Тольятти 2008

ФФФЕЕЕДДДЕЕЕРРРАААЛЛЛЬЬЬНННОООЕЕЕ АААГГГЕЕЕНННТТТСССТТТВВВООО ПППООО ОООБББРРРАААЗЗЗОООВВВАААНННИИИЮЮЮ

ФФФИИИЗЗЗИИИКККООО---ТТТЕЕЕХХХНННИИИЧЧЧЕЕЕСССКККИИИЙЙЙ ИИИНННСССТТТИИИТТТУУУТТТ

Кафедра «Общая и теоретическая физика»

Азовский В.М., Антонов В.В.

ПОСОБИЕ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ СЕМИНАРСКИХ ЗАНЯТИЙ И

КРУГЛЫХ СТОЛОВ

КОНЦЕПЦИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

2

Содержание Семинар I-1. Наука как особая сфера культуры..............................................................................4

Литература .....................................................................................................................................4 Вопросы для обсуждения..............................................................................................................4 Темы докладов ...............................................................................................................................5

Семинар I-2. Первобытный, неолитовый и античный периоды накопления рациональных знаний о природе ................................................................................................................................5

Литература .....................................................................................................................................5 Вопросы для обсуждения..............................................................................................................5 Темы докладов ...............................................................................................................................6 Терминология.................................................................................................................................7

Семинар I-3. Естествознание средневековья, Возрождения и периода научной революции XVII-го века ........................................................................................................................................7

Литература .....................................................................................................................................7 Вопросы для обсуждения..............................................................................................................7 Темы докладов ...............................................................................................................................8 Терминология.................................................................................................................................8

Семинар I-4. Естествознание в период XVIII – XIX вв. .................................................................8 Литература .....................................................................................................................................8 Вопросы для обсуждения..............................................................................................................9 Темы докладов ...............................................................................................................................9

Семинар I-5. Современная естественнонаучная картина мира и перспективы развития естествознания в XXI в. ...................................................................................................................10

Литература ...................................................................................................................................10 Вопросы для обсуждения............................................................................................................10 Темы докладов .............................................................................................................................11 Структура современной естественнонаучной картины мира .................................................11

Семинар II-1. Космологические концепции и эволюционная физика Вселенной.....................11 Литература ...................................................................................................................................11 Вопросы для обсуждения............................................................................................................12 Темы докладов .............................................................................................................................13 Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции ............................13

Классическая ньютоновская и первая эйнштейновская космологические модели Вселенной ....................................................................................13

Фридмановские модели Вселенной ...........................................................................................15 Модель горячей Вселенной или Большого Взрыва.............................................................16 Инфляционная модель Вселенной ........................................................................................17

Семинар II-2. Химическая эволюция материи ..............................................................................18 Литература ...................................................................................................................................18 Вопросы для обсуждения............................................................................................................19

Этапы становления и развития химии ..................................................................................19 Этапы появления концептуальных систем химических знаний или картина современной химии..................................................................................................19 Химическая эволюция жизни ................................................................................................19

3

Возникновение и развитие научной химии..........................................................................19 Терминология...............................................................................................................................20 Возникновение и развитие научной химии ..............................................................................20

От алхимии к научной химии ................................................................................................20 Лавуазье: революция в химии ...............................................................................................21 Победа атомно-молекулярного учения.................................................................................22

Семинар II-3. Биологическая эволюция материи..........................................................................23 Литература ...................................................................................................................................23 Вопросы для обсуждения............................................................................................................23

Становление и развитие научных знаний о живой материи ..............................................23 Живая природа в естественнонаучной картине мира..........................................................24 Возникновение жизни на Земле ............................................................................................24

Темы докладов .............................................................................................................................25 Семинар II-4. Биосфера. Человек. Ноосфера.................................................................................25

Литература ...................................................................................................................................25 Вопросы для обсуждения............................................................................................................25

Биосфера ..................................................................................................................................25 Происхождение и эволюция человека. Антропосоциогенез ..............................................26

Темы докладов .............................................................................................................................26 Круглый стол I. Методология и история естествознания. Становление научных картин мира ................................................................................................26

Вопросы для круглого стола ......................................................................................................26 Методология современного естествознания ........................................................................26 История естествознания .........................................................................................................26 Становление научных картин мира ......................................................................................27

Круглый стол II. Эволюция живой и неживой природы. Эволюция общества .........................27 Вопросы для круглого стола ......................................................................................................27

Эволюция Вселенной .............................................................................................................27 Химическая эволюция преджизни ........................................................................................27 Биологические эволюционные теории .................................................................................27 Возникновение жизни на Земле ............................................................................................28 Антропосоциогенез.................................................................................................................28

4

Семинар I-1. Наука как особая сфера культуры

Литература Основная 1. Найдыш В.М.. Концепции современного естествознания. М.: 2003. 2. Концепции современного естествознания./ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников. М.: 2001. 3. Горелов А.А.. Концепции современного естествознания. Курс лекций. – М., 2003. 4. Тулинов В.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. 5. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М.: Академический Проект,

2004. 6. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. – М.: ООО «Издательский дом

«ОНИКС 21 век», 2005. 7. Канке В.А. Концепции современного естествознания. – М.: Логос, 2004. Дополнительная 1. Ахутин А.В. Понятие «природа» в античности и в новое время. – М.: 1988. 2. Бургин М.В., Кузнецов В.И. Аксиологические аспекты научных теорий. – Киев, 1991. 3. Григорьев В.И. Наука в контексте культуры. – М., 1981. 4. Ильин В.В. Критерии научности знания. – М., 1989. 5. Кассирэр Э. Естественнонаучные понятия и понятия культуры / Вопр. философии.

1995/8. 6. Степин В.С. Философская антропология и философия науки. – М., 1986. 7. Философия науки / Мел Томпсон. – Пер. с англ. А. Гарькавого. – М.: ФАИР-ПРЕСС,

2003. 8. Власова С.В. Естественнонаучная культура, или Наука для каждого. – М.: Изд. МПСИ,

2004. 9. Лешкевич Т.Г. Философия науки. – М.: ИНФРА-М, 2006. 10. Эбелинг В., Р. Файстель. Хаос и космос: синергетика эволюции. – Москва-Ижевск, 2005.

Вопросы для обсуждения 1. Чем вызвано появление в системе высшего образования дисциплины «Концепции со-

временного естествознания»? 2. Что взято за методологическую основу читаемого курса? 3. Что такое наука? Характерные особенности научного знания. Элементы научного знания

и результаты (конечный продукт) науки. 4. Метод. Сущность научного метода. Привести примеры различных методов познания. 5. Сформулировать основные этические ценности мира науки. Почему на рубеже XX – XXI

вв. повысилась актуальность этики науки? 6. Что представляет собой научное познание, его уровни (теоретический и эмпирический) и

критерии. 7. Назвать основные научные методы математики и научный критерий математики. Про-

комментировать утверждение «Книга Природы написана языком математики». Кто ав-тор этого утверждения?

8. Каково основное различие в методах естественных и гуманитарных наук? 9. Что представляет собой научный закон? В чем сходство и различие научного и правово-

го законов?

5

10. Какова роль в научном знании: теории, гипотезы, эксперимента? 11. В чем отличие донаучного знания от научного? 12. Сформулировать принципы, критерии и нормы научности знания. 13. Назвать значимые научные революции за период развития науки. Какая связь между па-

радигмой в науке и научной революцией? Сходство и различие научной и социальной революций.

14. Назвать современные модели построения научного знания и раскрыть их содержание. 15. Общие модели развития науки. Сравнить: методологию научного исследования и мето-

дологию научно-исследовательских программ. 16. Дать определение-характеристику понятию «научная картина мира». 17. Принципы построения современной естественнонаучной картины мира. 18. В чем проявляются расхождение и единство материальной и духовной культур? 19. Назвать основные «критерии» науки как социального явления.

Темы докладов 1. Наука как особая сфера человеческой деятельности. 2. Классификация наук. 3. Наука и религия 4. Этические проблемы науки. 5. Место и роль науки в общественной жизни современного человека. 6. Современное естествознание и научно-техническая революция. 7. Научные революции XX века. 8. Роль математики в современном естествознании. 9. Теория познания и современное естествознание. 10. Перспективы современного естествознания.

Семинар I-2. Первобытный, неолитовый и античный периоды накопления рациональных знаний о природе

Литература Основная 1. В.М. Найдыш. Концепции современного естествознания. М.: 1999, 2003. Дополнительная 2. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. – М.: Агар, 1996. 3. Клайн М. Математика. Поиск истины / Пер. с англ. – М.: Мир, 1988. 4. Философия. Основные идеи и принципы. / Под общ. ред. А.И. Ракитова. – М, 1990. 5. Мечников Л.И. Цивилизация и великие исторические реки. М., 1975. 6. Ильин. В.В. Теория познания. Эпистемология. Изд-во МГУ. – 1994. 7. Лешкевич Т.Г. Философия науки. – М.: ИНФРА-М, 2006.

Вопросы для обсуждения 1. Почему первобытной культуре свойственна синкретичность? Привести примеры прак-

тических умений и навыков первобытного человек.

6

2. Сформулировать важнейшую черту развивающегося первобытного сознания. Как совре-менная наука воспроизводит становление количественных представлений и системати-ческого счета в первобытном обществе?

3. Зарождение астрономических знаний в первобытном обществе. Привести примеры, ука-зывающие на применение в древности астрономических знаний.

4. Мифологическое сознание и его отличительная особенность, основные черты и своеоб-разие.

5. Привести примеры зооморфного видения мира и в «образе мирового дерева» в древних мифах.

6. Как изображался хаос и космос в древнегреческих космогонических мифах? 7. Значение неолитической революции в истории становления цивилизации. 8. Первый и второй металл, освоенный человеком? К каким политическим последствиям

привело широкое использование в трудовой деятельности второго металла? 9. Какие новые типы общения, новые социальные отношения, уровень самосознания чело-

века - присущи цивилизации и сам человек – стать цивилизованным? 10. Какова причина доминирования ценностных форм сознания над рациональными формы

сознания в эпоху неолита? 11. Важнейшее достижение гомеровского периода (XI-IX вв. до н.э.) и предпосылки подъе-

ма греческой материальной и духовной культуры в VIII – VI вв. до н.э. и возникновения рационалистических форм культуры (науки и философии) в истории Древней Греции.

12. Сформулировать первую естественнонаучную проблему, поставленную и решаемую первыми «учеными» милетской школы.

13. В чем главное отличие древнегреческой математики от древневавилонской и древнееги-петской? В чем состоит всемирно – историческая заслуга пифагореизма? Прокомменти-ровать «Математика есть средство познания природы».

14. Назвать великое открытие элейской школы и ее основателя. 15. Сформулировать две исторически первые естественнонаучные программы познания

природы; их основатели. 16. Суть учения Аристотеля о материи и форме. Субстанция или первоматерия Аристотеля. 17. Историческое значение и причины упадка античной науки.

Темы докладов 1. Первобытное познание и культура. Мифологическая картина мира. 2. Становление цивилизации и развитие рациональных знаний 3. Возникновение письменности. 4. 6. Астрология как феномен древней культуры. 5. Математические знания древнего Востока. 6. Древнейшие цивилизации Европы. 7. Проблема познания внешнего мира древнегреческими философами.. 8. Фалес Милетский – «первый европейский ученый» 9. Гераклит – его учение о безостановочной изменчивости вещей. 10. Пифагор и его мировоззренческое кредо – «все есть число». 11. Апории Зенона. 12. Платон и его Академия. 13. Атомистическое учение Демокрита. 14. Физика и космология Аристотеля. 15. «Начала» Евклида – образец классического математического знания.

7

16. Универсальная ученость Эратосфена. 17. Геоцентрическая система Птолемея. 18. Александрийская школа: развитие античной теоретической и прикладной механики. 19. Античные воззрения на органический мир.

Терминология Мифология. Миф. Антропоморфизация мифологии. Магия. Софистика. Скептицизм. Агно-

стицизм.

Семинар I-3. Естествознание средневековья, Возрождения и периода научной революции XVII-го века

Литература Основная 1. В.М. Найдыш. Концепции современного естествознания. М.: 1999, 2003. Дополнительная 1. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. – М.: Агар, 1996. 2. Клайн М. Математика. Поиск истины / Пер. с англ. – М.: Мир, 1988. 3. Философия. Основные идеи и принципы. / Под общ. ред. А.И. Ракитова. – М, 1990. 4. Мечников Л.И. Цивилизация и великие исторические реки. М., 1975. 5. Ильин. В.В. Теория познания. Эпистемология. Изд-во МГУ. – 1994. 6. Лешкевич Т.Г. Философия науки. – М.: ИНФРА-М, 2006.

Вопросы для обсуждения 1. Картина мира и «стиль социокультурного поведения» - характерные для эпохи средневе-

ковья? Прокомментировать изречение «Верую, ибо абсурдно». Кто автор этого изрече-ния?

2. Что составляло для средневекового сознания основу, на что оно было ориентировано и что являлось его доминантой?

3. Как можно охарактеризовать отношение к знанию и познанию природы в средневеко-вье?

4. Культ, каких свободных искусств характерен для средневековья? 5. Сформулировать характерные черты познавательных традиций средневековья. Дать ха-

рактеристику «ранней» и «зрелой» схоластики». 6. Какие особенные формы знания и методы познания характерны для эпохи Возрождения? 7. Историческое значение средневекового познания. 8. Какова роль Тихо Браге в развитии наблюдательной астрономии? 9. Как И. Кеплер пытался объяснить математически гармонию Вселенной? 10. Какова история открытия законов планетных движений и их формулировка? 11. Научные заслуги Г. Галилея и его астрономические открытия с помощью телескопа. 12. В чем суть картезианской физики и космогонической теории Р. Декарта. 13. Первый в истории науки теоретический закон природы, его формулировка и математи-

ческая запись. 14. Почему 28 апреля 1686 г. можно считать одной из величайших дат в истории науки и че-

ловечества?

8

15. Какое физико-теоретическое обоснование бесконечности Вселенной предложено Нью-тоном?

16. Почему XVII век считается периодом научной революции?

Темы докладов 1. Естественнонаучные достижения средневековой арабской культуры. 2. Физические идеи средневековья. 3. Феномен средневековой культуры – алхимия. 4. Религиозные воззрения на происхождение жизни и человека. 5. Тертуллиан (160-220 н.э.) – классик средневековой патристики. 6. Роберт Гроссетест (1175-1253), Роджер Бэкон (ок.1214-1292), Уильям Оккам (ок.1285-

1349) – как наиболее яркие мыслители средневековья. 7. Учение Фомы Аквинского (1225-1274) – вершина схоластического миропонимания. 8. История возникновения и становления первых университетов. 9. Николай Кузанский (1401-1464) – как первый последовательный пантеист раннего Ре-

нессанса. 10. Особенная форма средневекового знания – «натуральная магия». 11. Леонардо да Винчи (1452-1519) – как основатель современного естествознания. 12. Николай Коперник (1473-1543) – как первый представитель новоевропейской науки. 13. Гелиоцентрическая система мира Николая Коперника. 14. Джордано Бруно и его мировоззренческие выводы из коперниканизма. 15. Астрономические открытия Г. Галилея 16. Астрономические труды и наблюдения Тихо Браге 17. Рене Декарт как основоположник картезианской физики 18. Корпускулярная теория света 19. Электрические и магнитные явления: их практическое применение в XVII веке. 20. Открытие датского астронома О. Ремера.

Терминология Схоластика. Натуральная магия. Алхимия.

Семинар I-4. Естествознание в период XVIII – XIX вв.

Литература Основная 1. В.М. Найдыш. Концепции современного естествознания. М.: 1999, 2003. 2. Концепции современного естествознания./ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников и др. - М.:

ЮНИТА-ДАНА, 2001. Дополнительная 1. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. – М.: Агар, 1996. 2. Азимов А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии. М., 1983. 3. Воронцов Н.Н. Развитие эволюционных идей в биологии. М., 1999 4. История биологии. С древнейших времен до начала XX века. М., 1972. 5. Майр Э. Популяции, виды и эволюция. М., 1974. 6. Тейяр де Шарден. Феномен человека. М., 1973.

9

7. Клайн М. Математика. Поиск истины / Пер. с англ. – М.: Мир, 1988. 8. Философия науки / Мел Томпсон. – Пер. с англ. А. Гарькавого. – М.: ФАИР-ПРЕСС,

2003.

Вопросы для обсуждения 1. Какие основные отрасли классической физики сформировались в XVIII - XIX вв. 2. Характерная особенность физики на рубеже XIX – XX вв. 3. Сформулировать «жесткий» принцип дальнодействия; его значение. 4. Прокомментировать закон взаимодействия между электрическими зарядами, установ-

ленный фр. физ. Ш.О. Кулоном. 5. Раскрыть суть открытия Х.К. Эрстеда в 1819 г, и его теоретическую и практическую

значимость. 6. Назвать явления, указывающие волновую природу света и пояснить суть опытов их под-

тверждающих. 7. Какая теории доказывает, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе? Как теоре-

тически рассчитывается скорость света в воде и чему она равна? 8. Что в физике понималось под термином «эфир»? Какова главная проблема эфира? 9. Научные заслуги М. Фарадей; его представления о материи и силовых линиях. 10. В чем суть концепции трансформизма? 11. Гипотезы ламаркизма, катастрофизма и униформизма как промежуточные формы кон-

кретизации идеи эволюции. 12. Методологические установки классической физики (конец XVII – начало XX века). 13. Методологические установки классической биологии. 14. Какой вклад внес в развитие термодинамики и статистической физики французский ин-

женер Сади Карно, нем. физик Рудольф Клаузиус и английский физик Уильям Томсон, Людвиг Больцман?

15. Назвать центральное понятие термодинамики. Как оно определяется? 16. Сформулировать второе начало термодинамики. Объяснить смысл понятия «тепловая

смерть» Вселенной. 17. Основные положения полевой концепции электрических и магнитных явлений Джеймса

К. Максвелла. Математическая формулировка электромагнитной теории Максвелла. 18. Какие открытия привели к возникновению и развитию нового научного направления в

астрономии – астрофизики? 19. Великие открытия конца XIX в.: нем. физика Вильгельма Рентгена, франц. физика Анри

Беккереля, нем. физика Генриха Герца. 20. Назвать четыре основных направления в биологической науке, которые способствовали

утверждению теории естественного отбора Дарвина.

Темы докладов 1. Теория теплорода. 2. Изобретение паровой машины и ее применение. 3. Электрическая природа молнии. Шаровая молния. 4. Закон сохранения и превращения энергии (Р. Майер, Г. Гельмгольц, Дж. Джоуль). 5. Концепции пространства и времени: неевклидовы геометрии. 6. Космогония Канта-Лапласа. 7. Возникновение и развитие научной химии. 8. Волновая теория света.

10

9. Дарвиновская научная революция. 10. Состояние физической науки на рубеже XIX – XX вв. 11. Физика и философия Эрнста Маха. 12. Теория флуктуаций М. Смолуховского. 13. Статистическая механика Гиббса. 14. История открытия восьмой большой планеты Солнечной системы. 15. Истоки возникновения астрофизики и ее роль в зарождении новых физических теорий. 16. Дарвиновская теория естественного отбора 17. Учение о наследственности – генетика. 18. Открытие живой клетки. Создание клеточной теории - как крупнейшее достижение био-

логии в XIX в.

Семинар I-5. Современная естественнонаучная картина мира и перспективы развития естествознания в XXI в.

Литература Основная 1. Найдыш В.М.. Концепции современного естествознания. М.: 2003. 2. Концепции современного естествознания./ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников. М.: 2001. 3. Горелов А.А.. Концепции современного естествознания. Курс лекций. – М., 2003. 4. Тулинов В.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. 5. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М.: Академический Проект,

2004. 6. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. – М.: ООО «Издательский дом

«ОНИКС 21 век»», 2005. 7. Канке В.А. Концепции современного естествознания. – М.: Логос, 2004. Дополнительная 1. Степин В.С. Философская антропология и философия науки. – М., 1986. 2. Лешкевич Т.Г. Философия науки. – М.: ИНФРА-М, 2006.

Вопросы для обсуждения 1. Структура современной естественнонаучной картины мира. 2. Важнейшие открытия естествознания XX века. 3. Прокомментировать высказывание: «Человек получает возможность заглянуть в самое

начало «творения» Вселенной. 4. В чем главное отличие сложных систем от простых? Привести примеры сложных сис-

тем, которые всегда актуальны для человека. 5. В чем отличие кибернетики от синергетики? 6. Дать характеристику открытости самоорганизующейся системы. 7. Дать характеристику нелинейности самоорганизующейся системы. 8. Дать характеристику диссипативности самоорганизующейся системы. 9. Что означает понятие «параметр порядка»? 10. В чем суть концепции глобального эволюционизма? 11. Что включает в себя антропный принцип?

11

12. Характерные особенности формирования постнеклассической науки XXI века. 13. Сформулировать методологические установки научного познания, характерные для ста-

новления постнеклассических наук. 14. Объяснить феномен «живучести» мифотворчества и «всплеск» ремифологизации духов-

ной культуры в конце XX века. 15. Назвать квазинаучные формы духовной культуры. 16. Привести природные явления и человеческие факторы, которые до сих пор не получили

убедительного научного объяснения.

Темы докладов 1. Диссипативность неравновесных систем. 2. Хаос как фактор самоорганизации. 3. Закономерности самоорганизации. 4. Естествознание и будущее цивилизации. 5. Соотношение науки и паранауки. 6. Многообразие форм знания. 7. Западное и восточное мировидение.

Структура современной естественнонаучной картины мира

Уровни организации Часть пространства

Наука Вид эволюции

Вселенная Космология Галактика Звездные системы

Астрономия Космическая

Планета

Мегамир

Геология Геологическая Биосфера Экология Экологическая Сообщества Популяция Вид Индивид

Макромир

Этология

Клетка Генетика

Биологическая

Молекула Химия Химическая Атом Элементарная частица Кварк

Микромир

Физика

Физическая

Семинар II-1. Космологические концепции и эволюционная физика Вселенной

Литература Основная 1. Найдыш В.М.. Концепции современного естествознания. М.: 2003. 2. Концепции современного естествознания./ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников. М.: 2001. 3. Горелов А.А.. Концепции современного естествознания. Курс лекций. – М., 2003.

12

4. Тулинов В.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. 5. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М.: Академический Проект,

2004. 6. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. – М.: ООО «Издательский дом

«ОНИКС 21 век»», 2005. 7. Канке В.А. Концепции современного естествознания. – М.: Логос, 2004. Дополнительная 1. Балашов Ю.В., Казютинский В.В. Антропный принцип в космологии: естественнонауч-

ные и мировоззренческие аспекты // Логика, методология и философия науки. Вып. 2. М.: АН СССР, 1987, с.89-123.

2. Болдинг К. Большие проблемы Большого взрыва. Истоки науки высших измерений. М., 1990.

3. Бронштейн В.А. Гипотезы о звездах и Вселенной. – М., 1991, 2000. 4. Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной.

М.: Энергоатомиздат, 1981. 5. Гут А., Смейнхард П. Раздувающаяся Вселенная // В мире науки. 1984. №7, с.56-68. 6. Научно-популярному журналу «Земля и Вселенная» - 35 лет // Земля и Вселенная, 2000.

№1, с.3-29. 7. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. М., 1988. 8. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М.: Наука, 1990. 9. Пибблс Ф. Структура Вселенной в больших масштабах. М., 1983. 10. Рей С. Космическая игра. – М., 1997. 11. Силк Д. Большой взрыв. М., 1990. 12. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М., 1988.

Вопросы для обсуждения 1. Ньютоновская модель Вселенной и два ее следствия: гравитационный и фотометриче-

ский парадоксы. 2. Космологическая модель Вселенной А. Эйнштейна. Что считал А. Эйнштейн, по свиде-

тельству Г. Гамова, «самой грубой ошибкой своей жизни»? 3. Космологическая модель Вселенной А.А. Фридмана. Почему Эйнштейн после недолгих

колебаний принимает выводы Фридмана (правда после смерти А.А. Фридмана в 1925 г.)?

4. Сформулировать и записать закон Хаббла. Постоянная Хаббла и возраст Вселенной. 5. Космологическая модель Вселенной – модель Большого Взрыва (БВ) Г.А. Гамова. Каки-

ми экспериментальными открытиями – наблюдениями обосновывается эта модель? 6. Какое из экспериментальных открытий изменило статус космологии? История его от-

крытия и значение для космологии? 7. Как современная наука пытается трактовать причины БВ? Охарактеризовать модель раз-

дувающейся Вселенной А. Гута. С каким центральным понятием для физики связана эта модель Вселенной?

8. Что такое сингулярность? 9. Объяснить этап начала Вселенной, связанного с эрой Великого объединения: эрой «су-

па». 10. Какова роль аннигиляции вещества и антивещества в возникновении вещества в ранней

Вселенной? Какова природа наблюдаемого сейчас реликтового излучения или фонового теплового излучения?

13

11. На каком этапе после БВ вещество во Вселенной представляло собой «кварковую жид-кость»?

12. При каких «условиях» в ранней Вселенной фотон остается безмассовым (с массой покоя, равной нулю)?

13. Какое еще реликтовое излучение ждет своего открытия? Как наука представляет части-цы, создающие это излучение?

14. Что вкладывает космология в понятие «антропный принцип»? 15. Прокомментировать: «Антропный принцип с точки зрения физики и философии «отвер-

гает» возможность уникальности земной жизни». [1, с.162]

Темы докладов 1. Вселенная, жизнь, разум. 2. Рождение и эволюция звезд. 3. Античастицы и антивещество. 4. Физический вакуум. 5. Антропный принцип и современная естественнонаучная картина мира. 6. Происхождение Вселенной. 7. Космомикрофизика. 8. Проблема внеземных цивилизаций.

Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции Во второй половине XX в. астрономия вступила в период научной революции, которая из-

менила способ астрономического познания – на смену классическому пришел «неклассиче-ский» способ астрономического познания

Мегамир или космос современная наука рассматривает как системную организацию в фор-ме: планет и планетных систем, возникших вокруг звезд; звезд и звездных систем, – галактик; системы галактик – Метагалактики.

В этой связи термин «Вселенная» приобретает более узкое специфически научное толкова-ние. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится в основном в звезд-ном состоянии; 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах. В других звездных системах (галактиках) предполагается, что «звездная субстанция» составляет более 99,9% их массы. Большинство галактик имеет эллиптическую или спиралевидную форму. Сами галакти-ки образуют так называемые «облака» или «скопления галактик», содержащих до несколько тысяч отдельных звездных систем. Распределение галактик в пространстве указывает на суще-ствование определенной упорядоченной системы – Метагалактики. Метагалактика или гигант-ская система галактик, включает в себя все известные космические объекты.

Классическая ньютоновская и первая эйнштейновская космологические модели Вселенной

С появлением науки в ее современном понимании на смену мифологическим и религиозным воззрениям приходят научные представления о происхождении Вселенной. Вселенная – от тол-кования как места вселения человека, благодаря ее доступности эмпирическому наблюдению и размышлению о ней в настоящее время изучается наукой, называемой космологией или наукой о космосе. Космология нацелена на открытие упорядоченности нашего мира, т.е. законов его функционирования как единого упорядоченного целого.

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Если нау-ка (естествознание имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными науч-ными методами) формулирует универсальные законы на основе экспериментальных данных, то Вселенная в этом смысле уникальна, так как к ней методологические правила науки остаются

14

неприемлемыми. Все заключения о происхождении и развитии Вселенной не являются закона-ми, а лишь космологическими моделями, т.е. возможными вариантами объяснения.

Первым ученым, который обнаружил силы космической значимости, был И. Ньютон, пер-вооткрыватель закона всемирного тяготения. По Ньютону: если предположить, что космиче-ское вещество первоначально было равномерно распределено по всему бесконечному космиче-скому пространству, то различные его части сгущались бы, образуя Солнце и, как он считал, неподвижные звезды, а также планеты; светимость же звезд он объяснял ссылкой на Творца [Гуревич Л.Э., Чернин А.Д. Происхождение галактик и звезд. М.: Наука, 1987]. Воззрения Нью-тона относятся к 1692 г. Позднее они неоднократно воспроизводились философом И. Кантом и математиком П. Лапласом, но все ограничивалось пранаучными, сугубо гипотетическими рас-суждениями.

В классической ньютоновской космологической модели Вселенной вопрос об ее эволюции не ставился. Вселенная представлялась всесуществующей и бесконечной в абсолютном про-странстве и времени. В такой Вселенной изменяться могут только конкретные космические системы, но не «мир в целом».

Такое постулирование бесконечности и стационарности Вселенной логически приводит к парадоксам: гравитационному и фотометрическому, которые не разрешимы в рамках классиче-ской астрономии.

Суть гравитационного: если Вселенная бесконечна, значит в ней бесконечное число небес-ных тел, то сила тяготения должна быть тоже бесконечно большой и вся Вселенная должна сколлапсировать, т.е. сжаться до объекта, подобного «черной дыре», а не существовать вечно.

Суть фотометрического: если существует бесконечное число небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, но этого не наблюдается.

Все современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории отно-сительности А. Эйнштейна, согласно которой пространство и время определяются распределе-нием гравитационных масс во Вселенной, из этого следует так называемая «кривизна простран-ства» и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Свойства Вселенной как целого (ее про-шлое, настоящее, будущее) ставятся наукой в зависимость от средней плотности материи в ней. Математическая теория тяготения Эйнштейна предлагает несколько решений «устройства» Вселенной, т.е. обуславливает наличие многих космологических моделей Вселенной.

Первая из них была разработана самим А. Эйнштейном в 1917 г. Он разделял убеждение Ньютона, что звезды по отношению друг к другу находятся в ста-

ционарном положении. Но объяснить такое положение звезд одними силами тяготения затруд-нительно. Поэтому Эйнштейн ввел в уравнение общей теории относительности специальный космологический член – лямбду (λ), который должен был в математической форме отобразить наличие сил отталкивания неведомой природы. Прием, использованный Эйнштейном, в науке называется ad hoc (ад хок), что в переводе с латинского означает «для данного случая». Эйн-штейн использовал данный прием за неимением лучшего. Но вскоре ему представилась воз-можность отказаться от него.

В такой модели Вселенной локальные искривления пространства-времени гравитирующими массами приводят к глобальному искривлению, делающему Вселенную замкнутой по про-странственным координатам. В этой цилиндрической модели Эйнштейна временная координата не искривляется (время равномерно течет от прошлого к будущему). Впоследствии цилиндри-ческая модель была усовершенствована голландским астрофизиком Виллем де Ситтером, пред-положившим на основании наблюдаемого красного смещения, что время в удаленных частях Вселенной течет замедленно (искривление по временной координате) - модель замкнутой ги-персферы. Обе эти стационарные модели Вселенной имеют два недостатка: необходимость предположить существование дополнительных взаимодействий, препятствующих сжатию Все-ленной под действием гравитирующих масс, и проблема “утилизации” света, испущенного звездами в предшествующие моменты времени в замкнутое пространство.

15

В эйнштейновской модели Вселенной материя распределена в среднем равномерно, а грави-тационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно. Вселенная в целом стационарна, бесконечна во времени и безгранич-на в пространстве.

Фридмановские модели Вселенной В 1922 – 1924 гг. молодой математик и геофизик А.А. Фридман (Советская Россия), изучая

уравнения общей теории относительности Эйнштейна, показал, что они приводят к гравитаци-онной неустойчивости Вселенной, в зависимости от плотности вещества в ней она либо расши-ряется, либо сжимается. Фридман рассмотрел три решения уравнений Эйнштейна, описываю-щих Вселенную с «расширяющимся» пространством. Если средняя плотность вещества и излу-чения во Вселенной равна некоторой критической величине (ρкр ≈ 10-29 г/см3), мировое про-странство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначально-го точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометри-ей Лобачевского и также неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше кри-тической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

Решающее значение для выводов Фридмана имело открытие Э. Хаббла (американский ас-троном Эдвин Пауэлл Хаббл (1889-1953)), который обнаружил факт разлета скоплений звезд, галактик (1929). Так называемое «красное смещение» приходящих от галактик излучений сви-детельствовало о их удалении от Земли. Хаббл вывел соотношение:

V = H⋅r V – скорость удаления галактики, H = 75 – 80 км/с⋅Мпк – постоянная Хаббла, r – расстояние

до галактики в парсеках (1 пк ≈ 3,1⋅1016 м). Смысл постоянной Хаббла в следующем, величина, обратная постоянной Хаббла, есть воз-

раст Вселенной. Расчеты показывают, что если принять Н ≈ 75 км/с⋅Мпк, то возраст Вселенной t = 1/H ≈ 13,5 млрд. лет.

Но средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, и мы сегодня не знаем, в каком из пространств Вселенной мы живем.

На сегодняшний день модель расширяющейся Вселенной, предложенная Фридманом, наибо-лее признаваема научным сообществом (красное смещение и конечная светимость неба объяс-няются эффектом Доплера, и нет необходимости во введении компенсирующих гравитацию взаимодействий), глобально искривленной из-за наличия гравитирующих масс. И сейчас обсу-ждаются в основном две ее модификации:

1. Замкнутая модель (геометрический аналог - расширяющаяся гиперсфера) предсказывает постепенное замедление расширения вследствие торможения гравитационными силами с по-следующим переходом к сжатию.

2. Открытая модель (геометрический аналог – «седло») замедляющееся расширение, про-исходящее бесконечно долго.

В настоящее время предпочтение отдается открытой модели, поскольку оценки средней плотности вещества во Вселенной, сделанные на основе наблюдаемой концентрации звезд, по-казывают, что гравитационные силы не способны остановить происходящее с наблюдаемой скоростью разбегания. Оценки могут существенно измениться в пользу закрытой модели при наличии в космосе скрытых масс несветящегося вещества (например, за счет ненулевой массы покоя нейтрино).

Следует также специально отметить, что для модели расширяющейся Вселенной характерно отсутствие какого-либо центра «разбегания» галактик. Расширяется в целом межгалактическая среда. «Разбегаются все галактики. С какой бы галактики не наблюдалась картина космическо-го расширения, всякий она выглядит единообразно: чем дальше от места наблюдения находится

16

галактика, тем с большей скоростью она удаляется от этого места». И так называемый горизонт видимости расположен на расстоянии не большем, чем может пройти свет за 13 млрд. лет.

Модель горячей Вселенной или Большого Взрыва

В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Все-ленной, или «Большого Взрыва» (Big Bang), предложенная в 1948 г. Основы ее были заложены в трудах американского физика русского происхождения Дж. (Г.А.) Гамова и его сотрудников в конце 40-х гг. 20-го в. Основа теории такова: физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15-20 млрд. лет назад, когда все вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025 г/см3 и темпера-турой свыше 1016 К. Такое представление соответствует и модели горячей Вселенной. Правда, науке неизвестно, откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Но приня-тое научным сообществом расширение Вселенной оказывается естественным следствием тео-рии Большого Взрыва и это следует расценивать, как огромный мировоззренческий прорыв в интеллектуальном мире.

По предположению Г.А. Гамова все элементы Вселенной образовались в результате ядер-ных реакций в первые моменты после Большого Взрыва. По современным же представлениям около 98% существующего в природе гелия образовалось в первые секунды после Большого Взрыва.

С эволюционной точки зрения Вселенная проходит определенные этапы, в ходе которых об-разуются химические элементы в результате ядерных реакций и их структуры.

Данная модель Вселенной сейчас обосновывается такими экспериментальными наблюде-ниями.

1. Излучение спектральных линий звезд показывает, метагалактика имеет единый химиче-ский состав (77% водорода, 22% гелия, 0,8% кислорода, 0,1% железо и 0,1% на остальные эле-менты).

2. Спектры элементов удаленных галактик демонстрируют систематическое смещение в красную часть спектра. Смещение линейно растет с увеличением расстояния до галактик.

3. Из космоса регистрируется однородное и изотропное излучение наполняющее все косми-ческое пространство (оно соответствует излучению черного тела с температурой 2,7 К, его плотность составляет примерно 450 фотонов/см3.

4. Распределение галактик в метагалактике соответствует некоторой постоянной плотности, порядка 0,3 барионов/м3. Для сравнения: в нашей Галактике средняя концентрация вещества ∼ 1 атом/см3.

5. По косвенным выводам из анализа процессов радиоактивного распада в метеоритах, сле-дует, что некоторые компоненты химического состава метеоритов, возможно, возникли 14-24 млрд. лет назад.

Одним из экспериментальных подтверждений модели горячей Вселенной стало открытие в 1965 г. реликтового излучения с температурой около 3 К.

Горячая Вселенная. В первые моменты температура Вселенной была столь высока, что в ней могли существовать лишь самые легкие элементарные частицы: фотоны, нейтрино и т.д. Быстрое расширение горячего сжатого “газа” вело к его охлаждению. Уже на первых секундах расширения стало возможным образование электронов и протонов, существующих в виде горя-чей плазмы и сильно взаимодействующих друг с другом и излучением, на долю которого при-ходилась основная доля энергии во Вселенной. Таким образом, на ранней стадии, длящейся около 1 млн. лет во Вселенной преобладали электромагнитные и ядерные взаимодействия.

Спустя указанный срок температура упала до величины, допускающей рекомбинацию элек-тронов с протонами в нейтральные атомы водорода. С этого момента взаимодействие излуче-ния с веществом практически прекратилось, доминирующая роль перешла к гравитации.

Возникшее на стадии горячей Вселенной и постепенной остывающее в результате ее расши-рения излучение дошло до нас в виде реликтового фона.

17

Сам факт возможности моделирования процессов, происходящих в первые секунды и мину-ты существования Вселенной, следует рассматривать как огромное достижение современного естествознания – оно приближает нас к самому акту «сотворения мира». Хотя представления о первых секундах жизни Вселенной во многом основаны на гипотезах и гипотетических экстра-поляциях, но физические условия, существовавшие в то время, когда возраст Вселенной со-ставлял 10-4 с, когда температура достигала 1012 К, а вся наблюдаемая Вселенная была «сжата» до размеров Солнечной системы, сегодня можно экспериментально воспроизводить на совре-менных ускорителях элементарных частиц.

Раннюю Вселенную можно на языке физики представить как гигантскую лабораторию при-роды, в которой энергия, высвободившаяся в результате Большого Взрыва, пробудила физиче-ские процессы, не воспроизводимые в земных условиях.

Холодная Вселенная. На последующей стадии так называемой “холодной” Вселенной на фоне продолжающегося расширения и остывания вещества стали возникать гравитационные неустойчивости: за счет флуктуаций плотности водородного газа стали возникать зоны его уп-лотнения, притягивающие к себе газ из соседних областей и еще больше усиливающие собст-венное гравитационное поле.

Самоорганизация вещества во Вселенной (сложная неравновесная система, описываемая не-линейными уравнениями гравитации) в конечном итоге привела к возникновению крупномас-штабной квазиупорядоченной межгалактической ячеистой структуры, а ее дальнейшая фраг-ментация дала начало будущим галактикам и звездам. Анализ деталей этого процесса возможен на основании весьма сложных уравнений гидрогазодинамики - теории нестационарного движе-ния вещества, до сих пор удовлетворительно не разработанной. Достаточно ясно, что в резуль-тате гравитационного сжатия выделяющаяся энергия в конечном итоге приводила к вторичному разогреву «водородного топлива» до температур, достаточных для начала термоядерных реак-ций водородного цикла.

Ученые выдвигают гипотезы не только далекого прошлого Вселенной, но и прогнозируют ее далекое будущее. «Закрытые» модели предполагают, что в будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием. Исходя из общей массы Вселенной 1052 т предполагают, что примерно через 30 млрд лет она начнет сжиматься и через 50 млрд лет вновь вернется в сингулярное со-стояние. Полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет примерно 100 млрд лет.

В «открытых» космологических моделях Вселенной предполагается, что уже через 1014 мно-гие звезды остынут, примерно через 1019 лет большая часть остывших звезд покинут свои га-лактики в виде «черных карликов», центральные области галактик превратятся в «черные ды-ры». Дальнейшая эволюция будущей Вселенной выглядит не вполне ясной, но прогнозируется «тепловая смерть» Вселенной с конечным состоянием из сверхдлинных квантов и электронно-позитронной плазмы.

Инфляционная модель Вселенной

В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. В этой модели описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10-45 с после начала расширения. Начало Вселенной определяется физиками-теоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10-50 см (размер атома 10-8 см, атомного ядра 10-13 см). Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за промежуток времени от 10-45 до 10-30 с. В этой модели начальное состояние Вселенной является вакуумным. Физический вакуум – это форма материи, лишенная вещества и излучения, но возбужденное состояние такого вакуума способно создавать космиче-скую силу отталкивания, порождающая раздувание «пузырей пространства» – зародышей од-ной или нескольких вселенных.

Различия между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10-30 с, далее принципиальных расхож-дений нет.

18

Различия в объяснении механизмов космической эволюции связаны с расхождением миро-воззренческих установок. Самая большая трудность возникает при объяснении причин косми-ческой эволюции. Существует две концепции эволюции Вселенной: концепция самоорганиза-ции и концепция креационизма.

По первой концепции материальная Вселенная является единственной реальностью, в ней идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамический хаос порождает порядок.

Согласно второй концепции, концепции творения, эволюция Вселенной связывается с реа-лизацией программы, определяющей реальность более высокого порядка, чем материальный мир. Физическая структура Вселенной запрограммирована и направлена к появлению жизни, другими словами конечная цель космической эволюции – появление человека во Вселенной в соответствии с законами Творца.

Согласно расчетам бельгийского ученого Ж. Леметра, который в 1927 г. ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверх плотного состояния) и рождения Вселенной как Боль-шого взрыва, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10-12 см, а ее плотность со-ставляла 1096 г/см3.

Вплоть до XX в. Вселенная в целом представлялась равновесной и неизменной. А поскольку время ее существования бесконечно, то в ней в результате случайных локальных возмущений возможны появления неравновесных образований с заметной организацией своих структур (га-лактик, планетных систем и т.д.). В 20-х гг. XX в. происходит открытие расширения Вселенной или иначе – ее нестационарности (А.А. Фридман), американский астроном Хаббл обнаруживает «красное смещение» галактик и открывает закон «разбегания» галактик во Вселенной – закон Хаббла v = rH, где Н – постоянная Хаббла. Но если Вселенная расширяется, то встает вопрос о силах, сообщивших галактикам начальную скорость и необходимую для этого энергию. Совре-менное естествознание считает, что оно может ответить на этот вопрос. Таким ответом является теория Большого взрыва, воспроизводящая процессы зарождения нашей Вселенной из некоего исходного состояния с последующей эволюцией, приводящей в конечном итоге к ныне наблю-даемому ее облику. Идея эволюции захватила все научные дисциплины.

Концепция Большого взрыва указывает на историческую последовательность появления во Вселенной различных химических элементов. Физики считают, спустя лишь «три минуты» по-сле «взрыва» начали образовываться ядра водорода и гелия, а первые атомы легких элементов возникли через несколько сотен тысяч лет после «взрыва». Звезды первого поколения (Солнце – звезда второго поколения) были самыми «чистыми» звездами из которых впоследствии образо-валось все разнообразие таблицы химических элементов Менделеева.

Семинар II-2. Химическая эволюция материи

Литература Основная 1. Найдыш В.М.. Концепции современного естествознания. М.: 2003. 2. Концепции современного естествознания./ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников и др. - М.:

2001. 3. Тулинов В.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. 4. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М.: Академический Проект,

2004. 5. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. – М.: ООО «Издательский дом

«ОНИКС 21 век»», 2005. 6. Канке В.А. Концепции современного естествознания. – М.: Логос, 2004. Дополнительная

19

1. Кузнецов В.И. Эволюция представлений об основных законах жизни. – М.: Наука, 1967. 2. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. – М.: АГАР, 1996. 3. Шиманович И.Е., Павлович М.Л., Тикавый В.Ф., Малашко П.М. Общая химия в форму-

лах, определениях, схемах. – Минск: Университетское, 1996. 4. Эмсли Дж. Элементы. – М.: Мир, 1993. 5. Гессенди П. Сочинения. М., 1966. Т. 1. С. 165.

Вопросы для обсуждения

Этапы становления и развития химии

1. Что представляла собой химия эпохи средневековья? 2. Какова роль теории флогистона в становлении химии? Ученый, отвергнувший эту тео-

рию и его первая систематика химических элементов. 3. Период становления классической химии: открытие важнейших стехиометрических (от

греч. stoicheion – элемент) законов. 4. Период эволюции классической химии: ее теоретическая основа. 5. С чем связывают научную революцию химического знания первой трети 20 в.? 6. «Физический химизм» современной химии.

Этапы появления концептуальных систем химических знаний или картина современной химии

1. Назвать четыре «концептуальные системы химических знаний» и дать краткую характе-ристику каждой?

2. Синтез каучука во взаимосвязи с этапами развития концепций в химии. 3. Назвать основоположника системного подхода в химии. Дать краткую характеристику,

разработанной им системы химических элементов? 4. Открытие первого химического элемента. Сколько химических элементов известно со-

временной науке? 5. Проблемы органического синтеза. 6. Проблемы химических процессов. Синтез аммиака. 7. В чем главная проблема эволюционной химии? Перспективные пути развития эволюци-

онной химии, потенциальные возможности эволюционной химии?

Химическая эволюция жизни

1. Химический состав и распределение химических элементов на начальном этапе истории Земли. При наличии какой химической группы происходило в основном накопление ор-ганических молекул (первый этапа биогенеза)?

2. Какие условия на планете способствовали возникновению сложных органических со-единений (второй этап биогенеза)? Привести примеры этих соединений.

3. Прокомментировать: «лабораторные эксперименты показали возможность образования белковых молекул в условиях отсутствия жизни».

4. Роль кислорода в процессе химической эволюции на определенном этапе истории Земли. 5. Образование «первичного бульона» на Земле и его роль в образовании сложных органи-

ческих соединений: коацерватов.

Возникновение и развитие научной химии

1. Что такое химическая связь? 2. Основные законы стехиометрии. Основные законы химического строения вещества. 3. Какой вклад в развитие химических знаний внесли физики?

20

4. Сформулируйте основные законы термохимии 5. Сформулируйте «концептуальные системы химии» и дайте краткую характеристику ка-

ждой? 6. Рассказать об истории получения синтетического каучука во взаимосвязи с развитием

химических знаний. 7. Назовите основоположника системного подхода в развитии химических знаний. Какую

систему он построил? 8. Какие элементы называют органогенами? 9. Что такое катализаторы? 10. Для чего химики изучают лабораторию «живой природы»? 11. Каковы потенциальные возможности эволюционной химии?

Терминология Химия. Химический элемент. Химическое вещество. Уравнения химических реакций: хими-

ческие реакции горения, термохимические реакции, структурные формулы: С2H6O (ж) + 3O2 (г) = 3H2O (г) + 2 СО2 (г), С2H6O (ж) + 3O2 (г) = 3H2O (г) + 2 СО2 (г) + 1280 кДж.

С

H

H

H H

Метан

H C C H

Ацетилен

Орбиталь – общее число состояний электрона атома водорода при данном главном кванто-

вом числе n

∑ −=

==+

1

022)12(2nl

lnl .

Электронная конфигурация. Атом неона: 1s22s22p6. Химическая связь. Типы химических связей. Катализатор. Фермент. Органогены

Возникновение и развитие научной химии

От алхимии к научной химии

Уже с XV в. представление о мире химических веществ, соединений быстро расширяется. Были открыты новые металлы (висмут, платина и др.), вещества с замечательными свойствами (например, фосфор). Развитие ремесла и промышленности обусловливает постоянную потреб-ность в определенных химикалиях – селитре, железном купоросе, серной кислоте, соде, что да-ет импульс к созданию химических производств, а это в свою очередь стимулирует развитие научной химии.

Новому пониманию предмета химического познания способствовало возрождение антично-го атомизма. Здесь важную роль сыграли труды французского мыслителя Пьера Гассенди (1592-1655). Он критически воспринимал картезианское понимание материи, теорию вихрей Декарта, считая, что будущее естествознания связано с программой атомизма. Гассенди возро-ждает представление о том, что вечная и бесконечная Вселенная состоит из постоянно движу-щихся атомов (различной формы, размеров, неизменных, неделимых и т.д.) и пустоты, которая является условием возможности движения атомов и тел. По его мнению, «атомы обладают и энергией, благодаря которой движутся или постоянно стремятся к движению» [1, с.165]. В этом

21

Гассенди идет значительно дальше античных атомистов. В учении Гассенди было формулиро-вание понятия молекулы, что имело конструктивное значение для становления научной химии.

Во второй половине XVII в. алхимическая традиция постепенно исчерпывает себя. В тече-ние более чем тысячи лет алхимики исходили из уверенности в неограниченных возможностях превращений веществ, в том, что любое вещество можно превратить в любое другое вещество. И хотя на долгом пути развития алхимии были получены и положительные результаты (описа-ние многих химических превращений, открытие некоторых веществ, конструирование прибо-ров, химической посуды, аппаратов и др.), тем не менее главные цели, которые ставили перед собой алхимики (искусственное получение золота, серебра, «философского камня», гомункула и др.), оказались недостижимыми. Все более укреплялось представление о том, что существует некоторый предел, граница взаимопревращения веществ. Этот предел определяется составом химических веществ.

В XVII – XVIII вв. химия постепенно становится наукой о качественных изменениях тел, происходящих в результате изменения их состава (состав —> свойства —> функции).

Все это происходит на фоне развития технической химии (металлургия, стеклоделие, произ-водство керамики, бумаги, спиртных напитков) (в трудах Г. Агриколы, И. Глаубера, Б. Палисси и др.) и открытия новых химических веществ.

Развитие и конкретное приложение идей атомизма к химии осуществил Роберт Бойль (1627-1691), который считал, что химия должна быть не служанкой ремесла или медицины, а само-стоятельной наукой. Р. Бойль – был инициатором организации Лондонского королевского об-щества, президентом которого он состоял с 1680 г. до самой смерти (1691).

Бойль исходил из представления о том, что качественные характеристики и превращения химических веществ могут быть объяснены с помощью понятия о движении, размерах, форме и расположении атомов. Он был на пути к научно обоснованному определению химического элемента как предела разложения вещества с данными свойствами. Так, он считал, что все раз-нообразные вещества могут быть разделены на простые вещества (элементы), сложные вещест-ва и смеси, причем сложные вещества являются химически неделимыми и отличаются от сме-сей простых веществ.

Бойль разрабатывает не только теоретические, но и экспериментальные основы химии, обосновывает метод химического эксперимента. В химическом эксперименте, с точки зрения Бойля, главное то, что исследователь не может заранее предсказать, как поведут себя вещества в той или иной химической реакции. Химический эксперимент призван прежде всего заставить природу выдать ее тайны, а не подтверждать те или иные теоретические гипотезы. В трудах Бойля заложены основы аналитической химии (качественный анализ, применение различных индикаторов, например лакмус, для распознавания веществ, и др.), сформулирован фундамен-тальный физический закон, согласно которому объем газа обратно пропорционален изменению давления, и др.

Лавуазье: революция в химии

Центральной проблемой химии XVIII в. была проблема горения. Вопрос состоял в следую-щем: что случается с горючими веществами, когда они сгорают в воздухе? Для объяснения процессов горения немецкими химиками И. Бехером и его учеником Г. Э. Шталем была пред-ложена теория флогистона (1697-1703). Флогистон - это некоторая невесомая субстанция, кото-рую содержат все горючие тела и которую они утрачивают при горении. Тела, содержащие большое количество флогистона, горят хорошо; тела, которые не загораются, являются дефло-гистированными. Эта теория позволяла объяснять многие химические процессы и предсказы-вать новые химические явления. В течение почти всего XVIII в. она прочно удерживала свои позиции, пока французский химик А. Л. Лавуазье в конце XVIII в. (опираясь на открытия К.В. Шееле сложного состава воздуха и Дж. Пристли кислорода, 1774) не разработал кислородную теорию горения.

Лавуазье показал, что все явления в химии, прежде считавшиеся хаотическими, могут быть систематизированы и сведены в закон сочетания элементов, старых и новых. К уже установ-

22

ленному до него списку элементов (металлы, углерод, сера и фосфор) он добавил новые – ки-слород, который вместе с водородом входит в состав воды, а также и другой компонент воздуха – азот. В соответствии с новой системой химические соединения делились в основном на три категории: кислоты, основания, соли. Лавуазье рационализировал химию и объяснил причину большого разнообразия химических явлений: она заключается в различии химических элемен-тов и их соединений.

Лавуазье отвергает старую алхимическую номенклатуру, основанной на случайных ассо-циациях - «винное масло», «винный камень», «свинцовый сахар» и др. Он ввел (при активном участии К.Л. Бертолле) новую номенклатуру, которая исходила из того, что каждое химическое вещество должно иметь одно определенное название, характеризующее его функции и состав. Например, оксид калия состоит из калия и кислорода, хлорид натрия — из натрия и хлора, сульфид водорода - из водорода и серы и т.д. Лавуазье поставил вопрос и о количествах, в ко-торых сочетаются различные элементы между собой, и с помощью закона сохранения материи привел химию к представлению о необходимости количественного выражения пропорций, в которых сочетались элементы.

С помощью ряда великолепно задуманных и проведенных экспериментов Лавуазье смог также показать, что живой организм действует точно таким же образом, как и огонь, сжигая со-держащиеся в пище вещества и высвобождая энергию в виде теплоты.

Лавуазье осуществил научную революцию в химии: он превратил химию из совокупности множества не связанных друг с другом рецептов, подлежавших изучению один за другим, в общую теорию, основываясь на которой можно было не только объяснять все известные явле-ния, но и предсказывать новые.

Победа атомно-молекулярного учения

Следующий важный шаг в развитии научной химии был сделан Джоном Дальтоном (1766-1844), ткачом и школьным учителем из Манчестера. Изучая химический состав газов, он иссле-довал весовые количества кислорода, приходящиеся на одно и то же весовое количество веще-ства (например, азота) в различных по количественному составу окислах, и установил крат-ность этих количеств. Например, в пяти окислах азота (N2O, NO, N2O3, NO2 и N2O5) количество кислорода относится на одно и то же весовое количество азота как 1 : 2 : 3 : 4 : 5. Так был от-крыт закон кратных отношений.

Дальтон правильно объяснил этот закон атомным строением вещества и способностью ато-мов одного вещества соединяться с различным количеством атомов другого вещества. При этом он ввел в химию понятие атомного веса.

И тем не менее в начале XIX в. атомно-молекулярное учение в химии с трудом пробивало себе дорогу. Понадобилось еще полстолетия для его окончательной победы. На этом пути был сформулирован ряд количественных законов (закон постоянных отношений Пруста, закон объ-емных отношений Гей-Люссака, закон Авогадро, согласно которому при одинаковых условиях одинаковые объемы всех газов содержат одно и то же число молекул), которые получали объ-яснение с позиций атомно-молекулярных представлений. Для экспериментального обоснования атомистики и ее внедрения в химию много усилий приложил Й.Я. Берцелиус (1779-1848). Окончательную победу атомно-молекулярное учение (и опирающиеся на него способы опреде-ления атомных и молекулярных весов) одержало на 1-м Международном конгрессе химиков (1860).

В 1850—1870-е гг. на основе учения о валентности химической связи была разработана тео-рия химического строения (A.M. Бутлеров, 1861), которая обусловила огромный успех органи-ческого синтеза и возникновение новых отраслей химической промышленности (производство красителей, медикаментов, нефтепереработка и др.), а в теоретическом плане открыла путь тео-рии пространственного строения органических соединений — стереохимии (Я.Х. Вант-Гофф, 1874). Во второй половине XIX в. складываются физическая химия, химическая кинетика - уче-ние о скоростях химических реакций, теория электролитической диссоциации, химическая тер-модинамика. Таким образом, в химии XIX в. сложился новый общий теоретический подход -

23

определение свойств химических веществ в зависимости не только от состава, но и от структу-ры.

Развитие атомно-молекулярного учения привело к идее о сложном строении не только мо-лекулы, но и атома. В начале XIX в. эту мысль высказал английский ученый У. Праут на основе результатов измерений, показывавших, что атомные веса элементов кратны атомному весу во-дорода. Праут предложил гипотезу, согласно которой атомы всех элементов состоят из атомов водорода. Новый толчок для развития идеи о сложном строении атома дало великое открытие Д. И. Менделеевым (1869) периодической системы элементов, которая наталкивала на мысль о том, что атомы не являются неделимыми, что они обладают структурой и их нельзя считать первичными материальными образованиями.

Семинар II-3. Биологическая эволюция материи

Литература Основная 1. Найдыш В.М.. Концепции современного естествознания. М.: 2003. 2. Концепции современного естествознания./ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников и др. - М.:

2001. 3. Тулинов В.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. 4. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М.: Академический Проект,

2004. 5. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. – М.: ООО «Изд. дом «ОНИКС

21 век»», 2005. 6. Канке В.А. Концепции современного естествознания. – М.: Логос, 2004. Дополнительная 1. Кузнецов В.И. Эволюция представлений об основных законах жизни. – М.: Наука, 1967. 2. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. – М.: АГАР, 1996. 3. Шиманович И.Е., Павлович М.Л., Тикавый В.Ф., Малашко П.М. Общая химия в форму-

лах, определениях, схемах. – Минск: Университетское, 1996. 4. Эмсли Дж. Элементы. – М.: Мир, 1993.

Вопросы для обсуждения

Становление и развитие научных знаний о живой материи

1. Искусственная классификация животных и растений К. Линнея. Научная заслуга К. Линнея.

2. Проблемы эмбрионального развития живого (эмбриогенез) в XVII-XVIII вв.: префор-мизм и эпигенез. Первый вывод о возможности научной постановки проблемы происхо-ждения жизни К. Вольфа.

3. Концепция трансформизма Ж. Бюффона как предпосылка первой фундаментальной био-логической теории – теории естественного отбора.

4. Одна из главных научных заслуг Ж. Ламарка. Ламарковская концепция эволюции (ла-маркизм): ее база; теоретико-методологическая основа; понятие среды обитания; ее принципы.

5. Идея биологической эволюции в концепции катастрофизма Ж. Кювье и др. Главная «ошибка» катастрофистов в объяснении эволюции органических форм. Принципиальные положения концепции катастрофизма.

24

6. Концепция униформизма Дж. Геттона, Ч. Лайеля и др.: ее установки; предпосылки; ме-тод; теоретические принципы.

7. Клеточная теория М Шлейдена и Т. Шванна как морфологическое выражение структур-ного подобия организмов.

8. Дарвиновская теория эволюции: ее принципиальные положения. Дарвиновское понятие изменчивости. В чем «научное сходство» Ньютона и Дарвина?

9. Научные факты и закономерности, подтверждающие принцип естественного отбора. 10. В чем выражается универсальный принцип развития организма. Что послужило опреде-

ляющим фактором в клеточной теории для создания учения о природе наследственности (генетики).

11. Научные заслуги О. Сажрэ в учении о наследственности. 12. Законы Г. Менделя о наследственности и их новаторская значимость. Прокомментиро-

вать: «В 1900 г. законы Менделя были переоткрыты … Г. де Фризом, К. Корренсом и Э. Чермаком».

13. Синтетическая теория эволюции: ее принципиальные положения и ее значение для нау-ки биологии.

14. Суть научной революции в молекулярной биологии к середине XX века. 15. Мировоззренческая направленность современных биологических знаний: антропосоцио-

генез и глобальная эволюция живой материи.

Живая природа в естественнонаучной картине мира

1. Основные признаки (черты) живого, раскрыть кратко их сущность. Какие два класса сложных органических молекул составляют основу жизни (определяют жизнь)? Что оз-начает термин «конвариантная редупликация»?

2. Основные уровни организации живого: принципиальные положения (закономерности). 3. Популяционно-видовой уровень. Популяция. 4. Биогеоценотический уровень. Биоценоз. Биогеоценоз. Биосфера.

Возникновение жизни на Земле

1. Четыре главных условия возможного возникновения жизни? 2. Объяснить феномен отсутствия кислорода в возникновении жизни? 3. Гипотеза А.И. Опарина о механизме зарождения жизни. 4. Коацерватные капли и их роль в появлении живого на Земле. 5. Биологические мембраны и их роль в возникновении жизни. 6. Характеристика сложных ультрамолекулярных систем – пробионтов: их состав. 7. Главная проблема происхождения жизни как величайшего качественного скачка в эво-

люции материи? 8. Что представляли собой первые организмы на Земле? 9. Основные химические элементы, из которых построена жизнь. 10. Назвать три главных свойства, которым должны были обладать предшественники (агре-

гаты) современных клеток. Как называется совокупность всех химических реакций в живой клетке?

11. Описать возникновение метаболизма у примитивных клеток. 12. Описать возникновение размножения. Каков механизм кодирования генетической ин-

формации? 13. Что можно считать завершающим процессом возникновения жизни? 14. Какие организмы называют гетеротрофами? Каким образом происходило развитие авто-

трофности?

25

15. Появление в атмосфере кислорода как продукта фотосинтеза.

Темы докладов 1. Классификация животных и растений К. Линнея 2. Изменчивость видов по Ламарку 3. Теория эволюции Ч. Дарвина. 4. Синтетическая теория эволюции. 5. Учение о наследственности. 6. Молекулярная биология. 7. Эволюция одноклеточных и многоклеточных организмов. 8. Эволюция растительного мира в истории Земли. 9. Эволюция животного мира в истории Земли. 10. Вода и жизнь.

Семинар II-4. Биосфера. Человек. Ноосфера

Литература Основная 1. В.М. Найдыш. Концепции современного естествознания. М.: 1999-2003. 2. Концепции современного естествознания./ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников и др. - М.:

2001. Дополнительная 1. Андреев И.Л. Происхождение человека и общества. – М.: Мысль, 1982. 2. Дубинин Н.П. Генетика и человек. – М.: Просвещение, 1978. 3. Кибернетика живого: Человек в разных аспектах. – М.: Наука, 1985. 4. Юдин Б. Возможно ли рациональное самоубийство? // Человек. 1992. №6. 5. Кузнецов В.И. Эволюция представлений об основных законах жизни. – М.: Наука, 1967. 6. Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. – М.: Наука, 1988. 7. Гумилев Л.Н. Этногенез и биосфера Земли. – М.: Танаис ДИ-ДИК, 1994. 8. Моисеев Н.Н. Человек и биосфера. – М.: Молодая гвардия, 1985. 9. Моисеев Н.Н. Человек и ноосфера. – М.: Молодая гвардия, 1990. 10. Русский Космизм: Антология философской мысли. / Сост. С.Г. Семенов, А.Г. Гачева. –

М.: Педагогика-Пресс, 1993. 11. Филатов В.П. Живой космос: человек между силами земли и неба// Вопросы философии.

1994, №2.

Вопросы для обсуждения

Биосфера

1. Чем отличаются понятия: «живое вещество», «биосфера», «биоценоз», «биогеоценоз»? 2. Характер эволюции биосферы. В чем сущность учения В.И. Вернадского о биосфере и

ноосфере? 3. Биогеохимические принципы В.И. Вернадского 4. Сущность концепции географического детерминизма? Что в ней рационально, а что пре-

увеличено?

26

5. Иерархия понятий: «природа», «географическая среда», «окружающая среда». 6. Техносфера. Какова ее роль в эволюции биосферы? 7. Опасность «парникового эффекта». 8. Влияние космоса на земные процессы. Представители «русского космизма». 9. Оценить масштаб современного антропогенного воздействия на природную среду. 10. Содержание и причина глобальных экологических проблем. Каковы пути их решения? 11. Какие особенности экологических проблем свойственны для современной России?

Происхождение и эволюция человека. Антропосоциогенез

1. Место человека в биосфере Земли. 2. Суть понятия «антропосоциогенеза»: его основные проблемы. 3. Современные научные представления о происхождении человека. 4. В чем сходство и отличие человека от животных? 5. Суть проблемы «питекантропа» – главной проблемы антропологии. 6. Соотношение биологического и социального в историческом развитии человека; в инди-

видуальном развитии человека. 7. Социально-этические проблемы генной инженерии человека. 8. Характеристика взаимодействия сознательного и бессознательного в мотивации поведе-

ния человека. 9. Концепция коэволюции: ее принципы. 10. Сущность учения В.И. Вернадского о ноосфере.

Темы докладов 1. Происхождение человека и общества. 2. Планетные экологические проблемы.

Круглый стол I. Методология и история естествознания. Становление научных картин мира

Вопросы для круглого стола

Методология современного естествознания

1. Методологическая основа современного естествознания. Принцип глобального эволю-ционизма. Синергетика как теория самоорганизации.

2. Наука и научный метод. Принципы, критерии и нормы научности знания. 3. Основные этические ценности науки. Актуальность этики науки. 4. Научное познание, его уровни и критерии. 5. Научные революции. 6. Модели построения научного знания. Общие модели развития науки. 7. Основные «критерии» науки как социального явления.

История естествознания

1. Мифологическое видение мира. Хаос и космос в древнегреческих мифах. 2. Античная наука. Первая естественнонаучная проблема и естественнонаучные програм-

мы познания природы.

27

3. Познавательные традиции средневековья: схоластика, «натуральная магия», «алхимия». Свободные искусства средневековья.

4. Возникновение новоевропейской науки: Коперник, Кеплер, Декарт, Галилей, Ньютон. 5. Открытие законов движения земных и небесных тел. Ньютоновская модель Вселенной. 6. Центральное понятие термодинамики. Понятие о «тепловой смерти» Вселенной. 7. Открытие явлений с волновой природой. 8. Скорость света и открытие способов ее определения. 9. Полевая концепция Фарадея и Максвелла. 10. Возникновение и развитие научной химии. 11. Концепция трансформизма. Ламаркизм, катастрофизм и униформизм. 12. Концепция дарвинизма.

Становление научных картин мира

1. Учение Аристотеля и Демокрита о материи и ее форме. Первоматерия. 2. Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы мира. 3. Механическая картина мира. 4. Электродинамическая картина мира. 5. Квантово-полевое представление микромира. Корпускулярно-волновой дуализм. 6. Представления о современной естественнонаучной картине мира. 7. Общие контуры эволюции Вселенной.

Круглый стол II. Эволюция живой и неживой природы. Эволюция общества

Вопросы для круглого стола

Эволюция Вселенной

1. Космологические модели Вселенной И. Ньютона и А. Эйнштейна. 2. Космологическая модель Вселенной А.А. Фридмана. 3. Космологическая модель Вселенной – модель Большого Взрыва (БВ) Г.А. Гамова. 4. Открытие, революционно изменившее статус космологии. История открытия и значение

для космологии. Природа наблюдаемого сейчас реликтового излучения. 5. Модель раздувающейся Вселенной и ее центральное понятие. 6. Объяснить этапы начала Вселенной: эра «супа», эра «кварковой жидкости» 7. «Антропный принцип» в космологии.

Химическая эволюция преджизни

1. Первый и второй этапы биогенеза. 2. Роль кислорода в процессе химической эволюции на Земле. 3. Образование «первичного бульона» на Земле и коацерватов.

Биологические эволюционные теории

1. Дарвиновская теория эволюции: ее принципиальные положения. «Научное сходство» Ньютона и Дарвина?

2. Синтетическая теория эволюции: ее принципиальные положения и ее значение для нау-ки биологии.

28

3. Основные уровни организации живого: принципиальные положения

Возникновение жизни на Земле

1. Гипотеза А.И. Опарина о механизме зарождения жизни. 2. Образование биологических мембран и их роль. 3. Пробионты, их состав и роль в возникновении жизни. 4. Главная проблема происхождения жизни? 5. Первые живые организмы на Земле? 6. Основные химические элементы, из которых построена жизнь. 7. Что можно считать завершающим процессом возникновения жизни?

Антропосоциогенез

1. Главная проблема антропологии. 2. Соотношение биологического и социального в историческом развитии человека. 3. Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере: биогеохимические принципы. 4. Техносфера и ее роль в эволюции биосферы. «Русский космизм». 5. Современное антропогенное воздействие на природную среду. 6. Мировоззренческий аспект антропосоциогенеза и глобальной эволюции живой материи.

Антропный принцип.