Учебное пособие новосибирск 2012 ббк 20я73 К65 Константинова Н. И - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Учебное пособие новосибирск 2012 ббк 20я73 К65 Константинова Н. И - страница №1/6



Российская академия предпринимательства

Новосибирский филиал





Н.И. Константинова

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Учебное пособие





НОВОСИБИРСК

2012

ББК 20я73

К65
Константинова Н.И.

К65 Концепция современного естествознания: Учебное пособие. – Новосибирск: НФ РАП, 2012.

Рецензент: доктор химических наук, профессор Ю.И. Михайлов.

Учебное пособие утверждено к изучению на заседании кафедры «Гуманитарных, социально-экономических и естественных наук».

Протокол № 5 от 27 января 2012 г.


Рекомендовано к изданию Ученым советом НФ РАП,

протокол № 4 от 6 февраля 2012 г.

В учебном пособии изложены в соответствии с требованиями Государственного стандарта история развития естествознания и основные концептуальные положения физики, химии, биологии.

Пособие предназначено для студентов вузов, аспирантов и преподавателей.

ББК 20я73

К65


 Константинова Н.И., 2012

 НФ РАП, 2012




СОДЕРЖАНИЕ


ТРЕБОВАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОГО СТАНДАРТА…….....
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ЦЕЛИ КУРСА «КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»…...
ПРЕДМЕТНЫЕ ЦЕЛИ…………………………………………….
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА………………………………..
КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ……………………………………..
КОНСУЛЬТАЦИИ И ЛЕКЦИИ…………………………………..
ЗАЧЕТ И ЭКЗАМЕН………………………………………………
4.1. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В СИСТЕМЕ НАУК…………………

4.1.1 Природа как единственный объект исследования естествознания……………………………………………………..

4.1.2 Тенденции развития современного естествознания………
4.2 ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ…………………

4.2.1. Попытка научной систематизации картины мира. Естественнонаучная революция Аристотеля……………………

4.2.2. Архимед и геометрия Евклида……………………………..

4.2.3. Гелиоцентрическая система мира Коперника. Вторая естественнонаучная революция…………………………………..

4.2.4. Кеплер и его законы движения планет…………………….

4.2.5. Закон всемирного тяготения Ньютона…………………….

4.2.6. Универсальный закон сохранения Ломоносова…………..

4.2.7. Рождение науки об электричестве…………………………

4.2.8. Создание теории электромагнитного поля Максвеллом…

4.2.9. Специальная теория относительности Эйнштейна……….

4.2.10. Создание квантовой механики. Корпускулярно-волновой дуализм………………………………………………….

4.2.11. Теория гравитационного поля Эйнштейна. Общая теория относительности…………………………………………..

4.2.12. Космические модели вселенной. Третья естественнонаучная революция…………………………………..

4.2.13. Элементарные частицы и силы в природе……………….

4.2.14. Объединение физики. Зарождение четвертой глобальной естественнонаучной революции…………………….
4.3. МЕТОДОЛОГИЯ В РАЗВИТИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК……………………………………………………………….
4.4 ХИМИЯ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ, ВЕЛИКИЕ ХИМИЧЕСКИЕ ОТКРЫТИЯ…………………………………….

4.4.1 Взаимосвязь естественных наук. Уровни организации материи……………………………………………………………..

4.4.2. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева………………………..

4.4.3 Основная проблема химии как науки………………………


4.5. ИСТОРИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ……
4.6. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ. ФОРМЫ И УРОВНИ ЖИЗНИ……………………………………………………………..

4.6.1. Традиционная или натуралистическая биология. Биологическая система Линнея…………………………………..

4.6.2. Физико-химическая биология

4.6.3. Эволюционная биология. Теория эволюции Ч. Дарвина...

4.6.4. Молекулярно-генетический уровень...…………………….

4.6.5. Происхождение жизни……………………………………...

4.6.6. Современное развитие эволюционной теории Ч. Дарвина. Молекулярно-генетический подход…………………...
4.7. ИЗУЧЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОСНОВ ВОСПРОИЗВОДСТВА ЖИЗНИ И ПРОЦЕССОВ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ………………………………………..

4.7.1. Законы генетики Менделя. Открытия генетической роли нуклеиновых кислот……………………………………………….

4.7.2. Открытие молекулярных механизмов генетической репродукции и биосинтеза белка…………………………………

4.7.3. Открытие молекулярно-генетических механизмов изменчивости………………………………………………………

4.7.4. Изучение молекулярных основ обмена веществ………….

4.7.5. Онтогенетический уровень…………………………………

4.7.6. Открытие клетки английским натуралистом Гуком Изучение строения клетки Шванном…………………………….

4.7.7. Функционирование на онтогенетическом уровне………..

4.7.8. Популяционно-биоценотический уровень………………...
4.8. ОРГАНИЗМ И СРЕДА. ЭКОЛОГИЯ, ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ЭКОЛОГИИ………...…………………………………..

4.8.1. Новое состояние биосферы в результате взаимодействия человека и природы………………………………………………..

4.8.2 Синергетика. Принципы синергетики……………………..

4.8.3. Физиология – основа здоровье человека. Гомеостазис.

Основные концепции современной физиологии………………...

4.8.4. Биоэтика, мотивация поведения человека. Истоки человеческой морали и этики……………………………………..


ТЕМАТИКА РЕФЕРАТОВ……………………………………….
ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ…………………………………………
ТЕСТЫ……………………………………………………………...
ТЕСТ-ТРЕНИНГ…………………………………………………...
ВОПРОСЫ К ЗАЧЕТУ/ЭКЗАМЕНУ…………………………….
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА…………………………….


6

6
7
7


7
8
8
9
10

11
15


15

18
20

24

24

27



28

30

31


35
37
38

43
50

54

54
54


57

61
62

66
67

69

71



75

76
79


80
81


82
84

85

86


87

88

88



90
93

95
99


120
136
137
139
142
143
145


ТРЕБОВАНИЯ ГОСУДАРСТВЕННОГО СТАНДАРТА

Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования по направлению «Менеджмент организации» 061100 от 17.03.2000 г., «Бухгалтерский учет, анализ и аудит» 060500 формирует общие требования к образованности бакалавра, относящиеся к дисциплине «Концепции современного естествознания».

Студент в области «Концепции современного естествознания» должен знать и иметь представление;

– о самоорганизации в живой и неживой природе;

– об иерархии структурных элементов материи от микро- до макро- и мегамира;

– о взаимоотношениях между физическими, химическими и биологическими процессами;

– о специфике живого, принципах воспроизводства и развития живых систем, их целостности и гомеостазе, иерархичности, уровнях организации и функциональной асимметрии живых систем;

– о биологическом многообразии, его роли в сохранении биосферы и принципах систематики;

– о физиологических основах психологии, социального поведения, экологии и здоровья человека;

– о взаимодействии организма и среды, сообществах организмов, экосистемах, принципах охраны природы и рационального природопользования;

– о месте человека в эволюции Земли, ноосфере, парадигме единой культуры.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ЦЕЛИ КУРСА «КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

Курс построен в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования, его цель сформулирована в терминах: «иметь представление», «знать» и «уметь».

Главной частью курса является история развития естествознания, этапы становления науки, биологии, химии, физики.

Цели курса сформулированы в терминах, допускающих проверку качества знания студента.

Для проверки подготовленности студента по предмету используются задачи (для студентов дневного отделения – тест).

ПРЕДМЕТНЫЕ ЦЕЛИ

Студент после прохождения обучения должен иметь представление:

– об основных этапах развития естествознания, молекулярной логике живого, о взаимоотношениях между химическими, физическими и биологическими явлениями;

– о проблемах здравоохранения, связанных с питанием человека;

– о принципах воспроизводства и развитии живых систем, о биотехнологии и генной инженерии, о генетике и эволюции;

– о биологической индивидуальности, онтогенезе и филогенезе;

– о биологических пределах человеческой жизни, об основных факторах риска для здоровья человека, об экологии окружающей среды;

– о биосфере и месте человека, о ноосфере и биологических за конах;

Должен знать:

– основные понятия и законы химии;

– структуру, свойства и биологическую роль молекулярных компонентов клеток организма;

– основные законы генетики и передачи наследственной ин формации;

– специфику современных экологических проблем.

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА

Основной вид учебных занятий студентов-заочников – самостоятельная работа над учебным материалом. По курсу «Концепции современного естествознания» она слагается из следующих элементов: изучение материала по учебникам и учебным пособиям; выполнение контрольного задания; индивидуальные консультации (очные и письменные); посещение лекций и семинаров; сдача экзамена по всему курсу; написание реферата.



КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

В процессе изучения курса «Концепции современного естествознания» студент должен выполнить контрольную работу. К выполнению контрольной работы можно приступить после освоения определенной части курса и анализа решений соответствующих примеров.

Контрольная работа должна быть аккуратно оформлена; для замечаний рецензента надо оставлять широкие поля; писать четко и ясно; номера и условия задач переписывать в том порядке, в каком они указаны в задании. В конце работы следует дать список использованной литературы с указанием года издания.

КОНСУЛЬТАЦИИ И ЛЕКЦИИ

Консультации по курсу проводятся во время установочной, экзаменационной сессии, а также в межсессионный период. Они выполняются как в устной, так и в письменной форме по запросу студента.

Основные вопросы разделов курса, понимание которых необходимо для самостоятельной работы студента над контрольным заданием, преподаватель рассматривает на установочной сессии во время лекции-консультации.

ЗАЧЕТ И ЭКЗАМЕН

Основные теоретические вопросы курса студенты рассматривают на практических занятиях.

К сдаче экзамена допускаются студенты, которые выполнили контрольные задания, написали реферат по предложенной тематике и освоили все вопросы к экзамену/зачету.

4.1. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В СИСТЕМЕ НАУК
1. Естествознание – это наука о Природе как единой целостности.

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

На первый взгляд эти два определения различны. Действительно, в первом из них говорится всего лишь об одной науке о Природе, тогда как второе определение говорит о естествознании как о множестве наук, изучающих Природу. На самом же деле между этими двумя определениями большого различия нет, ибо под «совокупностью наук» подразумевается не просто сумма разрозненных наук, а единый комплекс тесно взаимосвязанных естественных наук, дополняющих друг друга. Это одна наука.

Отличием естествознания как науки от специальных естественных наук является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиций нескольких наук, «выискивая» наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривает Природу как бы сверху. При изучении отдельных естественных предметов в средней школе, вы, вероятно, заметили, что каждый предмет – химия, физика, или география имеет свои особенности. Естествознание, признавая специфику входящих в него наук, в то же время имеет своей главной целью исследование Природы как единого целого.

Зачем же следует изучать естествознание? Для того, чтобы четко представить себе подлинное единство Природы, то единое основание, на котором построено все разнообразие предметов и явлений Природы и из которого вытекают основные законы, связывающие микро– и макромиры: Землю и Космос, физические и химические явления между собой, а также с жизнью и разумом.

Изучая отдельные естественные, науки, невозможно познать Природу как единое целое. Действительно, предположим, что вы хорошо представляете работу отдельных органов человека, но вы, вероятно, не всегда знаете те законы, которым подчиняется работа этих органов. Поэтому изучение предметов по отдельности – физики, химии и биологии, – является лишь первой ступенькой к познанию Природы во всей ее целостности, т.е. познанию ее законов с общей естественнонаучной позиции. Отсюда вытекает и цели естествознания, предполагающие решение двух задач:

1) выявления скрытых связей, создающих органическое единство всех физических, химических и биологических явлений;

2) более глубокого и точного познания самих этих явлений.

Эта программа продиктована реальным ходом познания Природы.

4.1.1 Природа как единственный объект исследования естествознания

Естествознание традиционно подразделяют на физику, химию, биологию и психологию. Физики имеют дело не только со всевозможными материальными телами, но с материей вообще. Химия изучает различные вещества. Предмет исследования биологии – живые организмы, а психология имеет дело с познанием тайн человеческой психики.

Следует, однако, иметь в виду условность такого деления. Дело в том, что сама Природа едина, она не знает наук, изобретенных человечеством для ее познания. Очень часто в центре исследования самых разнообразных естественных наук стоит всего одно какое-нибудь природное явление, которое изучается с разных точек зрения, с позиций разных естественных наук. Каждая из данных наук склонна применять свои специальные методы и подходы для создания собственного научного представления о предмете. Но «нельзя объять необъятное»! Каждая из данных наук может «поставлять» лишь часть специальных знаний об изучаемом сложном явлении. Истинное же знание об изучаемом предмете как едином целом может быть получено при объединении этих специальных представлений, поиске точек пересечения разных наук, установлении взаимосвязи между отдельными открытиями и поиске первоначальных причин явления.

Единство объектов исследования приводит к тому, что появляются новые, так называемые междисциплинарные науки, стоящие на стыке нескольких традиционных естественных наук. Среди них – биофизика, физическая химия, физико-химическая биология, психофизика и т.д.

Сегодня, например, всю химию можно назвать физической. Это продиктовано невозможностью объяснить химические явления чисто химическим средствами и, следовательно, необходимо обращение к физике. Такое объединение химии и физики есть не что иное, как проявление единства Природы, которая, как уже говорилось выше, не знает деления на разные науки.

Тенденции такого единения или интеграции естественнонаучных знаний стали проявляться очень давно. Еще в 1747–1752 годах М.В. Ломоносов (1711–1765) обосновал необходимость привлечения физики для объяснения химических явлений. Он придумал имя для новой науки, назвав ее физической химией.

Кроме физики, химии и биологии к естественным наукам относятся и другие, например, геология и география, которые имеют комплексный характер. Геология изучает состав и строение нашей планеты в их эволюции на протяжении миллиардов лет. Ее основные разделы – минералогия, петрография, вулканология, тектоника и т.д. –производные от кристаллографии, кристаллофизики, геофизики, геохимии и биогеохимии. Также и география «пропитана» физическими, химическими и биологическими знаниями, которые в разной степени проявляются в таких ее основных разделах, как: физическая география, география почв и т.д. Таким образом, все исследования Природы сегодня можно представить в виде огромной сети, связывающей многочисленные ответвления физических, химических и биологических наук.

4.1.2 Тенденции развития современного естествознания

Интеграция науки, появление новых смежных дисциплин в естествознании – все это знаменует собой нынешний этап развития науки. Всего же (с точки зрения истории науки) человечество в своем познании Природы прошло три стадии и вступает в четвертую.

На первой из них сформировались общие представления об окружающем мире как о чем-то целом, едином. Появилась так называемая натурфилософия, которая была вместилищем идей и догадок. Так продолжалось до XV столетия.

С XV–XVI веков началась аналитическая стадия, т.е. расчленение и выделение частностей, приведших к возникновению и развитию физики, химии и биологии, а также целого ряда других, более частных естественных наук.

Наконец, в настоящее время делаются попытки обосновать принципиальную целостность всего естествознания и ответить на вопрос: почему именно физика, химия, биология и психология стали основными и как бы самостоятельными разделами науки о Природе?

Происходит также и дифференциация науки, т.е. создание узких областей какой-либо науки, однако, общая тенденция идет именно к интеграции науки. Поэтому последнюю стадию (четвертую) начинающую осуществляться, называют интегрально-дифференциальной.

В настоящее время нет ни одной области естественнонаучных исследований, которые относились бы исключительно к физике, химии или биологии в чистом виде. Все эти науки «пронизаны» общими для них законами Природы.

Но как можно представить себе всю разнородную Природу (Вселенную, Жизнь и Разум) в виде единого объекта исследования? В чем же заключается это искомое единство? Мы лучше поймем это, если попытаемся ответить на другой вопрос: на чем основывается или должно основываться все естество знание? Существует ли что-то общее во всех специальных науках? Вы уже, наверное, догадались, что речь пойдет о «царице всех наук» – математике, без логического аппарата которой не обойтись ни одной из естественных наук.



Математика – универсальный язык точного естествознания

Выдающийся итальянский физик и астроном, один из создателей точного естествознания Галилео Галилей (1564–1642) сказал: «Тот, кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи математики, ставит неразрешимую задачу. Следует измерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является».

Необходимая для точного естествознания математика начинается с простейшего счета и со всевозможных простейших измерений. По мере своего развития точное естествознание использует все более совершенный математический арсенал так, называемой высшей математики.

Математика, как логический вывод и средство познания Природы, – творение древних греков, которым они начали всерьез заниматься за шесть веков до нашей эры. Начиная с VI в. до н.э. у греков сложилось понимание того, что Природа устроена рационально, а все явления протекают по точному плану, – «математическому». Платон (428/427–348/347 до н.э.), один из основоположников натуральной философии (философии Природы), начертал в качестве девиза своей философской школы следующие слова: «Негеометр – да не войдет».

Галилео Галилей в одном из своих произведений, взвешивая все ничтожные философские аргументы одного из своих оппонентов, противопоставлял им истинную философию как открытую книгу Природы, доступную лишь тому, кто знает язык математики.

Немецкий философ Иммануил Кант (1724–1804) утверждал в своих «Метафизических началах естествознания», что: «В любом частном учении о природе можно найти науки в собственном смысле (т.е. чистой, фундаментальной) лишь столько, сколько имеется в ней математики». Здесь стоит привести и высказывание Карла Маркса (1818–1883) о том, что: «Наука только тогда достигает совершенства, когда ей удается пользоваться математикой».

При работе над общей теорией относительности, да и в дальнейшем, Альберт Эйнштейн (1879–1955) непрерывно совершенствовался в изучении и применении математики, причем самых новейших и сложных ее разделов.

Из всех высказываний великих людей (эти высказывания можно было бы приводить бесконечно) следует, что математика – это «цемент», который связывает воедино науки, входящие в естествознание и позволяет взглянуть на него как на целостную науку.


Составные части современного естествознания

Согласно учению о системах, важнейшей особенностью систем со сложной структурой является их иерархичность (от греческого hierarchia – лестница соподчинения), а также наличие в них нескольких уровней строения или организации. У высокоорганизованных систем полнее, рельефнее проявляется принцип иерархии ее подсистем или структурных уровней. Более того, в такой системе уже действует не принцип равноправности подсистем (или координации), но принцип соподчинения, т.е. субординации.

Иерархичность есть и в естественных науках. Впервые на нее указал французский физик Андре Ампер (1775–1836), который попытался найти принципы естественной классификации всех известных в его время естественных наук. Созданную им картину наук о Природе он представил в форме «единой системы», состоящей из различных по глубине идей и разной точности экспериментального материала. Физику он поместил на первое место, как науку более фундаментальную, химию – на второе, как бы выводя ее из физики.

В середине XIX века рядом естествоиспытателей и философов были выдвинуты идеи об иерархии наук в форме четырех ее последовательных ступеней: механики, физики, химии, биологии.

Такого рода идеи о субординации естественных наук широко обсуждаются и сегодня. При этом выделяют одну очень важную проблему: можно ли сводить все биологические явления к химическим, а химические – к физическим? Такое сведение «высшего» к «низшему» носит название редукционизма (от латинского reductio – возвращение, сведение к прежнему). Согласно этой точке зрения, все химические явления, строение веществ можно объяснить посредством физических знаний. Но существует и другая точка зрения, противоположная этой: каждый вид материи и каждая ее форма (физическая, химическая, биологическая) настолько обособлены друг от друга, что между ними «нет прямых переходов». Общепризнанной оказалась средняя синтетическая точка зрения: и химию, и биологию до известной степени можно свести к физике, т.е. объяснять через физические знания.

Оказалась не менее важной и другая идея, характеризующая связи естественных наук между собой. Сегодня установлено, что огромную роль в изучении Природы играет использование биологических знаний в химии, а биохимических – в физике. Это направление носит название холизма или интегратизма. Действительно, в живом организме протекают высокопродуктивные химические реакции и физические явления. И сегодня освоение «химического опыта живой природы» служит важнейшим направлением развития химии и химической технологии.

В сущности, редукционизм и холизм не противостоят друг другу. Их различие заключается лишь в направленности движения мысли ученого: обращается ли он при объяснении данного явления к нижележащему уровню естественнонаучных знаний или ориентируется на более высокоорганизованный объект. Эти два метода могут и должны использоваться во всем естествознании, дополняя друг друга.

Кроме того, иерархия основных естественных наук имеет циклически замкнутый характер.

Это можно изобразить с помощью следующей схемы:
ВЗАИМОСВЯЗЬ НАУК В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ


Физика

Химия

Биология

Психология




Из этой схемы ясно, что химия имеет своим основанием физику, при этом сама является основанием для биологии и психологии. Психология занимает высшее место, но вместе с тем циклически замыкается с исходной наукой всей цепи – физикой.

Цикличность – это свойство, присущее самой Природе. Всем известен круговорот веществ в Природе. Каждые сутки ночь сменяется днем, и каждый год наступает весна. Растение умирая, оставляет на Земле семена, из которых затем появляется новая жизнь. И все повторяется сначала. Даже Вселенная, по современной космологической концепции, представляет собой систему как бы замкнутых макромиров, каждый из которых, в конечном итоге, состоит из элементарных частиц, содержащих, в свою очередь, в себе целые квазизамкнутые миры. Поэтому нет ничего удивительного в том, что все естественные науки, имеющие общий объект исследования – Природу, которому присуще это свойство, также обладают им.

Следовательно, современное естествознание можно представить не только как совокупность естественных наук о Природе, но как единую систему, компоненты которой (естественные науки) являются настолько тесно взаимосвязанными, что вытекают друг из друга, т.е. представляют собой подлинное единство.



4.2 ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

4.2.1. Попытка научной систематизации картины мира. Естественнонаучная революция Аристотеля

Усвоить естествознание легче, исследуя его развитие во времени. Давайте совершим экскурсию в прошлое науки. Дело в том, что в систему современного естествознания, наряду с новыми науками о Природе, входят и такие исторические области знаний, как древнегреческая натурфилософия, естествознание Средневековья, наука Нового времени и классическое естествознание до начала ХХ века. Это поистине бездонная сокровищница всех знаний, приобретенных человечеством за долгие годы своего существования на нашей планете. Вы готовы к путешествию? Тогда «полный вперед» в прошлое!

Попытка понять и объяснить мир без привлечения таинственных сил была впервые предпринята древними греками. В VII–VI в.в. до н.э. в Древней Греции появились первые научные учреждения: академия Платона, лицей Аристотеля, Александрийский музей. Именно в Греции была впервые выдвинута идея о единой материальной основе мира и его развитии.

Гениальной была идея атомистического строения материи, впервые высказанная Левкиппом (500–400 до н.э.) и развитая его учеником Демокритом (460–370 до н.э.).

Суть учения Демокрита сводится к следующему:

1. Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства (т.е. пустоты, небытия).

2. Атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме.

3. Из «ничего» не происходит ничего.

4. Ничто не совершается случайно, а только по какому-либо основанию и связи с необходимостью.

5. Различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке.

Развивая учения Демокрита, Эпикур (341–270 до н.э.) пытался объяснить на основе атомных представлений все естественные, психические и социальные явления. Если суммировать все воззрения Демокрита и Эпикура, то, имея хорошее воображение, можно увидеть в их трудах зачатки атомной и молекулярной – кинетической теории. Учение древнегреческих атомистов дошло до нас через знаменитую поэму «О природе вещей» Лукреция (99–56 до н.э.).

По мере накопления знаний о мире задача их систематизации становилась се более актуальной. Эта задача была выполнена одним из величайших мыслителей древности, учеником Платона – Аристотелем (384–322 до н.э.). Аристотель был наставником Александра Македонского, вплоть до его смерти. Аристотелем было написано много работ. В одной из них – «Физике», он рассматривает вопросы о материи и движении, о пространстве и времени, конечном и бесконечном, о существующих причинах.

В своей другой работе – «О небе» он привел два веских довода в пользу го, что Земля не плоская тарелка (как считали в то время), а круглый шар.

Во-первых, Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем. Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а это может быть лишь в том случае, если Земля имеет форму шара.

Во-вторых, греки как путешественники знали, что в южных районах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем в северных. Полярная звезда на Северном полюсе находится прямо над головой наблюдателя. Человеку же на экваторе кажется, что она располагается на линии горизонта. Зная разницу в кажущемся расположении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел вычислить длину экватора! Правда эта длина получилась несколько большей (примерно в два раза), но все равно в те времена это было крупное научное открытие.

Аристотель полагал, что Земля неподвижна, а Солнце, Луна, планеты и звезды обращаются вокруг нее по круговым орбитам.








Луна



Земля

Звезды и планеты




Интересно, что первые глобальные научные открытия были сделаны учеными не в земной области, а в области вселенской, космической. Именно из этих астрономических знаний родилась новая картина строения Вселенной, разрушая все старые привычные представления об окружающем людей мире. Эти знания настолько изменили и само мировоззрение всех живших в то время людей, что силу их воздействия на умы можно сравнить разве что с революцией – резкой переменой взглядов на устройство мира. Такие «перевороты» в основах знаний в научном мире так и называются – естественнонаучные революции.

Каждая глобальная естественнонаучная революция начинается именно с астрономии (величайший пример – создание теории относительности). Решая чисто астрономические проблемы, ученые начинают ясно понимать, что у современной науки нет достаточных оснований для ее объяснения. Далее начинается радикальный пересмотр всех имеющихся космологических представлений о мире и о Вселенной в целом. Завершается естественно научная революция (если дело доходит до этого) возведением нового физического фундамента под новые, радикально пересмотренные космологические представления о всем мироздании.

С этой точки зрения первой естественнонаучной революцией, преобразовавшей астрономию, космологию и физику, было создание последовательного учения о геоцентрической системе мира, начатое еще в VI в. до н.э. Анаксимандром и Аристотелем. Эту научную революцию естественно назвать Аристотелевой.



4.2.2. Архимед и геометрия Евклида

Переход к геоцентризму представлял собой первый и очень трудный шаг на пути к пониманию истинного строения Земли и космоса. Видимая полусфера неба, ограниченная местным горизонтом, была дополнена аналогичной невидимой полусферой до полной небесной сферы. Собственно и сама Земля, противопоставленная остальной (небесной) сферической Вселенной, занимающая в ней центральное положение и абсолютно неподвижная, стала считаться сферической (шарообразной). Ученым того времени с трудом пришлось смириться с тем фактом, что на диаметрально противоположном пункте земного шара, согласно этой модели, существуют люди, которые ходят по отношению к ним «вверх ногами»! Да, оказывается, что и сами ученые по отношению к этим людям тоже «стоят на голове». Это теперь, в эпоху спутников и «обычных» космических полетов вокруг Земли кажется: «Ну и что здесь странного? Земля – шар! Это же всем с пеленок известно!» Но представьте себе древних ученых, которым «с пеленок» было известно совсем другое – Земля плоская, она стоит на трех китах. Очень трудно было ломать старые представления об устройстве мира, тем более представить себе людей, стоящих на голове! Потому настоящее утверждение идеи о шарообразности нашей планеты произошло значительно позже – в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий, т.е. лишь на рубеже XV и XVI веков.

Мы же продолжим путешествие по Древней Греции. Именно здесь впервые зародились основы всем известной школьной геометрии, ее постулаты, ее теоремы – это не что иное, как переработанные «Начала» Евклида (III в. до н.э.). Его предшественники – Фалес, Пифагор, Аристотель и другие многое сделали для развития геометрии, но все это были отдельные фрагменты. Единую логическую схему геометрии смог дать только Евклид в своих «Началах» – уникальном произведении в истории человеческой культуры.

Трудно оценить то влияние, которое оказали «Начала» на научную деятельность многих ученых, совершивших революцию в естествознании. Николай Коперник никогда не расставался с томом Евклида. Галилео Галилей также прекрасно владел основами его геометрии. А Исаак Ньютон по примеру Евклида назвал свой фундаментальный труд «Начала». Геометрией Евклида был очарован и Эйнштейн. Он говорил: «Мы почитаем Древнюю Грецию как колыбель западной науки. Там была впервые создана геометрия Евклида – это чудо мысли... Тот не рожден для теоретических исследований, кто в молодости не восхищался этим творением».

Другим выдающимся ученым древнего мира является Архимед (287–212 до н.э.). Это был первый представитель математической физики, стремящийся воплотить законы механики (закон рычага, учение о центре тяжести, о плавании тел и др.) в действующие конструкции машин. Общеизвестным в настоящее время является закон Архимеда. Этот закон изложен в сочинении «О плавающих телах», где путем логических рассуждений приходит к его формулировке: «На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом». Далее Архимед разбирает условия равновесия плавающих тел, имеющих форму сферического и параболического сегментов. Выводы, полученные Архимедом, были подтверждены и развиты математиками и механиками XIX в. Основы гидростатики, заложенные им, получили развитие в XVI–XVII вв.

Разве можно после этого не удивляться гению Архимеда и не увлекаться теми легендами о нем, которые дошли до нас. Одна из легенд гласит о том далеком событии, когда Архимед одним движением руки спустил на воду тяжелый корабль, построенный для египетского царя Птолемея. Он сделал это, используя систему блоков. Другая легенда утверждает, что когда Архимед изобрел рычаг, он был настолько счастлив, что воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю!». Ну, а третья история, наверняка, известна и вам. Вы, вероятно, помните, как Архимеда, принимающего ванну и размышляющего о причинах, которые заставляют тела держаться на поверхности воды, внезапно озарила блестящая идея о выталкивающей силе. Голый Архимед выскочил из ванны и с радостными криками: «Эврика! Я нашел!» – выбежал на улицу. В память об этом гении древности потомки Архимеда и через века пронесут его возглас «Эврика!», ассоциирующийся теперь с любым неординарным научным открытием.


4.2.3. Гелиоцентрическая система мира Коперника.

Вторая естественнонаучная революция

Как уже было сказано, Аристотель утверждал, что Земля неподвижна и находится в центре Вселенной. Представления Аристотеля об устройстве мира оставались незыблемыми до XVII века. Это, конечно, не значит, что взамен ничего не предлагалось.

Так, Архимед (около 310–230 до н.э.) предложил еще в то время гелиоцентрическую систему, в которой: все планеты, в том числе и Земля, вращаются вокруг Солнца. Однако, подобная мысль слишком опережала свое время и была полностью отвергнута, в частности из-за ее противоречия аристотелевской картине мира.

Птолемей (около 100–165 н.э.) превратил идею Аристотеля в полную космологическую модель геоцентрической системы мира.

Земля стоит в центре, окруженная восемью сферами, и несущими на себе Луну, Солнце и планеты. Что лежит за последней сферой, не объяснялось. Но было бы неверным считать, что система Птолемея принималась безоговорочно. Уже в конце XIII века среди ученых появилось недовольство этой системой из-за ее сложности и громоздкости. Постепенно начали возникать и более обоснованные возражения.

Французский философ Николай Орезмский (1320–1382) высказал мысль, что легче представить себе вращение самой Земли, чем вращение вокруг нее огромной звездной сферы. Однако, дальше идеи не пошел.

Начало научной революции, которая низвергла систему Птолемея, а вместе с ней и все здание механики Аристотеля положил труд Николая Коперника (1473–1543). Коперник еще студентом познакомился с идеями о возможном движении Земли.


Он проникся убеждением, что наблюдаемые движения небесных тел лучше всего объясняются двумя движениями Земли: ее вращением вокруг своей оси и обращением вместе с другими планетами вокруг Солнца, которое находится в центре мира. В 1543 г. в год смерти Коперника вышла в свет его книга «О вращении небесных сфер». Книга вызвала большой интерес и многочисленные дискуссии.

Идея гелиоцентрической Вселенной и движущейся Земли начала быстро завоевывать умы ученых. В Англии теория Коперника нашла прочную поддержку. Там вышла книга Томаса Диггса (около 1545–1595) «Совершенное описание небесных сфер», где Диггс почти полностью перевел труд Коперника на английский язык.

В 1583 г. Англию посетил доминиканский монах Джордано Бруно, где он познакомился с теорией Коперника. Его горячую поддержку идей Коперника и представлений о бесконечном звездном космосе Католические церковники сочли проявлением еретических отношений к церкви. В 1600 г. Джордано Бруно был сожжен на костре за ересь, а его страстная пропаганда новых представлений о Вселенной привела к тому, что Католическая церковь предала теорию Коперника анафеме.

В Россию сведения о гелиоцентрической системе стали проникать только в XVII в. Ученый монах Епифаний Славинецкий с двумя помощниками перевел «Космографию» Янсона Блеу. Это был первый русский источник, излагавший теорию Коперника. Вскоре была переведена и «Селенография» Гевелия, в которой также говорилось об учении Коперника. Однако, обе книги так и не были напечатаны.

Первой книгой, которая познакомила широкий круг русских людей с учением Коперника, стала работа Фонтенеля «Разговор о множественности миров», переведенная на русский язык в 1740 г. Она в простой и занимательной форме знакомила с воззрениями Коперника, Бруно, Галилея.

Грандиозные успехи небесной механики (в конце XVII – начале ХIХ в.) вынудили Католическую церковь снять запрет с книги Коперника, а вместе с ней и с произведений Галилея и Кеплера.

Величие созданной Коперником гелиоцентрической системы мира обнаружилось после того, как Кеплер открыл истинные законы эллиптического движения планет, а Ньютон на их основе – закон всемирного тяготения. Леверье и Адамс на основании данных этой системы предсказали существование и теоретически определили местонахождение неизвестной планеты (Нептуна), а Галле, направив телескоп в указанную точку неба, открыл ее. Это ли не триумф учения Коперника, это ли не доказательство его истинности?

Самым знаменитым сторонником системы Коперника был итальянский ученый Галилео Галилей (1564–1642), который первым применил телескоп для астрономических наблюдений. Огромное значение имели труды Галилея по механике – они во многом способствовали созданию непротиворечивой теории механики и тяготения. Галилей, пожалуй, больше чем кто-либо другой ответственен за рождение современной науки. Знаменитый спор с Католической церковью занимал центральное место в философии Галилея, ибо он одним из первых объявил, что у человека есть надежда понять, как устроен мир, и более того, что этого можно добиться, наблюдая наш реальный мир.

Галилей сделал открытия, полностью изменившие представление человека о Вселенной. Многое в этих открытиях противоречило учению Аристотеля и давало очевидные подтверждения правильности систем Коперника.

Галилей обнаружил на поверхности Луны горы, долины, – то есть то, что свойственно земным ландшафтам. Он увидел тысячи и тысячи звезд, слишком слабых, чтобы их можно было наблюдать без телескопа, причем Млечный Путь, как оказалось, состоит из множества звезд, а отнюдь не представляет собой некое атмосферное явление, кок утверждал Аристотель. Наблюдая в телескоп планеты, Галилей заметил, что они предоставляют собой вполне различимые светящиеся диски, тогда как звезды и при самом большом увеличении остаются светящимися точками. Это означает, что звезды находятся на гораздо больших расстояниях от Земли, чем планеты.

Наблюдение замеченных на поверхности Солнца пятен помогло Галилею выяснить, что оно вращается вокруг своей оси. Получалось, что и Солнце совсем не идеальное эфирное тело, каким его считали до сих пор. Более того, если оно вращается вокруг своей оси, то и Земля может совершать подобное движение. Выяснилось также, что у Венеры наблюдается периодическая смена фаз, а это не находило объяснения в системе Аристотеля Птолемея. Но, пожалуй, самым важным открытием Галилея, опубликованном в его труде «Звездный вестник» в 1610 г., было наблюдение четырех спутников планеты Юпитер. Этот факт доказывал, что Земля не является единственным центром Вселенной, а, скорее всего, как это и следовало из системы Коперника, сама движется вокруг Солнца.

Наблюдения Галилея согласовывались с взглядами Коперника и, кроме того, являлись убедительным свидетельством против догмата о разделении мира на небо и Землю.

В своей знаменитой работе «Диалог о двух главнейших системах мира: Птолемеевой и Коперниковой», изданной в 1632 г., он приводит в пользу истинности учения Коперника не только астрономические, но и механические доводы.

Опровергая аргументы Птолемея, направленные против утверждения о вращении Земли, Галилей приходит к открытию Закона инерции и механического принципа относительности. Открытием Закона инерции было ликвидировано многовековое заблуждение Аристотеля о необходимости постоянной силы для поддержания равномерного движения. Оказалось, что равномерное и прямолинейное движение, равно как и покой, может существовать при отсутствии всяких сил. Это имело огромное, не только чисто научное, но и мировоззренческое значение. Как известно, к инерциальным системам отсчета относятся покоящиеся (неподвижные) системы и системы, которые движутся относительно неподвижных равномерно и прямолинейно. Равноправность таких систем Галилей доказывал различными опытами и логическими рассуждениями.

Именно Галилей впервые обратил внимание на относительность механического движения, сформулировав свой принцип относительности, согласно которому: «Никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно».

Преследование инквизиции, затем унизительное судилище подорвали здоровье Галилея. Однако, несмотря на запрет инквизиции за четыре года до смерти, он тайно переправил в голландское издательство рукопись своей второй большой книги «Две новые пауки». Именно эта работа дала рождение современной науке. Галилей по праву считается одним из основоположников опытного естествознания, т.к. им были впервые в истории науки сформулированы требования к научному эксперименту.


4.2.4. Кеплер и его законы движения планет

Вторым ученым, сыгравшим решающую роль в утверждении гелиоцентрической системы, был Иоганн Кеплер (1571–1630). В 1600 г. Кеплер, вплотную занявшись исследованием Марса, пришел к выводу: орбита Марса должна быть эллипсом.

Кеплер открыл три основных закона движения планет, которые так и называются – законами Кеплера. В современной формулировке они звучат так:

1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2. Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем площадь сектора орбиты, описанная радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени обращения.

3. Квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него.

Созданием своих законов Кеплер положил конец более чем двухтысячелетнему господству догматической веры в совершенство небес и идеи об идеальном круговом движении небесных тел как единственно возможном. Более того, Земля была окончательно «свергнута» со своего пьедестала в центре мироздания.

4.2.5. Закон всемирного тяготения Ньютона

На этом этапе развития естествознание находилось уже совсем близко от второй глобальной научно-технической революции, для совершения которой «не хватало только» Ньютона с его выдающимся трудом «Математические начала натуральной философии». Но основы механики для построения теории тяготения Ньютона уже были заложены Галилео Галилеем.



Исаак Ньютон (1643–1727) – выдающийся английский физик, механик, астроном и математик – сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, разработал (наряду с Лейбницем) дифференциальное и интегральное исчисления.

Ньютон по-настоящему занялся проблемой тяготения в 1665 г. Существует легенда, согласно которой, увидев в саду падающее с дерева яблоко, Ньютон подумал: не заставляет ли падать яблоко та же самая сила, что удерживает Луну на околоземной орбите? Однако, это только красивая легенда.

В действительности понадобилось величайшее умственное напряжение, обработка многих экспериментальных фактов для того, чтобы прийти к фундаментальному закону Природы – закону всемирного тяготения.

После многочисленных расчетов и уточнений, Ньютон приходит к твердому убеждению, что движением планет, Луны и всех тел, падающих на Землю, управляет одна и та же сила, известная под общим названием – тяготение. Прежде, чем дальше развивать свою теорию, Ньютон разработал необходимый математический аппарат. Это фактически была совершенно новая область математики – математический анализ.

В книге 1 «Начала» им были сформулированы три основных закона движения, имеющие фундаментальное значение и в современной физике. Приведем их современные формулировки.

Первый закон: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят этого состояния.

Второй закон: произведение массы тела m на его ускорение а равно действующей на него силе F = М х а, а направление ускорения совпадает с направлением силы.

Третий закон: действию всегда соответствует равное по величине и противоположно направленное противодействие.

Первый и второй законы Ньютона окончательно опровергли учение Аристотеля о силе и движении. Ньютон предельно ясно объяснил, что для поддержания движения сила не нужна. В его работах были определены и сами понятия силы, массы, инерции. Как следует из «Начала» Ньютона, его динамические законы не только следуют из соответствующих кинематических законов Кеплера и Галилея, но и сами могут быть положены в основу всех трех кинематических законов Кеплера и обоих кинематических законов Галилея (закон инерции и закон свободного падения).

Именно Ньютон впервые создал единую механику всех земных и небесных тел, с общими для них законами инерции, динамики, действия и противодействия, а также взаимного тяготения.

Последующие многочисленные наблюдения показали истинность законов Кеплера и закона всемирного тяготения Ньютона. Уже к концу первой половины XIX в. было установлено, что закон всемирного тяготения существует повсеместно в наблюдаемой области Вселенной. ньютоновское тяготение поистине универсально. Открылись широкие возможности для развития научного подхода к исследованию Вселенной и ее составных частей на основе лишь немногих фундаментальных законов и взаимодействий, имеющих одинаковую силу на Земле, в научной лаборатории и в космосе.

Лишь один из аспектов теории казался неудовлетворительным: сила ньютоновского тяготения действовала по всей огромной Вселенной, однако, природа этой силы оставалась загадочной. Сам Ньютон упорно отказывался даже от попыток объяснить природу гравитационной силы. Действительно, из закона тяготения сила взаимодействия между двумя телами:


следующая страница >>