштейн доказал (математически), что масса и энергия не могут существовать независимо друг от друга. Если от одного тела другому телу передается энергия, то вместе с этой энергией передается всегда и некоторая масса. Количество передаваемой массы не может быть меньше совершенно определенной величины. Эта величина - наименьшая масса, передаваемая вместе с определенным количеством энергии. То есть всякое изменение энергии тела сопровождается изменением массы тела, и наоборот, всякое изменение массы сопровождается изменением энергии. Это - закон взаимосвязи или закон пропорциональности массы и энергии, установленные Эйнштейном. Таким образом, всю энергию, высвобождаемую в процессе радиоактивности, следует отнести за счет исчезновения массы столь малой, что измерить потерю обычными методами просто невозможно. Эта идея указала на источник энергии, объясняющий природу излучения Солнца и других звезд. После 1905 года теорию Эйнштейна снова и снова не утверждали эксперты физиков, и в 1945 году - апофеозом этих доказательств стал взрыв атомной бомбы, то есть закон сохранения энергии теперь незыблем.



Законы термодинамики. Принцип возрастания энтропии. Соотношение порядка и беспорядка в природе
К числу наиболее общих законов природы, истории подчиняются как живые, так и неживые тела, относятся законы термодинамики. Этим законам подчиняются любые превращения энергии. То есть термодинамика занимается изучением энергии, превращением энергии из одной формы в другие.

Слово термодинамика происходит от греческого слова термос (тепло) и динамос (сила, мощь). Классическая термодинамика занимается исследованием энергии и работы в макроскопических системах, то есть рассматривает общие свойства всей системы.

Химическая термодинамика изучает превращение энергии при химических реакциях. Она является важной частью химии и может использоваться: 1) для предсказания возможности протекания химической реакции в результате смешивания двух веществ; 2) для вычисления количества энергии, которое теоретически необходимо для проведения реакции.

Первый закон термодинамики, или первое начало термодинамики - это и есть закон сохранения энергии - “энергия не создается и не уничтожается, но может превращаться из одной формы в другую”.

Согласно этому закону при любых химических, физических взаимодействиях, при любом перемещении вещества, при любом изменении температуры энергия не возникает и не исчезает, только превращается из одного вида в другой.

Закон подразумевает, что в результате превращений энергии никогда нельзя получить ее больше, чем затрачено: выход энергии всегда равен ее затратам, нельзя из ничего получить нечто, за все нужно платить.

Но можно подумать, что энергия всегда будет существовать в достаточном количестве. Однако если вы будете ездить на автомобиле, наполнив бак бензином, или у вас будет постепенно садиться батарейка карманного фонарика, вы будете что-то терять. Что? Качество энергии. Множество опытов показывают, что в процессе любого превращения энергии из одного вида в другой всегда происходит снижение качества энергии, или уменьшается количество полезной энергии. Под качеством энергии понимают меру ее эффективности, или способность совершать полезную работу. Все, что мы наблюдаем в природе, сформулировано во 2-м законе термодинамики: при любом переходе из одного вида в другой некоторое количество первичной энергии всегда теряет свое качество и, следовательно, способность выполнять полезную работу. Другая формулировка 2-го закона: невозможна самопроизвольная передача теплоты от более холодного к более горячему телу. 2-ой закон термодинамики подразумевает также, что мы практически никогда не можем восстановить или повторно использовать высококачественную энергию для выполнения полезной работы. Будучи однажды использованной, энергии, которая содержалась в хлебе, бензине, каменном угле, куске урана, выполняет работу и рассеивается в окружающей среде в виде низкокачественного тепла.

Для определения степени неупорядоченности состояния вещества в науке употребляется термин “энтропия”(S). Энтропия - это мера хаотичности, беспорядка или неупорядоченности в системе. Например, частицы газа находятся в хаотичном движении, они более не упорядочены, чем частицы твердых тел. Следовательно, энтропия газов больше, чем энтропия твердых тел.

Вещество высокого качества, хорошо упорядоченное или сконцентрированное или высококачественная энергия - обладает низкой энтропией. Вещество низкого качества, рассеянное или энергия, рассеивающаяся в окружающую среду, характеризуется высокой энтропией. Таким образом, энергия низкого качества, обладающая высокой энтропией, рассеяна настолько, что не способна выполнять полезную работу, то есть высококачественная энергия (низкая энтропия) в отличие от вещества не может быть восстановлена или использована повторно.

Представление об энтропии (от греческого слова trope - обращение, изменение) было введено около 1850 года в качестве термодинамической величины при анализе эффективности тепловых двигателей. Через 30 лет Больцман предложил эту термодинамическую величину (S) отождествлять со значением мультиплетности, неупорядоченности.

Рассмотрим в действии 2-ой закон термодинамики. Пример 1-й - когда движется автомобиль, в механическую энергию, приводящую его в движение, и электрическую энергию всех его систем превращается всего лишь около 10% получаемой при сгорании бензина высококачественной химической энергии. Остальные 90% в виде бесполезного тепла рассеиваются в окружающей среде и, в конечном счете, теряются в космическом пространстве.

Пример 2-й - когда электрическая энергия проходит через проволоку накаливания, 5% этой энергии превращается в полезное световое излучение, а 95% в виде тепла рассеивается в окружающей среде.

Пример 3-й - когда вы едите растительную пищу, например яблоко, его высококачественная химическая энергия в Вашем организме превращается в высококачественную электрическую и механическую энергии, используемые для движения и обеспечения других процессов жизнедеятельности, а также в низкокачественное тепло.

Таким образом, общее количество концентрированной высококачественной энергии, которую мы можем получать из всех источников, постоянно сокращается, превращаясь в низкокачественную энергию.

Все виды энергии (потенциальная, кинетическая, тепловая, химическая, электрическая, магнитная) - непосредственно служат источниками работы, производимой в природе и технике. Работа представляет собой превращение одного вида энергии в другой. Энтропия может служить мерой обесценения энергии.

Можно считать ценностью энергии возможность ее превращения в полезную работу. Энергия превращения в работу E=A-TS,

чем больше выделяется теплоты (TS), то есть чем больше S, тем меньше полезная работа, то есть тем меньше ценность энергии E. Обычно в процессах, сопровождаемых выделением теплоты (в механических процессах), происходящих с трением, часть энергии превращается в теплоту.

Направление и течение всех реальных процессов задается изменением S. Все реальные процессы необратимы (в изолированной системе) и направлены в сторону увеличения S.

На первый взгляд, живой организм существует вопреки термодинамике. Согласно второму закону термодинамики, упорядоченность изолированной системы должна убывать, при возрастании меры неупорядоченности - S увеличивается.

Напротив, организм непрерывно создает порядок из порядка в смысле самовоспроизведения и порядок из беспорядка в силу обмена веществ. То есть из неупорядоченной системы малых молекул, получаемых организмом в процессе питания и дыхания, создается состояние высокой упорядоченности, то есть организм растет и развивается.

Значит ли это, что живые организмы не подчиняются законам физики? Закон возрастания энтропии справедлив для изолированной системы. В открытой системе, то есть в системах, обменивающихся с окружающей средой веществом и энергией, возникают иные ситуации.

Организмы, живая природа и биосфера являются открытыми системами и для них характерно возрастание общей энтропии системы, которая складывается из уменьшения S живого организма, из роста его упорядоченности и увеличения S выделяемых веществ, то есть повышения общего беспорядка системы.

Деятельность человека - посадка, выращивание, переработка и приготовление пищевых продуктов требуют использование высококачественных ресурсов вещества и энергии, а в окружающую среду при этом выбрасываются тепло и отходы. Громадное количество тепловой энергии и отходов поступает в окружающую среду при эксплуатации богатых месторождений полезных ископаемых, промышленной их переработке или сжигания для отопления, при движении транспортных средств, строительстве и при производстве всего необходимого человеку.

Некоторые из этих процессов способствуют созданию высокоорганизованных веществ, сложных органических молекул и развитию живых организмов, повышая этим, степень порядка материи, но одновременно эти же процессы сопровождаются изменением увеличения энтропии окружающей среды. Поэтому общее количество энтропии в виде низкокачественного тепла и неупорядоченного отходов вещества, которое образовалось при обеспечении жизнедеятельности какого-либо организма или при производстве всего вам необходимого, намного превышает масштабы создания при этом высокоорганизованного вещества и соответствующих запасов высококачественной энергии в вашем организме.

Таким образом, все формы жизни - это крошечные хранилища порядка, который поддерживается созданием океана беспорядка в окружающей их среде.

Значит, основной характеристикой любого развитого промышленного общества является - постоянное использование возрастающий приток высококачественной энергии и ресурсов вещества для того, чтобы на высоком уровне поддерживать порядок в отдельных человеческих организмах и в том, что мы называем цивилизацией.

Современное развитое промышленное общество способствует увеличению энтропии окружающей среды в большей степени, чем когда-либо в истории человечества.

Это энтропийный капкан. По 2-му закону термодинамики - избежать увеличения энтропии окружающей среды нельзя, но можно попытаться сократить или свести к минимуму то количество S, которое мы производим сами. И если все большее и большее количество людей возрастающими темпами будет продолжать использовать ресурсы и создавать отходы, рано или поздно способность окружающей среды рассеивать и разрушать выброшенные вещества и поглощать выпущенное тепло окажется превышена на всех уровнях - локальном и глобальном.

Одним из кардинальных решений проблемы отходов является преобразование общества, производящего отходы, в общество, утилизирующее отходы, то есть необходимо вторичное использование ресурсов вещества. Но общество, использующее свои отходы, должно обладать неисчерпаемыми источниками доступной высококачественной энергии, так как вторичная переработка вещества также требует затрат высококачественной энергии. Наилучшим путем решения проблем сохранения окружающей среды и ее ресурсов является переход к природосберегающему обществу. Ученые прогнозируют, что в соответствии с законом сохранения вещества и двумя законами термодинамики рано или поздно мы будем вынуждены во всем мире создать природосберегающее общество. Такое общество будет основываться на повышении эффективности использования энергии, сокращения ненужных затрат и потерь энергии, вторичном использовании ресурсов вещества, сокращения отходов производства.

Целью природосберегающего общества должно быть уменьшение энтропии. В основу его модели необходимо положить те же принципы, с помощью которых осуществляется устойчивое развитие живых организмов в природе. Это общество не должно ограничиваться решением проблем повторного использования ресурсов.

“Второй закон термодинамики занимает особое место среди законов природы. Если Ваша теория противоречит второму закону, Ваше дело безнадежно” Артур Эддингтон (1882-1944).
Принципы и методы установления закономерностей в естествознании.
В своей деятельности человек получает разнообразную и часто противоречивую информацию. Чему можно верить? Как оценить эту информацию, как ее обобщить? Рассмотрим, что же такое наука и что такое научные методы в современном естествознании.

Как мы уже установили ранее, наука прямо противоположна принятию чего бы то ни было на веру. Главное в науке – проверять! Научный метод начинается с наблюдений объектов и событий и ведет к построению теорий и их проверке. Рассмотрим последовательно эти этапы:





Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©geo.ekonoom.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница