Реферат: Концепции современного естествознания

СМОЛЕНСКИЙ ИНСТИТУТ БИЗНЕСА И ПРЕДПРИНИМАТЕЛЬСТВА

Сычев М.М.

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. Две культуры как отражение двух типов мышления

Этапы развития естественно-научного мышления. История естествознания.

Развитие физико-химической биологии

Панорама современного естествознания и его незавершенность.

Литература

Раздел 1. ФИЗИКА ГЛАЗАМИ ГУМАНИТАРИЯ: ОБРАЗЫ ФИЗИКИ

Пространство, время и материя в контексте культуры

Литература

Тема 1.1. Физика необходимого

Мир дискретных объектов - физика частиц

Состояние физической системы и его изменение со временем.

Импульс, энергия и момент системы как меры движения.

Мир непрерывных объектов - физика полей (континуум).

Сплошная среда и упругие волны

Взаимодействие: концепции близкодействия и дальнодействия

Электромагнитное поле и электромагнитные волны

Интерференция, дифракция и поляризация света.

Литература

Тема 1.2. Физика возможного

Мир микрообъектов - квантовая физика.

Атомы, молекулы, кристаллы.

Периодический закон Менделеева

Квантовые переходы и излучение.

Атомы и молекулы

Мир реальных макрообъектов - статистическая физика.

Тепловое равновесие и флуктуации. Неравновесные состояния и релаксация.

Тепловая физика: от Карно к Гиббсу

Энергия, температура, энтропия.

Ближний и дальний порядки в природе.

Микропорядок и макропорядок. Ближний и дальний порядок.

Фазовые переходы и симметрия.

Необратимость - неустранимое свойство реальности. Стрела времени.

Литература

Тема 1.3. Физика как целое

Иерархия структур природы

Микромир

Физический вакуум как реальность.

Макромир

Мегамир Звезды. Галактики. Вселенная.

Вариационные принципы

Принцип дополнительности

Принципы симметрии и законы сохранения.

Литература

Тема 1.4. От физики существующего к физике возникающего

Современная физическая картина мира

Креативная роль физического вакуума

Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария и антропный принцип.

Происхождение галактик и Солнечной системы

Земля: происхождение и динамика геосфер

Роль живых организмов в эволюции Земли

Литература

Раздел 2. ЖИЗНЬ

От атомов к протожизни. Неорганические и органические соединения и их многообразие

Кислоты, основания, соли

Химия жизни

Особенности биологической формы организации материи. Молекулы живых систем.

Матричный синтез. Информационные макромолекулы.

Тема 2.1. Живые системы

Принципы взаимодействия организма и среды обитания.

Принципы воспроизводства и развития живых систем.

Клеточное строение организмов. Принципы структурной организации и регуляции метаболизма.

Жизненный цикл клетки.

Единство и многообразие клеточных типов.

Дифференциация и интеграция функций в организме.

Размножение и развитие организмов.

Смерть и ее биологический смысл.

Многообразие биологических видов — основа организации и устойчивости биосферы.

Принципы систематики и таксономии

Планы строения и принципы функционирования представителей основных таксонов.

Эволюционное и индивидуальное развитие. Онтогенез и филогенез.

Генетика и эволюция.

Литература

Тема 2.2. Человек: организм и личность

Положение человека в царстве животных

Отличительные особенности человека.

Мозг и высшая нервная деятельность

Эмоции

Природа агрессии.

Природа наслаждений

Биосоциальные основы поведения.

Половое поведение человека

Происхождение человека

Этапы антропогенеза

Биологические предпосылки и факторы антропогенеза

Проблемы цефализации

Биосоциальная природа человека

Экология и здоровье. Биополитика

Литература

Тема 2.3. Биосфера и цивилизация

Круговороты вещества и энергии.

Биосфера

Эволюция биосферы

Ресурсы биосферы

Пределы устойчивости биосферы

Биопродуктивность биосферы

Ресурсы биосферы и демографические проблемы

Антропогенные воздействия на биосферу

Экологический кризис и пути его преодоления

Принципы рационального природопользования

Охрана природы

Экология человека

Социальная экология

Антропоцентризм, биоцентризм и решение социальных проблем

Пути развития экономики, не разрушающей природу.

Экологическое право

Что мы можем сделать для сохранения жизни на Земле?

Человек, биосфера и космические циклы.

Литература

Тема 2.4. Основные концепции и перспективы биологии

Раздел 3. ЭВОЛЮЦИОННО-СИНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПАРАДИГМА: ОТ ЦЕЛОСТНОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ К ЦЕЛОСТНОЙ КУЛЬТУРЕ

Тема 3.1. От “Бытия” к “Становлению”

Формирование эволюционного естествознания. Историко-философские аспекты современной естественно-научной картины мира

Тема 3.2. Принципы синергетики, эволюционная триада и системный подход.

О направлении самопроизвольных процессов

Критерий устойчивости систем, далеких от равновесия.

Порядок и энтропия

Механизмы эволюции

Литература

Тема 3.3. Качественные методы в эволюционных задачах.

Начала нелинейного мышления. Пространства состояний системы и динамическая модель

Диссипативные системы вдали от равновесия

Литература

Тема 3.4. Динамический хаос - фундаментальное свойство реальности

Тема 3.5. Самоорганизация в живой и неживой природе

Информационные аспекты синергетики

Литература

Заключение.

Литература

СМОЛЕНСКИЙ ИНСТИТУТ

бизнеса и предпринимательства

------------------------------------------------------------------------------------------

учебно-деловой центр морозовского проекта

214018, г.Смоленск Гагарина 22а

Телефон / факс: (0812) 65-99-13, 65-99-14

E-mail: root@businst.smolensk.su

http: //globus.smolensk.ru/user/businst/welcome.htm

или

http : //sibe.da.ru

Введение. Две культуры как отражение двух типов мышления

Проблема двух культур: от конфронтации к сотрудничеству. Развитие личности и потребность в гармонии. Культура (от лат.: возделывание, воспитание, образование, развитие, почитание) - способ организации и развития человеческой жизнедеятельности, представленный в продуктах материального и духовного труда, в системе социальных норм и учреждений, в духовных ценностях, в совокупности отношений людей к природе, между собой и к самим себе.

Культура характеризует также особенности поведения, сознания и деятельности людей в конкретных сферах общественной жизни. Культура представляет собой меру человеческого в человеке. Надбиологический характер культуры - ее важнейшая особенность.

Считается, что исходно культура была единой, а разрыв гуманитарного и естественнонаучного знания является чертой Нового времени (Теория “двух культур” Ч.Сноу).

Существование “двух культур” иногда пытаются объяснить дефектами системы образования, которые, как кажется некоторым, легко исправить: достаточно дать студентам-гуманитариям какие-то (неизбежно поверхностные) знания о достижениях естественных наук.

Однако корни дихотомии лежат глубже. Естественные науки имеют дело с Природой в целом и с человеком, как природным телом. Гуманитарные дисциплины - с духовным миром человека. Различные по существу объекты требуют разных подходов (наука - мышление в понятиях, искусство - мышление в образах) , что в условиях дифференциации наук в Новое время не могло не привести к известному расхождению в развитии двух сфер культуры.

С эпохи Возрождения вот уже пять столетий наука и искусство существуют и развиваются как самостоятельные и обособленные друг от друга сферы человеческой деятельности, и именно отсюда берет свое начало проблема соотношения науки и искусства (И.Т.Фролов,1989).

В дальнейшем по мере развития науки сфера искусства все более отдаляется от нее. Наука все более утверждается в качестве универсальной формы познания.

В противовес этому развиваются эстетические концепции, в которых, как это имело место у немецких и французских романтиков, видению художественного гения отдается предпочтение перед научным познанием. Это получило философское обоснование в учении Канта о “трансцендентальной эстетике”, а также в “Системе трансцендентального идеализма”, где гениальность трактуется как “непостижимая”, “темная неведомая сила”.

По Канту, гениальность может проявляться только в области художественного творчества, противопоставляемого в этом отношении научному познанию, где ученый может быть талантлив, даже велик, но его достижения доступны пониманию с помощью рассудка.

Шеллинг развивает версию о “магии искусства”, реализующего “бесконечность бессознательности”, называя его “чудом”, которое недоступно конечному рассудку. Наука поэтому оказывается у Шеллинга чем-то низшим по сравнению с искусством, которому “надлежит быть прообразом науки, и наука лишь поспешает за тем, что уже оказалось доступным искусству”.

Гегель считал искусство лишь особой формой познания, постигающей истину в чувственной форме. Поскольку же существуют более совершенные категориальные формы воплощения истины в науке и философии, искусство оказывается подчиненным, второстепенным моментом в общем процессе постижения абсолютной идеи. Тем не менее Гегель показал великое познавательное значение искусства.

Гете был не только великим художником - поэтом, писателем, но и выдающимся естествоиспытателем. Он стремился найти единые принципы для научного анализа природы и для художественной деятельности в искусстве. Гете развил учение о “первичном феномене”, по которому человек в единичном может увидеть всеобщее, в явлении - раскрыть сущность, пользуясь “созерцательной способностью суждения”.

В самом творчестве Гете выявляется его понимание возможной гармонии науки и искусства, истины и красоты. Однако в теории ведущим началом в гармонии истины и красоты Гете признавал все же искусство, где царствует творческое надприродное, демоническое, несоизмеримое и недоступное для рассудка.

Чтобы наука не находилась в антагонизме к гуманизму, она, согласно Гете, должна учиться у искусства постигать целостность. Научное познание должно быть связано с критерием красоты. С другой стороны, в познании природы средствами науки не следует преуменьшать роль образного мышления, воображения, интуиции. Возражая против несовместимости науки и поэзии, он писал, что “в ходе времен обе отлично могут к обоюдной пользе снова дружески встретиться на более высокой ступени”.

Однако в последующем произошло еще более резкое разделение науки и искусства в сфере познания, осуществляемого в логических, рациональных формах (наука) и интуитивных, иррациональных (искусство). Более того, за искусством вообще не стала признаваться какая-либо познавательная функция (сциентизм).

У Шопегауэра можно встретить парадокс о том, что гений в искусстве должен быть глуп, поскольку он творит не размышляя.

Шеллинг полагал, что создатель художественного произведения “необходимо является скорее профаном, чем посвященным”, ибо он не познает, а только “открывает” сокровеннейшие из всех тайн.

С другой стороны, усиливаются сциентистские атаки на искусство, которые все более аппелируют к современной научно-технической революции, которая, казалось, способна захватить всех и вся и привести к абсолютному торжеству научной и технической рациональности.

Поскольку прогнозы относительно вытеснения искусства наукой не подтвердились, актуальной стала проблема взаимоотношения двух культур - “научной” и “художественной”.

Дискуссия по проблеме взаимодействия науки и искусства в условиях современной научно-технической революции началась в 1959 г., после того как английский писатель, физик по образованию, Чарльз Сноу выступил в Кембридже (США) с лекцией “Две культуры и научная революция”.

Сноу выдвинул концепцию “двух культур”, доказывая, что духовный мир и практическая деятельность западной интеллигенции все явственнее поляризуются, раскалываясь на две противоположные части: на одном полюсе - художественная интеллигенция, на другом - ученые. Их разделяет стена непонимания, а иногда даже антипатии и вражды; они настолько по разному относятся к одним и тем же вещам, что не могут найти общего языка даже в плане эмоций.

Художественная интеллигенция считает, что ученые не представляют себе реальной жизни и им свойствен поверхностный оптимизм, тогда как ученые склонны считать, что у художественной интеллигенции нет дара провидения, что она проявляет странное равнодушие к участи человечества, ей чуждо все, что имеет отношение к разуму, и т.п.

Нельзя сказать, что Сноу объяснил причины возникновения “двух культур”. Было бы преувеличением сказать также, что Сноу указал пути преодоления поляризации “двух культур”. Однако он остро поставил многие больные вопросы и привлек к ним общественное внимание.

Книга Сноу породила бурные дискуссии во всем мире. У нас в стране дискуссию открыла “Комсомольская правда” 2 сентября 1959 г. статьей И.Эренбурга “Ответ на одно письмо”. В спорах о значении науки и искусства приняли участие как “физики”, так и “лирики” - крупные ученые, писатели, художники, представители общественности.

Конечно, с точки зрения сегодняшнего дня многое в этих дискуссиях кажется неглубоким, далеким от реальных проблем. И все же, это был важный этап общественного воспитания и осознания проблем культуры в условиях научно-технической революции.

В ходе дискуссии за круглым столом, которую организовал журнал “Вопросы философии” (1976) участники ее подчеркивали, что традиционное противопоставление науки искусству, точных наук - гуманитарным отживает свой век. Математические методы проникают в литературоведение, теорию музыки и т.д. На стыке точных и гуманитарных наук возникают “странные” на первый взгляд дисциплины, например, искусствометрия. ЭВМ сочиняют музыку, пишут стихи, создают оригинальные образцы декоративного искусства.

Различия между “точными” и “гуманитарными” науками - это иллюзия, так как по сути своей мир един. Для того, чтобы понять многие аспекты гуманитарных наук, нужны определенные естественно-научные познания и наоборот (Ичас, 1994).

... различие между гуманитарными и естественными науками, столь резкое в средние века, ныне не принципиально, а, скоре, стадиально

(Л.Н.Гумилев. Этногенез и биосфера Земли).

В прошлом веке известный русский физиолог И.Сеченов говорил о том, что понять Человека можно только в его единстве - плоти, духа и природы, частью которой он является. Десятком лет позже Маркс сказал: в будущем все науки о природе и обществе должны будут слиться в единую науку о Человеке.

Однако сколь глубоко будет это “слияние” и в чем конкретно оно будет выражаться?

Глубокая общность науки и искусства определяется тем, что и то и другое есть и познание, и творчество. Стремление к познанию и творчеству запрограммировано в человеке генетически, оно является результатом необратимого развития Вселенной в целом, эволюционного развития биосферы. Единство науки и искусства - важнейший залог последующего развития культуры.

У человека имеются способности и к научному, и к художественному творчеству. Но, по-видимому, различные стороны человеческой природы будут всегда проявляться неодинаково. Это дает основание думать, что при всем единстве, гармонии, взаимодействии познавательной, рациональной и художественной, эмоционально-образной деятельности они никогда не достигнут того “слияния”, о котором порой говорят теоретики как о некоторой перспективе человека.

Ведь различия здесь детерминируются и биологически, поскольку, как установила современная наука о мозге, каждое его полушарие воспринимает мир по своему: правое - в образно-эмоциональном виде, а левое - в рационально-логическом, и у разных людей деятельность полушарий мозга проявляется по разному.

Способности к научной и художественной деятельности будут не “сливаться”, а еще ярче расцветать и глубже интегрироваться. Роль искусства в жизни человека будет все более возрастать и все больше будет повышаться его значение в общем развитии культурных ценностей человечества, в том числе этических, выступающих в роли своеобразного регулятора научного познания.

Наука и искусство имеют различные средства, задачи и цели. Принято считать, что наука способствует пониманию окружающего нас мира, искусство же стремится понять и выразить отношение человека и к окружающему миру, и к тому, как этот мир трактует наука, и, наконец, к тому, как отражает само искусство и человека, и науку, и весь окружающий мир.

И все же в конечном счете наука и искусство воздвигают не два различных изолированных здания, в которых, согласно утверждениям Сноу, независимо произрастают две разные культуры, а единое здание - общечеловеческую культуру.

В этом здании наука призвана служить постижению Истины, а искусство - воспевать, отвоевывать и создавать Красоту. Достаточно вспомнить, что Истина красива, а Красота истинна, чтобы понять: все достижения человеческой культуры смыкаются в неразрывный круг. (Е.Седов)

Этапы развития естественно-научного мышления. История естествознания

Считается, что науки, составляющие естествознание, зародились в Древней Греции. Предшествующий этому период в развитии культуры можно назвать мифологическим.

Древние философские системы носили крайне наивный характер. Индийцы, халдеи, египтяне до науки о природе дойти не сумели. Религиозно-мистические воззрения не могли породить идею о естественной закономерности явлений.

Значительно глубже и последовательней осмысливали мир философы античной Греции. Вот почему древняя физика является почти целиком физикой греков.

Наука зародилась тогда, когда люди, осмысливая и систематизируя накопленный опыт, стали искать объяснения природы в ней самой.

Первый греческий физик Фалес Милетский (640-550 до н.э.), родоначальник античной философии, основатель милетской школы, возводил все многообразие явлений и вещей к воде: “Начало всех вещей - вода, из воды все происходит и все возвращается к воде”.

Анаксимандр (610-547 до н.э.), представитель милетской школы, - началом начал считал некое первичное вещество, апейрон, качественно неопределенное и бесконечное, из которого выделяются первоначальные противоположности тепла и холода, сухости и влажности.

Анаксимен (ок. 585 - ок. 525 до н.э.), представитель милетской школы первоосновой всего считал воздух, из сгущения или разрежения которого возникают все вещи.

В основе учения натурфилософов ионийской школы лежит единое первоначальное вещество, которое превращается во все другие вещества и порождает весь видимый мир. (Очевидна генетическая связь с современными представлениями о едином поле).

Пифагорейцы (Пифагор Самосский (582-500 до н.э.) выдвигали на передний план не столько первоначальное вещество, сколько распределение вещей в природе, их число и меру. Мистическое числовое учение впоследствии слилось с астрологией. Математическая теория Пифагора мало чем обогатила науку. Однако пифагорейцы первые выдвинули идею о шарообразности Земли. При этом они не опирались на какие-либо эмпирические данные. Идея основывалась на требованиях геометрической гармонии: Земле придали наиболее совершенную форму. В центре Вселенной пифагорейцы поместили чистейшее из веществ - огонь.

Гераклит из Эфеса (540,530-470 до н.э.), представитель ионийской школы, высказал идею непрерывного изменения (Panta rei): все течет. Никто не входил дважды в один и тот же поток, ибо воды его, постоянно текущие, меняются... Текут наши тела, как ручьи, и материя вечно возобновляется в них, как вода в потоке.

Панта рей. И никто не был дважды в одной и той же реке. Ибо через миг и река не та, и сам он уже не тот.

В основе мироздания лежит огонь: мир был, есть и будет вечно живущее пламя, вечно живой огонь, который самопроизвольно возжигается и угасает.

Война - отец всего, царь всего. Все и происходит и уничтожается в силу раздора. Без борьбы нет противоположностей, без противоположностей нечему соглашаться, нет жизни, мира, гармонии. Все расторгается внутренней враждой и стремлением к высшему единству дружбы и гармонии.

Анаксагор (500-428 до н.э.) выдвинул учение о неразрушимых элементах. На надгробии ему написано: “Здесь покоится Анаксагор, который достиг крайнего предела истины, познав устройство Вселенной”.

Главное сочинение Анаксагора “О природе”. Он не признает превращения вещества при видоизменении предметов, считая, что такое видоизменение происходит от соединения и разъединения мельчайших, невидимых глазу частиц материи.

Обычно книги по атомной физике начинаются с упоминания об атомах Демокрита. Но ведь это только развитие идеи Анаксагора. Более того, он даже на много веков предвосхитил закон сохранения массы, лежащий в фундаменте современного естествознания:

“Греки ошибочно полагают, что будто что-либо начинается или прекращается; все сводится к сочетанию или разъединению вещей, существовавших от века. Вернее было бы признать возникновение сочетанием, а прекращение разъединением”.

В основе учения Анаксагора лежало представление о духе. Вначале Вселенная представляла собой хаос элементов, и только дух, разум соединил между собой незримые частицы. Дух Анаксагора противоположен материи.

Идея Анаксагора вылилась в более строгие формы в учении Эмпедокла (492-432 до н.э.). Подобно своему учителю он пишет книгу “О природе”, в которой высказывает свое кредо: “Безумцы полагают, что может возникнуть что-либо никогда не бывшее или погибнуть, исчезнуть без следа что-либо существующее. Я постараюсь открыть вам истину. В природе нет возникновения того, что может умереть; нет полного уничтожения; ничего, кроме смешения и разъединения сочетанного. Только невежды называют это рождением и смертью”.

У Эмпедокла четыре стихии: земля, вода, воздух и огонь, т.е. три агрегатных состояния вещества и энергия. Стихии Эмпедокла неизменны и неспособны возникнуть одна от другой. Они вступают полностью или частями в различные комбинации друг с другом. В результате получаются все “вещи” Вселенной, которые в свою очередь подвержены дальнейшему смешению и разделению.

Левкипп (около 500 г. до н.э.) создал атомистическую теорию мира, которая впоследствии была развита и закончена Демокритом (род. ок. 470 г.до н. э.)

Вселенная Демокрита - Левкиппа состоит из пустого пространства и бесконечного множества неделимых мельчайших частиц - атомов, отличающихся не качественно (как у Анаксагора), а лишь по своему очертанию, положению и распределению. Тела возникают и исчезают только за счет сочетания и разъединения атомов, так из ничего не может произойти ничего и ничто существующее не может исчезнуть. Движение атомов обусловлено не влиянием внешней силы, а силой, присущей самим атомам.

С такой общей схемой согласится любой физик. Но в отличие от Демокрита он сумеет доказать, что мир построен именно так, а не иначе.

Согласно Платону (429-347 до н.э.) в центре Вселенной неподвижно покоится Земля, вокруг которой на расстояниях, соответствующих гармоническими отношениям тонов, проплывают планеты.

Мир видимый, мир чувственный есть собственно мир призрачный, мир теней. Этому миру Платон противопоставляет мир идей - идею человека, животного, растения, камня. Эти идеи - не только родовые понятия, но и подлинно существующее бытие. Не будь идей, не было бы и конкретно существующих вещей. Эти последние - отображения, копии отвечающих им идей, а идеи - первообраз, причина существования отображений.

Если Демокрит был убежден в дискретности материи, то Аристотель (384-322 до н.э.) проповедовал обратное - ее непрерывность. Этот великий спор прошел сквозь всю историю естествознания, не закончился он и по сей день.

Под природой Аристотель понимал совокупность физических тел, состоящих из вещества и находящихся в состоянии непрерывного движения или изменения. Всякое движение протекает во времени и пространстве. Пространство сплошь заполнено материей. Поэтому нет ни пустоты, ни мельчайших неделимых частиц - атомов, которые бесконечно падают в этой пустоте.

В основе всего сущего лежит первоматерия. Ей присущи четыре основных свойства: влажность, сухость, тепло и холод. Разнообразие веществ в природе вызвано различными сочетаниями этих свойств. Изменение одного из свойств - причина любых превращений. Тайна превращения веществ сводится к добавлению одних качеств к другим. Неблагородные металлы можно превратить в золото. Впоследствии алхимики часто ссылались на Аристотеля. Теперь, в век ядерной энергии, мы видим, что он, в сущности, был прав.

Естественные прямолинейные движения тел неравномерны, конечны и потому несовершенны. Совершенство присуще лишь круговому движению, которое протекает вечно. Непосредственной причиной такого движения является пятое начало - эфир, из которого состоит небо. Идея эфира надолго сохранится в физике. Она будет совершенствоваться, видоизменяться, но суть ее останется прежней - неизменной и неощутимой, как сам эфир.

Аристотель гораздо больше философ, чем физик. Он пытался создать целостную картину природы. Он велик своей попыткой вскрыть общее единство мира.

Одним из основных методов познания по Аристотелю является индукция: от фактов, добытых опытом, к некоторым общим определениям и понятиям, при помощи которых можно будет объяснять факты. Общие принципы как исходный пункт для дедуктивного изучения вещей и явлений. Эти общие принципы: материя, форма, движущая причина и причина конечная, или цель. В материи дана лишь возможность реального мира, в форме - осуществление этой возможности путем движений и изменений, идущих к определенной цели.

Материя хаотична, бесформенна; это - бытие абстрактное и потенциальное, а форма - это начало структуры и организации, начало актуальное, переводящее материю в нечто конкретное; она как бы задание, цель, которую надлежит осуществить материи.

Однако об идеях Платона Аристотель сказал так: Говорить, что идеи суть образцы, а прочее в них участвует, значить пустословить и высказывать поэтические метафоры.

Аристотелем заканчивается творческий период греческой натурфилософии. Законченная, внутренне замкнутая система не легко поддавалась дальнейшему развитию. Да и авторитет Аристотеля был настолько велик, что мало кто решался на переоценку его учения.

Эпикур (341-270 до н.э.) - атомист, последователь Демокрита, учил, что познание природы освобождает от страха смерти, суеверий и религии вообще.

Аристарх Самосский (ок. 320 - ок. 250 до н.э.), астроном, учил, что Земля вращается вокруг неподвижного Солнца. На возражение, что при таком вращении неподвижные звезды должны были бы изменить свое видимое положение, он, с полным на то основанием, указывал на громадное расстояние между Солнцем и звездами. В этом смысле он был предтечей не только Коперника, но и Эйнштейна. Но гелиоцентрическая система не имела еще достаточных основ, она была явно преждевременной. Геоцентризм настолько всех удовлетворял, что лучшие астрономы того времени не поддержали Аристарха. Его учение было основательно забыто.

Тит Лукреций Кар (I в. до н.э.) Поэма “О природе вещей” был в нашем понимании популяризатором науки. Тем не менее его роль в развитии атомистики трудно переоценить. Может быть здесь сказывается сила искусства, его условность, столь отличная от научных абстракций и аналогий, но Лукреций во все эпохи звучит одинаково современно.

“...Платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет, Видеть, однако, нельзя, как влага на нем оседает, Как и не видно того, как она исчезает от зноя. Значит, дробится вода на такие мельчайшие части, Что недоступны они совершенно для нашего глаза”. Небольшой отрывок из поэмы показывает не столько то, что думали древние, а как они думали. Это образец ясной логики, приводящей к однозначному выводу.

Идеи поэмы: Все тела природы состоят из атомов и подвержены изменениям. Вселенная бесконечна - “Стрела, пущенная луком, может лететь века и быть все так же далеко от конца Вселенной, как в первое мгновение, когда она была пущена”.

Жизнь возможна на других мирах -

“А потому непременно ты должен со мной согласиться, Что существуют иные земные миры во вселенной, Как и иной род людей и иные породы животных...”

Природа никем не создана и управляется присущими ей самой законами - Из ничего даже волей богов ничего не творится. Люди приписывать склонны божественной воле те вещи, В коих не могут рассудком своим доискаться причины. Если усвоил ты это, должна пред тобою природа Вечно свободной предстать, не подвластной властителям гордым, Движимой волей своей, от богов независимой вовсе.

Птоломеем (70-147) заканчивается античный период истории естествознания.

В тринадцати книгах Птоломей собрал и обобщил все достижения древней астрономии. Но принципиально птоломеевская система мира с неподвижной Землей в центре Вселенной мало чем обогатила науку.

Авторитет его был признан единодушно и держался долее всего. Греки, римляне, арабы и христиане одинаково чтили его. Не один еретик сгорел на костре за посягательство на птоломеевский “Общий обзор”. Несколько столетий католическая церковь отстаивала учение Птоломея всеми принятыми на вооружение средствами.

Большую роль в развитии естествознания сыграли Фрэнсис Бэкон (1561-1626) и Рене Декарт (1596-1650).

Бэкон: природу нельзя познать без опыта - самого ценного источника знаний.

Декарт ключом к истинному знанию считает разум, умело нацеленный на исследование опять-таки данных опыта. Опыт, опыт и еще раз опыт. Это звучало как заклинание мрачных теней средневековья.

Природа Декарта сплошь заполнена материальными частичками. Духовное начало ее не зависит от материального. Основное свойство материи -протяженность. Пустого пространства не существует. Материальный мир находится в вечном движении, совершающемся в полном соответствии с законами механики. Отсюда и все процессы в природе можно свести к простому перемещению частиц в пространстве. Декарт выдвигает идею первончального толчка, который привел в движение бесконечную непрерывную протяженность.

Барух Спиноза (1632-77) отверг дуализм Декарта. Природа сама есть бог. Она ни в духовном начале, ни в творце не нуждается. Природа - это вечная субстанция в бесконечном пространстве. Она “причина самой себя” (causa sui). Это важнейшее свойство субстанции - самой быть причиной существования и сущности всех вещей. Это свойство встречается в одной из самых интересных гипотез двадцатого века - нелинейной теории поля Гейзенберга.

Естествознание пошло именно по этому пути. Самые фундаментальные представления о строении материи и свойствах времени и пространства базируются на принципе “natur causa sui”.

Первым исследователем, который всерьез обратился к идеям греческих атомистов, был французский философ-материалист Гассенди (1592-1655).

Он не только изложил древнюю атомистику, но и развил ее на основе накопленных за два тысячелетия фактов. Подобно Эпикуру, он считал важнейшими свойствами атомов не только величину и форму, но и тяжесть, которую определял как “внутреннее стремление к движению”, служащее источником всех изменений в природе.

Интересно, что именно Гассенди впервые выдвигает идею о различных прерывистых дискретных ступенях строения материи. Он ввел понятие молекулы - механического соединения группы атомов.

Разрабатывая учение греческих атомистов, Гассенди пришел к мысли, что при помощи атомной теории физические явления можно объяснить конкретным, даже банальным способом. Смесь воды и вина сравнивается им со смесью двух сортов песка.

Англичанин Роберт Бойл (1627-1691) был физиком и химиком в самом современном понимании этих слов. Его девизом было “ничего со слов”. Он обрушился с критикой на алхимиков и их методы, показав, что их достижения случайны. На самом деле они ничего не знают и не могут знать о природе вещей.

Бойль впервые обосновал понятие “химический элемент”. У Бойля это понятие строго связано только с химическим процессом. Исходя из химического взаимопревращения веществ, Бойль задался вопросом: из каких кирпичей можно построить все бесконечное многообразие однородных веществ? Вопрос этот до сих пор не снят с повестки дня.

Он хотел найти те элементы, которые уже не могут быть превращены один в другой и из которых каким-то образом построен весь окружающий мир.

Сама постановка задачи выросла из основной проблемы алхимии. Алхимия исходила из того, что все вещества могут быть сведены к одному, основному. Но все попытки алхимиков осуществить подобное превращение терпели крах. С помощью химических методов оно, очевидно, не достигалось. Отсюда напрашивался вывод, что материя не единообразна на химическом уровне, а напротив, существуют вещества, которых никакие химические процессы не заставят взаимопревращаться. В отличие от Демокрита Бойль называл частички, из которых построена материя, не атомами, а корпускулами (Энгельс: “Бойль делает из химии науку”).

Одним из самых важных моментов в становлении современной науки надо признать установления законов движения планет - законов Кеплера. Ближайший предшественник Кеплера, Николай Коперник блестяще завершил работу по созданию гелиоцентрической модели солнечной системы, начатую еще греками (Аристарх Самосский). В модели Коперника оказались установленными все естественные кинематические масштабы - эталоны длин и времени. Это и стало исходным пунктом новой науки. Коперник оставил два столбца чисел - периоды и расстояния и нужно было только спросить, а что связывает числа в этих столбцах?

Такой вопрос задал себе Кеплер, который поставил перед собой цель раскрыть секреты движения планет и научиться вычислять их движения. Он смог установить свой третий закон, в котором содержалась по существу динамика системы, т.е. связь между временем и изменением координации.

Кеплер, впервые для естествоиспытателя, поставил вопрос об общей закономерности в данных эксперимента и, что самое важное, вопрос о том, в чем причина таких закономерностей. До Кеплера большинство естествоиспытателей считало свою роль законченной, если сформулированы правила, описывающие явления. Только Кеплера не удовлетворяли открытые им законы. Он мучительно спрашивал себя: почему? В чем состоит общая причина движения планет? Размышления привели его к заключению, что эту причину надо искать в том, что движением планет управляет Солнце. Этим Кеплер ниспровергал установившуюся картину близкодействия и впервые выдвинул идею дальнодействия. Но полный ответ вопросы Кеплера получили лишь у Ньютона, который звершил создание новой картины мира, основанной на уравнениях механики.

На памятнике Ньютона (1643-1727) в Кембридже выбиты слова: “Разумом он превосходил род человеческий”.

Ньютон открыл закон всемирного тяготения и три основных закона механики, создал теорию движения небесных тел и теорию цветов.

Конечная цель физики по Ньютону: ”Вывести из начал механики и остальные явления природы”.

Понятие массы - гениальный и не подлежащий пересмотру вклад Ньютона в построение основ современной физики. Все материальные тела обладают собственной массой. Материальные частички наделены силами притяжения и отталкивания, присущими всем видимым телам во Вселенной.

Учение Ньютона о массе и силе положило конец метафизике вообще. Поэтому “отцом физики” следовало бы считать именно Ньютона, разработавшего научные основы мироздания вместо фантастических домыслов и спекулятивных гипотез о строении мира.

Три гиганта - Коперник, Кеплер и Ньютон построили новую науку - механику. Механика стала первым лидером только что возникшего в качестве самостоятельной науки естествознания.

Успехи механики в XVII-XVIII вв. были связаны с тем, что она изучала реальную сторону реальных процессов природы. Средневековая схоластика, провозгласившая учение о скрытых качествах, о всякого рода таинственных и неуловимых субстанциях, мешала изучать действительные вещи и их свойства, не давала возможности двигаться вперед в познании природы. Механика впервые поставила естественнонаучное познание на научную основу.

Однако механическая атомистика не объясняла химических взаимодействий, тепловых процессов и других явлений, с которыми химики сталкивались буквально ежечасно.

Немецкий врач Эрнст Шталь постулировал существование “флогистона”, некоего неведомого вещества без цвета и запаха, который соединял бойлевские корпускулы и осуществлял все химические превращения.

Теория флогистона заворожила современников. Она была принята сразу и безоговорочно. В том, что флогистон действительно существует, никто не сомневался. Когда появились первые убедительные факты, ставящие под сомнение теорию флогистона, ее самоотверженно пытались спасти. Теорию флогистона опроверг А.Лавуазье (1743-1794).

Ломоносов (1711-1765) также исключал флогистон из числа химических агентов.

Самым крупным по своему значению достижением Ломоносова было экспериментальное доказательство “закона сохранения материи” (опыт по нагреванию в запаянном сосуде свинцовых пластинок).

Ломоносов связывал нагрев тела с увеличением поступательного и вращательного движения корпускул, что делало совершенно излишним предположение о существовании флогистона.

Ломоносов вплотную подошел к понятию абсолютного нуля, как о “высшей возможной степени холода, вызванной полным покоем частичек, прекращением всякого движения их”. Частички различны по массе и им присуще движение, отсюда причина всех качественных изменений в физике и химии - движение.

Английский материалист XVII века Дж. Толанд предложил считать движение неотделимым от материи внутренним первичным свойством: “Материя по необходимости столь же активна, сколь и протяженна”.

Взгляды Толанда во многом определили эволюцию представления о пространстве, времени и движении. Так, у французских материалистов XVIII века движение тоже выступает непреложным свойством самой материи. Гольбах: “Движение - это способ существования”. Дидро выдвигает чисто релятивистскую идею об абсолютности движения и относительности покоя.

В 1815 г. Проут заявил, что атомы делимы. Он указал на то, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. Отсюда вытекал неизбежный вывод, что все элементы построены из водорода, атомы которого являются “первыми и последними строительными камнями” Вселенной.

В 1865 г. Лошмидт определил в самом первом приближении размеры атома. Атомы оказались несравненно меньше тех солнечных пылинок, с которыми их сравнивал Демокрит.

Новый этап атомистики начался с Майкла Фарадея (1791-1867), связавшего атомную теорию с электричеством. Электричество, как и вещество, тоже обладает атомной структурой. Каждый атом или каждая молекула связаны с одним или несколькими атомами электричества, хотя в то время трудно было сказать, как такая связь осуществляется.

Честь открытия свободных атомов электричества, не связанных с атомами вещества, выпала Гитторфу. По предложению Стонея мы назваем теперь свободные атомы электричества электронами. Так была открыта первая элементарная частица.

Описывая обмен энергией между нагретым телом и окружающим пространством, Макс Планк предположил, что такой процесс может быть не непрерывным, а дискретным. Он открыл кванты.

Говорят, что Планк долгое время пребывал в растерянности от своего открытия. Идея дискретности подрывала основы классической физики. Он не спешил с опубликованием своей работы. В разговоре с коллегами он как-то обмолвился, что либо полностью провалился, либо сделал открытие, равное по масштабам законам Ньютона.

В 1905 г. Эйнштейн выдвинул теорию, согласно которой свет не только излучается и поглощается, но и состоит из неделимых квантов. Кванты света представляют собой частицы, которые движутся в вакууме со скоростью 300000 км в секунду. В двадцатые годы эти частицы получили название фотонов. Корпускулярная природа света может быть продемонстрирована рядом классических экспериментов, но особенно ярко существование фотонов показывает фотоэлектрический эффект.

Существование электромагнитных волн и волновая природа света не могут быть опровергнуты. Но нельзя отказаться и от корпускулярной природы света. Не с Планком, а именно с Эйнштейном вошла в науку противоречивая двойственность, изначально присущая природе. И естественно, что современники видели в этой двойственности не лик мироздания, а всего лишь необъяснимое противоречие.

Через два десятилетия Луи де Бройль, распространив представления Эйнштейна на все элементарные частицы вообще, построил волновую механику.

Новое мировоззрение включало отказ от эфира, что означало капитуляцию благополучной Вселенной, похожей несколько на сложный часовой механизм с его иерархией зубчатых колесиков.

Понятие эфира зародилось в то время, когда ученые попытались осмыслить природу света.

Автором первой эфирной теории света был голландский математик, астроном и физик Христиан Гюйгенс. Согласно его теории всякое светящееся тело порождает волны, которые, распространяясь во все стороны, достигают глаз наблюдателя. Подобно колебаниям, вызванным звоном колокола. Но если ударить в колокол, находящийся в пустоте, звона не будет. Тогда как свет, в отличие от звука, отлично распространяется в вакууме, несмотря на отсутствие среды, способной передавать колебания. Это обстоятельство заставило Гюйгенса наполнить пустоту неким гипотетическим эфиром, способным передавать волны света.

Эфир означает по-гречески “воздух”, “небо”, “верхние сферы”. Работники радио и телевидения до сих пор говорят о том, что они готовят передачи для “вещания в эфир”. Древнее слово оказалось живучим.

Ньютон безоговорочно принял понятие эфира, считая идею воздействия одного тела на другое на расстоянии в вакууме абсурдной.

Какова бы ни была его природа, эфир, по убеждению ученых, наполнял собой все пространство, пронизывал все вещество, проникая между всеми атомами.

Свойства света и в самом деле были таковы, что их нельзя было объяснить, не прибегая к среде, способной передавать волновое излучение на миллионы километров, не ослабляя его энергию. Но существует ли эта среда на самом деле? А если существует, то покоится ли он неподвижно или находится в непрерывном движении?

Английский математик и физик Стокс утверждал, что Земля, вращаясь вокруг оси и вокруг Солнца, увлекает за собой эфир.

Французский ученый Френель полагал его неподвижным и многие поддерживали такие представления, потому что такой эфир представлял собой идеальную систему отсчета. Относительно его можно было регистрировать абсолютное движение, не зависящее от положения наблюдателя. Абсолютна ли скорость света? Одинакова ли она для любого наблюдателя, независима или, напротив, зависима от движения источника света?

Это были вопросы, на которые ответ дала специальная теория относительности; это была проблема космического масштаба, из которой вытекали выводы исключительной важности.

Опыт Майкельсона: полупрозрачное зеркало сначала расщепляло луч на два взаимно перпендикулярных, которые, в свою очередь, отразившись от расположенных на равных расстояниях зеркал, соединялись вновь. Опыт показал, что “эфирный ветер” не оказывает никакого влияния на свет. Майкельсон пришел к выводу, что гипотеза неподвижного эфира ошибочна. Напрашивался вывод, что эфир, если он существует, не неподвижен относительно Земли.

Эрнст Мах тотчас же потребовал отказаться от идеи эфира. Зато лорд Кельвин продолжал по прежнему верить в эфир. Кельвин и Рэлей обратились к Майкельсону с предложением проверить влияние движения среды на скорость света. Результат был опубликован в 1887 году. Джон Бернал назвал его “величайшим из всех отрицательных результатов в истории науки”.

Хотя опыт, как говорится, поставил крест на неподвижном эфире, все же оставалась возможность, что “Земля увлекает за собой эфир, придавая ему почти ту же скорость, с какой движется сама”.

Через десять лет Майкельсон экспериментально проверил и эту гипотезу. Результат снова был отрицательным. Но чтобы окончательно похоронить эфир, нужна была теория относительности Эйнштейна. Пока же эксперимент Майкельсона-Морли завел физику в тупик.

В период 1893-1895 годов два крупнейших теоретика независимо друг от друга попытались спасти эфир.

Профессор дублинского Тринити колледжа Джордж Фитцджеральд дал блестящее и ошеломляющее объяснение отрицательному результату опыта Майкельсона-Морли. Он предположил, что размеры тел меняются с увеличением скорости их движения, сжимаются в направлении движения. Многим эта теория показалась плодом больного воображения.

Немногие, но очень серьезные физики-теоретики заинтересовались идеей сокращения. Лоренц увидел в ней подтверждение существования эфира. Он построил стройную математическую теорию, из которой, однако, вытекало, что одного сокращения для описания движущихся тел явно недостаточно. Приходилось вводить еще и особое время, зависящее от скорости. Это было уж совсем непостижимо. Этот вывод самому автору казался хитрой уловкой: он не собирался посягать на ньютоновское “абсолютное время”.

Гипотеза Фитцджеральда-Лоренца была, вне всякого сомнения, исключительно смелой. Она блестяще разрешала все противоречия, связанные с опытом Майкельсона-Морли. Но она целиком вытекала из законов классической физики. Она произвела переворот в умах, вызвала бурю в ученом мире, но не смогла взорвать ньютоновской классики.

Лоренц пришел к релятивизму от традиционных основ, которые стали для него барьером. Это был философский барьер, который великий ученый так и не смог преодолеть. Впоследствии он говорил: ”Сегодня, излагая электромагнитную теорию, я утверждаю, что движущийся по криволинейной орбите электрон излучает энергию, а завтра я в той же аудитории говорю, что электрон, вращаясь вокруг ядра, не теряет энергии. Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл заниматься наукой?”

Противоречия казались ему неразрешимыми. Он глубоко переживал это. Последние годы его были отравлены скепсисом и отчаянием. В беседе с А.Ф.Иоффе он как-то сказал: ”Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда мне еще все представлялось ясным”.

А ураган неясности нарастал. Томсон обнаружил электрон и доказал электрическую природу вещества. Кюри открыли радий, который продемонстрировал необычные свойства. Физики обнаружили, что испускаемые им электроны движутся со скоростью, достигающей многих тысяч километров в секунду. Еще совсем недавно это казалось невероятным. Немецкий физик Кауфман экспериментально доказал, что масса такого быстрого электрона меняется со скоростью. Чем быстрее двигался электрон, тем больше была его масса. Масса перестала быть постоянной величиной.

В опытах физиков рвался мир, созданный Ньютоном. Окончательно разрушил и в то же время спас этот мир Эйнштейн.

Развитие физико-химической биологии

Французский физиолог Франсуа Мажанди (1783-1855) впервые показал огромное значение белка в жизни организмов (кормил собак пищей, в которой отсутствовал белок: сахар, оливковое масло и вода).

Немецкий химик Юстус Либих (1803-1873) детально разработал учение о полноценности пищи и полагал, что углеводы и жиры служат топливом для организма. Возник вопрос: равно ли количественно тепло, полученной организмом от такого “топлива”, теплу, получаемому при сжигании углеводов и жиров вне организма.

Макс Рубнер (1854-1932) экспериментально доказал приложимость закона сохранения энергии к организму животного. К 1894 году он установил, что энергия, выделяемая пищевыми продуктами в организме, точно равна энергии, которую можно получить при сжигании этих продуктов вне организма.

Эти исследования нанесли серьезный удар по витализму. Еще в XVIII веке химики обнаружили, что реакцию иногда можно ускорить введением веществ, которые, по всей видимости, не принимают в ней участия. Это явление в 1835 году Берцелиус назвал катализом.

Казалось вероятным, что химические процессы в живых тканях могут протекать при очень мягких условиях, потому что в тканях присутствуют различные катализаторы, которых не существует в неживой природе.

В 1833 году французский химик Ансельм Пэйян (1795-1871) экстрагировал из проросшего ячменя вещество, которое расщепляло крахмал до сахара. Он назвал это вещество диастазой. Диастаза и другие подобные вещества были названы ферментами. Во второй половине XIX века стало ясно, что ферменты являются катализаторами.

В 1897 году немецкий химик Эдуард Бухнер (1860-1917) доказал, что ферменты могут с успехом действовать и вне клеток. Это было серьезным ударом по витализму, однако это не было его окончательным разгромом. Предстояло еще многое узнать о молекулах белка.

На протяжении прошлого столетия ферменты считались таинственными веществами, которые выявлялись лишь по их действию. В 1926 году американский биохимик Джеймс Самнер (1887-1955) выделил фермент, катализирующий реакцию расщепления мочевины на аммиак и углекислый газ (уреазу) и доказал его белковую природу. В 1930-1935 годах подобные работы были проделаны в отношении пепсина (желудок), трипсина и химотрипсина (поджелудочная железа).

Особенно значительный вклад в изучение белков внесли шведский химик Теодор Сведберг, американский химик Лайнус Полинг, английские биохимики Макс Фердинанд Перутц, Джон Каудери Кэндрю, Фредерик Сэнгер.

К середине XX века секреты молекулы белка были раскрыты. Но вдруг оказалось, что химическая основа жизни вовсе не белок, а другое вещество. В 1944 году американский бактериолог Освальд Теодор Эвери с сотрудниками доказал, что генетической функцией обладают не белки, а нуклеиновые кислоты. С этого момента началось энергичное изучение нуклеиновых кислот. В 1953 году структура молекул нуклеиновых кислот была расшифрована (работа английского биохимика Фрэнсиса Крика и американского биохимика Джеймса Уотсона).

Открытие Крика и Уотсона положило начало бурному развитию молекулярной биологии, или, как ее теперь чаще называют, физико-химической биологии. К главным достижениям этой науки относятся расшифровка генетического кода и открытие механизмов биосинтеза белка, искусственный синтез гена и пересадка генов. В результате родилась генетическая инженерия, успехи которой вызывают как надежды на управление наследственностью, так и опасения, связанные с возможностью создания особо опасного биологического оружия.

Панорама современного естествознания и его незавершенность.

Перед человечеством встали очень серьезные проблемы, порожденные самим прогрессом, решение которых невозможно только в рамках естественно-научной культуры. Решение этих проблем предполагает не только объединение усилий естественников и гуманитариев, но и переход в состояние новой единой культуры.

Тем не менее, естествознание продолжает решать свои сложные проблемы, от которых зависит судьба цивилизации.

Физика, пытаясь познать строение вещества, открывает все новые тайны микромира, ищет новые источники и новые способы получения энергии, изучает природу гравитации и пытается построить единую теорию поля. Она изучает свойства и поведение вещества при сверхнизких и свехвысоких температурах и давлениях.

Химия дарит человеку все новые искусственные материалы, полимеры, препараты.

Биология раскрывает молекулярные механизмы метаболизма, иммунитета, памяти, наследственности, механизмы высшей нервной деятельности, поведения.

Науки о Земле заняты проблемами освоения Мирового океана, изучением тектоники плит и предсказанием землетрясений, глобальными климатическими процессами и проблемой прогнозов погоды, решением проблемы падения плодородия почв и судьбами биосферы.

“Космические” проблемы: влияние космических факторов на человека и жизнь вообще, на климат, защита от комет и астероидов, крупных метеоритов, проблема “пришельцев” и внеземной жизни, внеземных цивилизаций, строение и эволюция Вселенной.

Литература

1. Введение в философию. В двух частях. М., Изд. полит. лит., 1989

2. Ичас М. О природе живого: механизмы и смысл. М., Мир, 1994

3. Лазарев В.В. Шеллинг. М., Мысль, 1976

4. Нарский И.С. Кант. М., Мысль, 1976

5. Овсянников М.Ф. Гегель. М., Мысль, 1971

6. Свасьян К.А. Иоганн Вольфганг Гте. М., Мысль, 1989

7. Фролов И.Т. О человеке и гуманизме. Работы разных лет. М., Изд. полит.лит., 1989, 560 с.

Раздел 1. ФИЗИКА ГЛАЗАМИ ГУМАНИТАРИЯ: ОБРАЗЫ ФИЗИКИ

Пространство, время и материя в контексте культуры

Явления и процессы, происходящие с взаимодействующими объектами, протекают в пространстве и времени. Пространство и время обладают определенными свойствами, влияющими на ход физических явлений.

Природа Декарта сплошь заполнена материальными частичками. Духовное начало ее не зависит от материального. Основное свойство материи -протяженность. Пустого пространства не существует. Материальный мир находится в вечном движении, совершающемся в полном соответствии с законами механики. Отсюда и все процессы в природе можно свести к простому перемещению частиц в пространстве. Декарт выдвигает идею первоначального толчка, который привел в движение бесконечную непрерывную протяженность.

Согласно Ньютону, и пространство, и время абсолютны. Это означает, что пространство, в котором мы живем, может быть уподоблено существующему вечно, неограниченно большому, неподвижному “ящику” без стенок -вместилищу материи. Свойства этого “ящика” не меняются с течением времени и не зависят от того, как в нем распределено и перемещается вещество. Время во всех точках пространства текло и течет одинаково, т.е., в какие бы области пространства мы ни помещали часы, время они будут отсчитывать с одной и той же скоростью. Распределение вещества в таком неизменном пространстве и его движение определяются действием закона всемирного тяготения. Согласно этому закону, тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Поскольку время во всех областях пространства течет одинаково, а само пространство неизменно, то с помощью закона всемирного тяготения всегда можно рассчитать положение и движения небесных тел и друг относительно друга, и относительно “ящика” - абсолютного пространства.

В математике свойства какого-либо пространства, или, как говорят, его метрика, определяются видом той линии, которая кратчайшим образом соединяет две произвольные точки в нем. Как известно из повседневного опыта, в пространстве, в котором мы живем, кратчайшее расстояние между двумя точками есть прямая линия. Такое пространство называется евклидовым - по имени древнегреческого математика Евклида, который первым рассмотрел его свойства.

Ньютоновские представления о пространстве и времени верны лишь в относительно небольших по астрономическим масштабам областях пространства и для относительно коротких по тем же меркам промежутков времени. Они перестают соответствовать действительности только тогда, когда речь идет об описании Вселенной в целом, а также в сильных полях тяготения.

В 1916 г. А.Эйнштейн создал общую теорию относительности, которую часто называют современной теорией гравитационного поля, а также теорией структуры “пространства-времени”. Как оказалось, эти два понятия органически связаны.

Из общей теории относительности следует, что реальное пространство нашей Вселенной неевклидово. Более того, геометрия нашего пространства меняется с течением времени, а само время течет с разной скоростью в разных областях Вселенной.

Согласно этой теории, геометрические свойства пространства, изменение его геометрии со временем, а также скорость течения самого времени зависят от распределения и движения вещества - материи. В свою очередь, движение материи и распределение ее в пространстве зависят от его геометрии. Оба процесса взаимосвязаны: распределение и движение материи изменяют геометрию пространства-времени, а изменение геометрии пространства-времени определяет характер распределения и движения в нем материи. Эти процессы самосогласованы. А это означает, что и пространство, и время не абсолютны, а относительны - они проявляют себя по разному в зависимости от конкретных условий.

Согласно общей теории относительности, степень искривления пространства, т.е. степень отклонения его от евклидовой геометрии, сильнее там, где материя обладает большей энергией. В этих же условиях время течет медленнее.

Наше пространство является “плоским” в том смысле, что оно удовлетворяет всем аксиомам геометрии Евклида. Движение свободного тела в таком пространстве является равномерным и прямолинейным - движением по инерции. Движение тел по инерции есть проявление однородности пространства и времени.

Однородность пространства означает, что любая его точка физически равноценна, т.е. перенос любого объекта в пространстве никак не влияет на процессы, происходящие с этим объектом. (Один и тот же физический эксперимент, поставленный в Москве или в Нью-Йорке, дает одинаковые результаты).

Однородность времени нужно понимать как физическую неразличимость всех моментов времени для свободных объектов. Другими словами, если объекты не взаимодействуют с окружением, то для них любой момент времени может быть принят за начальный. (В свое время Архимед открыл законы плавания тел. В настоящее время каждый из нас может легко их воспроизвести).

Вблизи таких объектов, как, например, черные дыры, пространство может обладать очень сложными геометрическими формами. Огромные массы вещества, содержащиеся в галактиках и их скоплениях, искривляют пространство. Однако кривизна реального пространства Вселенной мало отличается от нуля. Вот почему кратчайшее расстояние между двумя точками в земных условиях и до ближайших звезд нашей Галактики есть все же прямая линия.

Эйнштейн показал органическую взаимосвязь пространства и времени, относительность пространственных и временных соотношений в материальном мире. Пространство и время определяются распределением и движением масс материи. В связи с этим на смену представлениям о бесконечной неизменной Вселенной приходят другие представления.

Чтобы легче понять, какова модель Вселенной по Эйнштейну, обратимся к двумерному пространству. Представим себе плоское существо, “жука”, живущее на растяжимой поверхности. Бросим на эту поверхность стальной шар, поверхность прогнется, но жук этого не заметит, так как вне этой поверхности для него ничего не существует. Если бросим второй шарик, то он скатится в углубление в первому, а жуку покажется, что второй шарик притянулся к первому.

Эта аналогия позволяет понять теорию Эйнштейна, согласно которой вблизи всякого инертного тела пространство искривляется. В искривленном пространстве наименьшим расстоянием между двумя точками является геодезическая кривая. В таком пространстве свободное движение тела происходит по геодезической кривой.

Если представить, что криволинейное движение тел под действием силы тяготения - это свободное движение в искривленном пространстве, то можно считать, что всякое тело вблизи себя искривляет пространство и это искривление передается подобно волне, от точки к точке. Тогда не надо будет говорить о силах тяготения.

Но движение под действием этих сил не только криволинейное, ускорение может меняться и по модулю. Чтобы объяснить тяготение изменением свойств пространства, надо превратить время в одно из измерений пространства. В теории относительности фигурирует четырехмерное пространство (четвертой координатой является время), искривление которого позволило Эйнштейну полностью объяснить все явления, связанные с тяготением. Это искривление производят тела. В зависимости от плотности вещества геометрия такого пространства может быть приближенно евклидовой, или геометрией Лобачевского, или геометрией Римана.

Представления об искривленном пространстве дали возможность построить модели Вселенной, отличные от модели Ньютона. По одной из моделей мир безграничен, но не бесконечен (пример с поверхностью шара).

В 1922 году А.А.Фридман показал, что теория тяготения Эйнштейна позволяет построить еще две равноправные модели Вселенной: закрытую, подобно поверхности шара, и открытую (расширяющийся цилиндр).

Во времена Аристотеля считалось, что весь материальный мир построен из четырех основных субстанций - земли, воздуха, огня и воды. Это были своего рода “элементарные частицы” природы. В начале 30-х годов нашего столетия современная наука смогла найти более приемлемое описание строения вещества на основе четырех типов элементарных частиц - протонов, нейтронов, электронов и фотонов. Это была простая и привлекательная схема: с помощью всего лишь четырех типов элементарных частиц, следуя законам квантовой механики, удалось объяснить природу химических элементов, их соединений и испускаемых ими излучений. Добавление пятой частицы - нейтрино - позволило объяснить также процессы радиоактивного распада. Казалось, что названные элементарные частицы являются основными кирпичиками мироздания.

Но эта кажущаяся простота вскоре исчезла. Были открыты позитрон и более сотни различных мезонов. Изобилие типов элементарных частиц поставило перед физиками трудный вопрос о том, что лежит в основе строения вещества. И пока еще не удалось найти ключа к решению загадки элементарных частиц.

Литература

1. Авакян С.В., Коваленок В.В. Неопознанные явления - “проделки” плазмы?/Природа, 1992, 6

2. В поисках истины (Мигдал)/ Природа, 1992, 4

3. Торн К.С. Черные дыры и искривление времени: дерзкое наследие

4. Эйнштей на/ Природа, 1994, 1, 2, 5, 7, 8, 10, 11

5. Шрейдер Ю.А. Препятствие - логика/ Природа. 1992. 1

Тема 1.1. Физика необходимого

Мир дискретных объектов - физика частиц

Учение о дискретном, корпускулярном строении материи возникло в античной философии (атомистика Левкиппа - Демокрита). Согласно Демокриту материя состоит из атомов, которые есть предел ее физической делимости, а пространство - из амер, которые есть предел математической делимости пространства.

С появлением физики и химии атомистическая гипотеза стала естественнонаучным учением. Атом стал рассматриваться как наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств. Наряду с понятием атома было введено представление о молекуле, которая представляет собой наименьшее количество вещества, вступающее в реакцию.

Применение атомистики позволило решить ряд фундаментальных проблем физики и химии: механизм химических реакций, природа тепловых процессов, статистический характер закона возрастания энтропии и др. М.Планк показал, что процессы поглощения и излучения энергии носят дискретный характер. Эйнштейн теоретически обосновал идею дискретности электромагнитного поля. Согласно квантовой теории любое физическое поле имеет дискретную природу.

Дискретность проявляется и в макромире, где существуют обособленные друг от друга клетки, многоклеточные организмы, виды, экосистемы.

Состояние физической системы и его изменение со временем

Состояние системы - физическая характеристика системы, определяемая значениями характерных для системы физических величин.

Состояние материальной точки в механике определяется заданием координат и скорости. Закон движения m*Dv/Dt=F связывает ее состояния в различные моменты времени. Если известны начальные координаты и скорость точки, а также силы как функции координат, то тем самым полностью определяется все последующее движение материальной точки. Задав любой момент времени из приведенной формулы можно определить координаты и скорость точки в этот момент.

Для количественного изучения движения любых объектов необходимо иметь систему отсчета. Под системой отсчета понимают систему координат и часы, связанные с телом отсчета.

В качестве системы координат пользуются прямоугольной декартовой системой. В качестве часов используется любой периодический процесс, который осуществляется в природе.

Если в качестве тела отсчета берут свободно движущееся тело, то система отсчета называется инерциальной. Инерциальных систем отсчета можно выбрать сколько угодно, и все они будут относительно друг друга двигаться по инерции. Нет критерия, по которому мы могли бы предпочесть одну инерциальную систему отсчета другой, также инерциальной. Все инерциальные системы отсчета являются физически эквивалентными.

Какое бы физическое явление ни рассматривалось, с точки зрения любых инерциальных систем отсчета оно выглядит совершенно одинаковым. Это означает, что математическая формулировка закона природы должна быть таковой, чтобы она не менялась при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Это положение в физике называют принципом относительности.

Если известно положение материальной точки в одной инерциальной системе отсчета, то можно определить ее положение в другой инерциальной системе, используя преобразования Галилея:

x = x’ + Vt,

t = t’

Второе равенство выражает абсолютность времени, т.е. его независимость от выбора инерциальной системы отсчета.

Равенства

Dx = Dx’

Dt = Dt’

выражают независимость длин и промежутков времени от выбора инерциальных систем отсчета. Другими словами, размеры тел и ход времени не зависят от того, что эти тела находятся в состоянии движения.

Из равенства

v = v’ + V

следует, что скорость есть понятие относительное; ее значение зависит от выбора системы отсчета. В частности, если в некоторой системе отсчета тело покоится, то относительно всех других оно движется с той или иной постоянной скоростью. Если положить v’=0, то v = V.

Равенство

Dv/Dt=Dv’/Dt’

означает, что ускорения тел во всех инерциальных системах одинаковы.

В 1905 году Эйнштейном опубликована специальная теория относительности. Два основных постулата отличают специальную теорию относительности от классической физики:

1) обобщенный принцип относительности, утверждающий, что во всех инерциальных системах отсчета законы механики одинаковы;

2) предельная скорость распространения взаимодействий совпадает со скоростью света в вакууме (Ньютоновская механика утверждает, что в принципе возможно распространение взаимодействий, передача сигналов, информации с бесконечной скоростью).

Преобразования Лоренца учитывают существование предельной скорости, но содержат преобразования Галилея как предельный случай, когда скорости v<c.

С точки зрения движущихся систем отсчета размеры тел или расстояния между двумя точками в пространстве уменьшаются.

Темп времени у движущихся часов замедляется. Преобразования Лоренца имеют в современной физике фундаментальное значение. Механику, учитывающую наличие предельной скорости c, называют релятивистской.

Два следствия из СТО: 1 - одновременность двух событий относительна. Если два события, произошедшие в разных точках, одновременны в одной инерциальной системе отсчета, то они не одновременны во всех других системах.

2 - тело с массой покоя m обладает энергией . Она может выделяться, если уменьшить массу тела. Она и выделяется: чуть-чуть при химических реакциях и в миллионы раз интенсивнее при ядерных реакциях.

В классической физике принцип относительности утверждался только для законов механики. В специальной теории относительности он провозглашен как общий закон природы. Согласно ему законы природы инвариантны во всех инерциальных системах отсчета.

Законы динамики и детерминизм Лапласа. В 1687 году Исаак Ньютон издал свою важнейшую работу “Начала”. Ньютон не изобрел динамику; напротив, он максимально использовал работы предшественников, особенно детальные эксперименты и рассуждения Галилея. Величайшей заслугой Ньютона было полное описание динамики движущихся тел.

Первый закон Ньютона или закон инерции: если действующая на тело результирующая сила равна нулю, то ускорение тела равно нулю и тело движется с постоянной скоростью.

Fрез=0  a = 0, или v = const.

Таким образом, если к телу, находящемуся в состоянии покоя, не приложено никаких сил, оно продолжает оставаться в состоянии покоя; если тело движется, оно сохраняет постоянную скорость.

Второй закон Ньютона: Ускоренное движение тела может быть вызвано только силой, приложенной к этому телу. Ускорение пропорционально действующей на тело силе, причем коэффициент пропорциональности характеризует инерцию, или массу тела, т.е. F=ma.

Третий закон Ньютона: если тело 1 действует на тело 2 с какой-либо силой, то тело 2 действует на тело 1 с равной противоположно направленной силой. Таким образом, любая сила всегда встречается в паре с равной по величине противодействующей силой, т.е. F12 = -F21. Это соотношение позволяет нам, по крайней мере в принципе, дать точное определение массы.

Третий закон выполняется приближенно, но с очень высокой степенью точности, если взаимодействующие тела расположены так близко друг к другу, что воздействие передается за время, практически равное нулю.

Открытие законов механики послужило основой для формирования механистической картины мира, согласно которой миром правят строгие однозначные законы, не допускающие никаких случайностей. Течение всех процессов определялось начальными условиями, мир представлялся состоящим из вечных, неделимых частиц, движение которых всегда можно описать с помощью законов механики.

Лаплас: “Мы можем рассматривать настоящее состояние Вселенной как следствие ее прежних состояний и как причину для будущих. Разумное существо, которое могло бы знать в какой-то момент времени все действующие в природе силы, а также соответствующие положения всех составных частей природы, смогло бы, при наличии достаточных аналитических способностей для оценки этих данных, охватить движение небесных тел и мельчайших атомов с помощью одной формулы. Ничто не укрылось бы от существа; прошедшее и будущее, в равной степени открытые, легли бы перед ним”.

С открытием статистических закономерностей, которые вошли в науку с работами Дарвина, Максвелла, Больцмана, начали формироваться новые представления о мире, которые более адекватно отражали существующие в нем взаимосвязи.

Импульс, энергия и момент системы как меры движения

Для материальной точки произведение массы тела (или частицы) на его скорость называют его импульсом p=mv.

Энергия представляет собой способность совершать работу. Существует три основных вида энергии:

1) кинетическая энергия, характеризующая состояние движения тела,

2) потенциальная энергия, обусловленная силами, действующими на тело со стороны других тел,

Eпот=mgh,

3) собственная энергия, связанная с массой покоя тела формулой Эйнштейна

Момент импульса (момент количества движения) есть произведение расстояния от тела до оси вращения на перпендикулярную компоненту импульса

L=rp=rmv.

Момент импульса является векторной величиной. Направление вектора момента импульса совпадает с направлением перемещения винта с правой нарезкой, если винт вращается в ту же сторону, что и объект.

В изолированной системе различные формы энергии могут превращаться друг в друга без потерь. Иными словами, в любом физическом процессе энергия сохраняется.

Например, потенциальная энергия может превращаться в кинетическую и обратно без всяких потерь. Иными словами, тело массой m , падая с высоты h , приобретает кинетическую энергию , равную потенциальной mgh.

Чтобы применять законы сохранения для совокупностей частиц (систем) или для макроскопических тел, следует отыскать ту точку системы или тела, которая всегда движется в соответствии с законами сохранения. Такая точка называется центром масс системы.

1. В отсутствие внешних сил центр масс системы движется с постоянной скоростью.

2. Если к системе как к единому целому приложена сила F , то центр масс приобретает ускорение a = F/M, где M - общая масса системы.

3. В отсутствие моментов внешних сил полный момент импульса системы относительно ее центра масс остается постоянным.

Мир непрерывных объектов - физика полей (континуум)

Представление о континууме также родилось в античную эпоху и выразилось, в частности, в лестнице веществ и существ Аристотеля.

Понятие континуума как одно из уточнений категории непрерывности имеет важные методологические функции. Например, Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) считал, что непрерывность обладает онтологическим статусом (“Природа не делает скачков”) и выступает необходимым условием истинности законов природы. Учение, согласно которому все тела сложены из простых элементов, совершенно правильно. Но атомы не могут быть такими элементами: их неделимость - фикция, ибо материя делима до бесконечности. Неделимыми могут быть только атомы нематериальные, силовые. Их Лейбниц назвал монадами.

Идею непрерывности развил далее Боннэ (1720-1793) в форме “лестницы существ”: природа не терпит скачков; все в ней совершается постепенно и равномерно путем оттенков. Вот почему между классами или родами организмов существуют промежуточные группы. Существует постепенный переход от человека к животному, от животного к растению и от растения к минералу.

В физике под континуумом понимается идеализированная модель единого физического пространства-времени. Она получается путем отождествления точек геометрического континуума с точками физического пространства-времени и определения на геометрическом континууме метрических отношений и функциональных связей посредством мысленного воспроизведения движений твердых тел (в классической механике) или световых сигналов (в теории относительности).

В соответствии с представлениями общей теории относительности метрическая структура пространственно-временного континуума детерминируется распределением плотности вещества и излучения во Вселенной. Континуальная модель физического пространства-времени - результат становления и развития классической математики и классической (неквантовой) физики.

Сплошная среда и упругие волны

Волной называют распространение в пространстве изменения состояния. Изменение состояния в физике означает изменение значения какой-либо физической величины. Например, при распространении звуковых волн в каждой точке пространства изменяется с течением времени деформация (сжатие-разрежение), в случае электромагнитной волны - значения напряженности электрического и магнитного полей

Волновое движение возникает в том случае, если движение данной частицы влияет на движение соседних с ней частиц и испытывает их влияние.

Примеры волнового движения: морские волны, звуковые волны, электромагнитные (световые и радиоволны).

Если частицы перемещаются перпендикулярно направлению распространения волны, волны называются поперечными. Если частицы перемещаются взад-вперед вдоль направления распространения волны, волны называются продольными. Помимо бегущих волн бывают волны стоячие. Синусоидальная волна, форма которой между двумя закрепленными точками остается неизменной, а амплитуда меняется в зависимости от времени, называется стоячей волной.

Волны, распространяющиеся прямолинейно вдоль струны или пружины, называются одномерными. От источника звука в воздухе распространяются сферические (трехмерные) звуковые волны. Колеблющаяся доска возбуждает на поверхности воды двумерные плоские волны.

Взаимодействие: концепции близкодействия и дальнодействия

Большинство сил, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, представляют собой силы контактного типа, возникающие при соприкосновении. В древности для людей реальными были только контактные силы. Казалось совершенно невероятным, что Солнце действует реальной силой на Землю, поскольку между этими телами нет контакта.

Создание Ньютоном теории всемирного тяготения привело к возникновению совершенно новых представлений. Согласно этой теории, Земля, Луна, Солнце и вообще все планеты действуют друг на друга определенными силами, несмотря на то, что они не соприкасаются и между ними нет никакой материальной среды, которая могла бы передавать действие сил.

Для описания гравитационного взаимодействия пришлось ввести понятие о “действии на расстоянии”. Ньютон не пытался объяснить, почему действие гравитационной силы передается через пустоту. Для решения проблемы сил, действующих на расстоянии, “изобрели” эфир. Представление об эфире просуществовало вплоть до начала нашего века и было окончательно развенчано теорией относительности Эйнштейна. Место теории эфира заняла теория поля.

Любую физическую величину, которая имеет вполне определенное значение в каждой точке пространства, можно рассматривать как величину, характеризующую поле.

С математической точки зрения поле - это произвольная функция или набор функций, координат r = x,y,z и времени t.

Большинство представляющих интерес для физики полей являются векторными; к ним относятся гравитационное, электрическое, магнитное и другие поля.

Соответствующая величина, характеризующая поле, изменяется в пространстве непрерывно в математическом смысле. Именно таким образом меняются некоторые физические величины, к примеру вектор гравитационной силы.

Электромагнитное поле и электромагнитные волны

С открытием М.Фарадея в науку вошло представление об электромагнитном поле как о материальной среде, как о непрерывной материи, заполняющей пространство. Поле является материальной субстанцией. Электромагнитная картина мира утвердилась благодаря работам Максвелла.

Майкельсон доказал, что свет - электромагнитное поле - сам является видом материи, для его распространения нет необходимости в какой-либо среде - эфире.

Эйнштейн, будучи еще шестнадцатилетним юношей, подолгу размышлял о свойствах электромагнитного поля, и в частности о том, каким представлялось бы электромагнитное поле для наблюдателя, который “летит” вдогонку за ним со скоростью света. Впоследствии он рассказывал, что никак не мог себе представить, каким было бы электромагнитное поле для такого наблюдателя, и, наверное, из этой невозможности родилась позже уверенность, что “луч света нельзя догнать”: с какой бы скоростью мы ни гнались за ним, он уходит от нас со скоростью 300 000 км/сек - скорость света во всех инерциальных системах отсчета одинакова. Это один из постулатов специальной теории относительности.

При ускоренном движении электрических зарядов возникает изменяющееся во времени электромагнитное поле и источник испускает электромагнитные волны. Электромагнитное излучение обладает энергией и импульсом. Например, электромагнитное излучение переносит на Землю энергию Солнца и снабжает ее светом и теплом, необходимыми для поддержания жизни. Импульс, связанный с падающей на Землю солнечной энергией, очень мал, поэтому мы его не замечаем (не испытываем давления, обусловленного импульсом световых волн). Однако действие импульса солнечного излучения (радиационное давление, или давление света) можно видеть, наблюдая хвосты комет. Под действием радиационного давления хвосты комет направлены от Солнца.

Многообразие диапазонов электромагнитного излучения.

{bmlris1.bmp}

Электронные методы позволяют генерировать электромагнитные волны с частотами до Гц. Эта область частот простирается от радиоволн до микроволн.

В диапазоне радиоволн работают обычное радиовещание, телевидение, воздушная и морская связь, любительские радиостанции; радиолокация и радиорелейные линии используют микроволновый (сверхвысокочастотный) диапазон.

Для генерации излучения с частотами выше микроволнового диапазона используется излучение атомов. Верхний предел частот, которые могут генерировать атомные системы, составляет около Гц; излучение более высоких частот (гамма-лучи) испускается атомными ядрами.

Различные диапазоны электромагнитных волн получили разные названия, но все эти виды излучения имеют единую природу и отличаются друг от друга только своими частотами

Интерференция, дифракция и поляризация света

В любых волновых процессах, где складываются две или несколько волн, происходит интерференция. Импульсы противоположных знаков при встрече гасят друг друга - это деструктивная интерференция. Если знаки импульсов одинаковы, то при встрече они складываются - это конструктивная интерференция.

Дифракция вызывает огибание волной препятствия и заставляет волну расходиться после прохождения через узкое отверстие.

В 1808 году французский физик Э.Малюс на основании опытов с кусками исландского шпата и опираясь на корпускулярную теорию света Ньютона, предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения от какой-либо поверхности или прохождения сквозь анизотропный кристалл они приобретают определенную ориентацию. Такой “упорядоченный” свет он назвал поляризованным.

При распространении электромагнитной волны в ней совершают колебания вектор напряженности электрического поля E и вектор индукции магнитного поля B. Эти векторы взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной распространению волны. Если колебания вектора E происходят в одной плоскости, то говорят, что свет плоскополяризован.

Квант света, излученный атомом, поляризован всегда. Однако излучение макроскопического источника света (Солнце, электролампа) является суммой излучений огромного числа атомов, которые излучают свет с различной поляризацией. Такой свет называется неполяризованным. Для выделения из неполяризованного света части, обладающей желаемой поляризацией, используют поляризаторы (кристалл исландского шпата или турмалина, искусственные поляризаторы).

Литература

1. Анисимов В.Н. Видеотерминалы - угроза здоровью/ Природа, 1995, 2

Тема 1.2. Физика возможного

Мир микрообъектов - квантовая физика

Теория относительности Эйнштейна потребовала коренного пересмотра физических представлений о таких фундаментальных понятиях, как пространство и время. Но еще ранее возникли вопросы, касающиеся физической природы излучения и вещества, их сходства и различия, вопросы, относящиеся к внутреннему строению атомов и к происхождению радиоактивности. Попытки ответить на эти вопросы, предпринятые в первые годы нашего века, завершились созданием современной квантовой теории.

В 1897 году английский физик Джозеф Томсон (1856-1940) установил атомистический характер отрицательного электричества. Из своих опытов с катодными лучами он сделал вывод, что они представляют собой поток частиц, которые получили название электронов.

В 1900 году Планк, пытаясь объяснить форму спектра излучения абсолютно черного тела, сделал необычное предположение о том, что обмен энергией между излучением и веществом происходит дискретными порциями, квантами. Большинство физиков восприняло это как “ловкий фокус”, не имеющий серьезных научных оснований. В 1900 году еще придерживались мнения, что все физические процессы протекают непрерывно, и даже сам Планк не шел столь далеко, чтобы предположить квантовую природу всего электромагнитного излучения.

Идея Планка пребывала в забвении в течение нескольких лет. Затем ею воспользовался Эйнштейн для объяснения фотоэффекта и постулировал, что все электромагнитное излучение имеет квантовый характер (состоит из квантов излучения - фотонов). Идея Планка получила признание и в 1918 году ему была присуждена Нобелевская премия.

Волновая природа света была установлена в начале XIX века, когда ряд экспериментов по дифракции и интерференции света ниспроверг конкурировавшую с волновой корпускулярную теорию света. Теория фотоэффекта Эйнштейна снова вызвала к жизни представление о свете, как о потоке частиц. Не означает ли это, что надо отбросит волновую теорию и вернуться к старой корпускулярной? Или же свет играет двойственную роль (то частиц, то волн)? Тогда может быть и электрон, который считали частицей, ведет себя подобно волне?

Ответы на эти вопросы были получены в 20-х годах нашего столетия, когда эксперименты показали, что и свет, и электроны могут обнаруживать свойства как волн, так и частиц. Этот корпускулярно-волновой дуализм был введен в качестве основного принципа в создаваемую в те годы волновую механику, или квантовую теорию.

Разнообразные эксперименты демонстрируют двойственную природу излучения и вещества: электрон распространяется наподобие волны, а свет взаимодействует подобно частицам. Как же описать “частицы света” и “электронные волны”?

Излучение всегда состоит из набора (суперпозиции) волн с разными частотами. Если эти частоты заключены в узкой области около центральной частоты, то интерференция соответствующих волн оказывается конструктивной в одной области пространства и деструктивной во всем остальном пространстве. Такая локализованная группа колебаний называется волновым пакетом. Волновой пакет электромагнитного излучения (т.е. фотон) распространяется как целое со скоростью света. В случае фотона желтого света волновой пакет состоит примерно из 600000 колебаний.

В эксперименте со щелями электроны ведут себя как волны и создают интерференционные эффекты аналогично световым волнам.

Два важных заключения, имеющих решающее значение для развития квантовой теории:

1. Отдельные электроны или фотоны обнаруживают волновое поведение, состоящее в том, что они способны интерферировать сами с собой.

2. Отдельные электроны или фотоны имеют корпускулярное поведение, состоящее в том, что они взаимодействуют с веществом только в дискретных точках; но указать места, где происходят такие взаимодействия в каждом отдельном случае, можно только в вероятностном смысле.

Действительно ли существует дуализм волна-частица? Как понимать тот факт, что электроны и фотоны появляются иногда в облике частиц, а иногда в облике волн? Может быть, это “кентавры” - наполовину волны, а наполовину частицы? А может быть они способны трансформироваться из одного обличья в другое?

Ответ на эти вопросы становится ясен, если четко представить себе, что когда мы описываем поведение электрона или фотона, как поведение частицы или волны, то мы навязываем классическое описание объектам, имеющим существенно неклассическую природу. Электроны и фотоны не подчиняются законам классической механики - их поведение правильно описывается только квантовой механикой. Поэтому нет ничего удивительного, что при использовании классических представлений для описания квантовых объектов возникает некоторая двусмысленность.

Для математического описания процессов взаимодействия электронов и фотонов с веществом вводится величина, которая называется волновой функцией частицы или фотона. Эта функция обычно обозначается буквой пси - j и используется для вычисления вероятности того, что частицу или фотон можно обнаружить (по их взаимодействию с веществом) в данной точке.

В квантовой механике на энергию свободной частицы, движущейся в пространстве, не накладывается никаких ограничений. Такая частица может иметь любую длину волны и любую кинетическую энергию. Зависимость между кинетической энергией и импульсом является квадратичной

В случае свободной частицы нет различий между результатами классической и квантовой механики энергию. Однако если ограничить движение частицы, то обе теории уже не будут приводить к одинаковым результатам.

Рассмотрим движение частицы в ограниченном пространстве между точками x=0 и x=L . Можно представить себе, что частица движется между двумя непроницаемыми стенками, совершая прямолинейное движение то в прямом, то в обратном направлениях. В этом случае никаких ограничений на энергию частицы не существует.

Рассматривая движение квантовой частицы при тех же условиях, мы должны принять во внимание ее волновые свойства. При этом существенно, что волновая функция частицы должна обращаться в нуль при x=0 и x=L , поскольку частица не имеет права покинуть это ограниченное пространство. Это означает, что в “ящике” должны помещаться стоячие волны де Бройля, что возможно при условии, что на длине 2L укладывается целое число длин волн.

Вероятность обнаружить частицу в какой-либо точке внутри “ящика” пропорциональна квадрату пси-функции. В результате внутри “ящика” имеются области, где эта вероятность равна нулю, что противоречит классическим представлениям.

Частица в “ящике” может обладать только определенными значениями энергии. В отличие от классического варианта квантовая частица может иметь на параболе зависимости E от p только отдельные значения (точки).

Второй важный результат состоит в том, что частице запрещено иметь нулевую кинетическую энергию, т.е. частица внутри “ящика” не может находиться в состоянии покоя. Ибо в этом случае частица имела бы равный нулю импульс и, следовательно, бесконечно большую длину волны де Бройля.

Под частицей мы понимаем нечто локализованное в пространстве. Согласно классической теории, частица в каждый данный момент занимает вполне определенное положение и имеет точно определенную скорость движения.

Квантовая теория не может предсказать результат отдельного события, однако она дает с большой точностью средние значения для большого числа событий. В этом и состоит основной смысл принципа неопределенности.

Принцип неопределенности является одним из проявлений корпускулярно-волнового дуализма излучения и вещества. Волну нельзя локализовать в пространстве, и поэтому любое измерение положения объекта, обнаруживающего волновые свойства, принципиально сопряжено с неопределенностью.

Атомы, молекулы, кристаллы

Первую количественную теорию атома разработал в 1913 г. датский физик Нильс Бор (теория атома водорода). Он принял предложенную Резерфордом модель атома с сосредоточенным в центре ядром и внешними электронами. Согласно классической теории такая система может быть устойчивой, если электроны находятся в движении. Таким образом, атом должен быть подобен миниатюрной Солнечной системе, в которой роль Солнца играет ядро, а планет - электроны. Однако согласно классической теории движущиеся электрические заряды должны излучать энергию в виде электромагнитных волн. Расчеты показывали, что электрон в атоме водорода должен излучить всю энергию за ничтожную долю секунды (порядка 10^-9 с). Однако в атоме этого не происходит.

Бор предположил, что классическая электромагнитная теория к атому не приложима, что энергия электрона не теряется на излучение, когда он движется по орбите; электрон излучает энергию только тогда, когда он совершает переход между двумя разрешенными орбитами, причем энергия испущенного фотона равна разности энергий электрона на этих орбитах.

Для невозбужденного атома радиус орбиты составляет м. При возбуждении атома электрон перескакивает на одну из более удаленных от ядра орбит. Радиусы возможных орбит описываются формулой

где - постоянная Планка, m - масса электрона, e - заряд электрона, n - главное квантовое число, фиксирующее порядковый номер орбиты электрона.

Таким образом, Бор предположил, что момент импульса электрона квантуется.

Бор подвергся суровой критике за попытку ниспровергнуть господствовавшие в течение столетий классические теории. Сам Бор затруднялся дать надлежащее объяснение фундаментального значения такой странной смеси классической динамики и гипотезы квантования. Прошло более 10 лет, прежде чем развитие новой квантовой механики позволило объяснить замечательные результаты Бора.

К середине 20-х годов стало ясно, что теория строения атома Бора-Зоммерфельда, будучи сплавом как классических, так и квантовых представлений, не может дать полного и удовлетворительного объяснения свойств атомов. В 1925-1926 гг. родился новый взгляд на природу атомных процессов, основанный не на использовании орбит электронов и электронных “прыжков” с одной орбиты на другую, а на описании волновых свойств электронов. Классическое представление об орбитах было отброшено; его заменила волновая механика или квантовая теория элементарных процессов.

В 1925 г. Вернер Гейзенберг и Эрвин Шредингер дали эквивалентные математические описания поведения электрона, а Гаудсмит и Уленбек ввели понятие спина электрона. В следующем году Макс Борн дал вероятностную интерпретацию волновой функции. В 1928 г. Паули сформулировал принцип, позволивший объяснить расположение атомных электронов по оболочкам (в данной электронной системе, в атоме или молекуле, состояния всех электронов различны), Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, а П.А.М.Дирак разработал релятивистскую квантовую теорию.

Эти достижения позволили получить ответ почти на любой вопрос, связанный со строением атомов. По своему значению квантовая теория соизмерима, а может быть и превзошла сформулированный Ньютоном закон всемирного тяготения и объяснение движения планет.

Микрочастица не имеет положения и скорости в макроскопическом смысле этих понятий. Обычные механические величины применимы в микромире с ограничениями. Существо дела состоит в том, что нельзя рассматривать электрон изолированно, вне взаимодействия с другими микрочастицами. Следовательно, нельзя говорить и о траектории электрона в атоме, его орбите.

В атоме нет электронных орбит, есть электронное облако. Атомное ядро как бы окружено облаком отрицательного заряда, особенно плотным на тех расстояниях от ядра, которые Бор считал радиусами орбит. Это облако есть облако вероятности нахождения электрона. Электронные облака имеют различную форму у различных атомов. Форма и протяженность облака меняются при изменении энергии атома.

Можно ли представить себе электрон? (в атоме) Орбитали дают нам представление только о том, в каких точках пространства вероятнее всего нахождение электрона в данный момент времени. Сказать же точно, где он находится в данный момент времени в атоме, мы не можем потому, что это невозможно вообще. И представить себе электрон мы не можем, потому что в нашем мире нет наглядных объектов, с которыми можно было бы его сопоставить.

При рассмотрении состояния электрона в атоме физики вводят представление об электронном облаке. Форма и эффективные размеры его определяются квантовыми числами n и l и меняются при переходе электрона из одного состояния в другое - отождествлять электронное облако с электроном нельзя.

Чтобы описать размеры и форму электронного облака, используется функция “пси” (волновая функция), которая дает возможность определить вероятность обнаружения электрона с данными квантовыми числами в некотором элементе объема.

Движущийся по орбите электрон можно рассматривать, с одной стороны, как некую корпускулу (с определенными массой, энергией, зарядом), а с другой - как некую волну, длина которой укладывается на длине орбиты целое число раз (это число есть главное квантовое число).

Состояние электрона в атоме определяется набором квантовых чисел:

n - главное квантовое число, 1,2,3... - число уровней энергии. При

n = 1 значение энергии соответствует основному состоянию атома. В основном состоянии атом обладает наименьшим значением энергии. Все состояния атома при n>1 называют возбужденными.

Существенной особенностью всех атомов и молекул является их способность удерживать электроны в ограниченной области пространства. Вследствие волновой природы частиц свободный электрон, движение которого ограничено размерами этого пространства L , должен вести себя подобно звуковой волне, распространяющейся то в одну, то в другую сторону в помещении с абсолютно отражающими стенками. В соответствии с условием обращения в нуль волновой функции электрона на границах пространства допустимы лишь волны, у которых на отрезке длиной L укладывается целое число полуволн. Таким образом, допустимы лишь определенные волновые функции, или, иначе, определенные состояния электрона. Эти условия такие же, как для случая стоячих волн на струне.

Итак, электрон - частица с определенным зарядом и массой, проявляющая специфические волновые свойства и приобретающая поэтому дискретные значения энергии в атоме или молекуле.

Второе квантовое число l называют орбитальным или побочным, оно подчеркивает “неравноценность” всех электронов в данной оболочке.

Орбитальный момент импульса квантуется, принимая только значения, кратные h:

L = lh , l = 0, 1, 2 ... n - 1 Орбитальное квантовое число - l может иметь только положительные значения от 0 до n-1.

Форма электронного облака зависит от значения квантового числа l. Если оно равно нулю, то электронное облако имеет сферическую форму. Если -1, то форму вращения, полученную из “восьмерки”. При больших значениях - более сложную форму.

Так как момент импульса - вектор, он имеет не только численное значение, но и направление. Обычно не существует такой физической величины, которая имела бы выделенное направление в пространстве, и поэтому направление L не имеет значения. Однако в магнитном поле некоторое направление в пространстве оказывается выделенным. Связь магнитного поля с направлением момента импульса обусловлена тем, что орбитальный электрон подобен крошечному магниту, и поэтому взаимодействует с магнитным полем.

Так как движущийся заряд отрицателен, магнитный момент, обусловленный орбитальным движением электрона, направлен противоположно моменту импульса и, подобно ему, квантуется: величина проекции момента импульса на направление поля определяется квантовым числом m.

Вообще проекция орбитального момента на направление поля равна

Lz = mh,

где m - магнитное квантовое число, которое может иметь значения -l, -l+ 1, -l+ 2, ... -1, 0, 1, ... l- 2, l -1, l, т.е. всего 2l +1 значений.

Кроме того, электрон, как находящийся внутри атома, так и свободный, имеет некий внутренний, так называемый собственный момент импульса, называемый спином, S.

S = sh, где s - спиновое квантовое число, которое может иметь только одно значение: s = 1/2. Поэтому существуют только две разрешенные проекции S на выбранное направление +1/2 и -1/2, так как проекции L и S могут отличаться только на величины, кратные h.

И в классической, и в квантовой физике заряженное тело, обладающее моментом количества движения, является магнитом.

Орбитальный магнит направлен по оси орбиты. Что касается спинового магнетизма электрона, то для его наглядного изображения следует представить электрон в виде твердого тела, вращающегося вокруг собственной оси (по-английски to spin - крутить волчок).

Но у электрона нет орбиты, и волчком он не является. Тем не менее он имеет и орбитальный и спиновый магнетизм.

Таким образом, электрон в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами n, l, m, s , выражающими четыре физических величины: энергию, орбитальный момент количества движения, его проекцию на выделенное направление в пространстве (направление магнитного поля) и такую же проекцию спинового момента. Без этих квантовых чисел нельзя понять основных свойств атома, а также физического смысла периодического закона Менделеева.

Периодический закон Менделеева

Очевидно, что периодичностью должны обладать свойства электронов в атомах. Если атомы состоят из ядер и электронов, и электроны могут существовать в различных состояниях, то именно эти электронные состояния ответственны за физическое и химическое поведение атомов.

Для понимания распределения электронов по доступным им состояниям необходимо иметь в виду два принципа.

Первый: при прочих равных условиях электрон должен находиться в том состоянии, в каком его энергия минимальна. Если электрону сообщена большая энергия и он имеет возможность перейти на более низкий энергетический уровень, то он это сделает. При этом избыток энергии выделится ввиде света или иным путем.

Второй принцип - запрет Паули. Разберем последовательно строение атомов ряда элементов, помня, что атомный номер элемента выражает число электронов в атоме.

Водород. Наименьшее возможное значение энергии единственного электрона в атоме H соответствует наименьшему значению главного квантового числа n, т.е. 1. Следовательно, l = 0 (наибольшее значение l есть l-1 ), m = 0 и s имеет произвольное значение +1/2 или -1/2.Главное квантовое число записывается цифрой, а число l - буквой: l=0 - s, l=1 - p, l=2 - d, l=3 - f и т.д. (g, h, i, ... ) Значит, в атоме водорода электрон имеет состояние 1 s . В атоме гелия He - два электрона. Они оба могут быть в состоянии 1 s , но согласно принципу Паули их спиновые числа должны иметь разные знаки: +1/2 и -1/2. Обозначив спиновые числа стрелками, можно представить состояния атомов водорода и гелия следующим образом:

H

He

У лития три электрона. Третий электрон уже не может попасть в клеточку 1s (принцип Паули не допускает этого). Следовательно, у третьего электрона должно возрасти главное квантовое число: n = 2. Он попадает в состояние 2s.

1s2s

Li 

Be  

В каждой клеточке может быть не более двух электронов. Пятый атом бора должен попасть в следующую клетку. Но при n=2 число l может иметь уже два значения: l=0 и l=1. При l=0 число m равно 0 и только 0, а при

l=1 m имеет три значения -1, 0 и 1. Соответственно состоянию с n =2,

l=1 , т.е. 2p , принадлежит уже три клеточки, в каждой из которых может поместиться по два электрона с антипараллельными спинами.

Теория и спектроскопия показывают, что заполнение p-клеток происходит по правилу: электроны располагаются прежде всего по клеткам, отвечающим различным значениям квантового числа m так, чтобы все спиновые стрелки смотрели в одну сторону. Это значит, что суммарный спин атома должен быть максимальным.

У атома He электронами использованы все возможности, отвечающие главному квантовому числу n=1, и таких возможностей только 2. У атома Ne заполнены все клеточки, отвечающие n=2; таких клеток 4 и в каждой по 2 электрона, всего 8 электронов.

У следующего за неоном элемента Na начинается новая оболочка: одиннадцатый электрон попадает в состояние 3s и т.д.

Сказанного достаточно, чтобы понять, чем определяется периодичность свойств элементов, открытая Менделеевым. За физические и химические свойства атома ответственны прежде всего его внешние электроны - те электроны, у которых главные квантовые числа имеют наибольшее значение. Обладая наибольшей энергией, эти электроны легче других могут быть отделены от атома, они дальше отстоят от ядра и легче поддаются различным воздействиям. Внутренние электроны, входящие в состав заполненных оболочек, защищены от этих воздействий внешними электронами.

Квантовые переходы и излучение

Почти все свойства атомов - химические, электрические, магнитные, оптические и т.д. - зависят от конфигураций внешних электронов. Только в случае очень сильного воздействия на атом в игру вступают сильно связанные внутренние электроны.

Если сообщить атому достаточную энергию за счет столкновения с быстрым электроном (как это происходит в рентгеновской трубке) или облучая его фотонами большой энергии, то удается выбить один из внутренних K-электронов. Электрон с более удаленной от ядра L-оболочки перейдет на K-оболочку и займет освободившееся место, испуская при этом жесткий фотон. В конце концов, после всех переходов с одной оболочки на другую и испускания серии рентгеновских квантов, из окружающей среды внешней оболочкой будет захвачен свободный электрон и атом вернется в электрически нейтральное состояние.

Атомы и молекулы

Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены роем отрицательно заряженных электронов. Такое электрически нейтральное образование называют атомом. Атом есть наименьшая структурная единица химических элементов.

Атомные электроны образуют весьма рыхлые и ажурные оболочки. Распределение электронов по оболочкам подчиняется определенным правилам, установленным квантовой механикой. Электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, определяют их реакционную способность, т.е. их способность вступать в соединение с другими атомами.

Связь атомов возможна, если совместная внешняя оболочка целиком заполнена электронами. Такое образование называют молекулой. Молекула есть наименьшая структурная единица химического соединения. Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет около 106.

Некоторые атомы (углерода и водорода) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой для образования макромолекул, которые проявляют уже биологические свойства.

В природе лишь немногие атомы существуют поодиночке, поскольку у большинства элементов атомы химически нестабильны. Для того, чтобы атом был стабильным, его внешняя электронная оболочка должна быть заполнена определенным числом электронов (у водорода и гелия - 2, у остальных - 8).

Атомы с незаполненными внешними электронными оболочками способны вступать в химические реакции, образуя связи с другими атомами. Реакции сопровождаются перегруппировкой электронов, в результате которой внешняя электронная оболочка у каждого из атомов оказывается заполненной.

Соединением называют вещество, в котором атомы двух или более элементов объединены в определенном соотношении. Соединение характеризуется определенным составом и определенным набором свойств, отличающихся от свойств элементов, из которых оно состоит. Например, свойства воды отличаются от свойств водорода и кислорода, из которых она состоит.

Молекула - это мельчайшая частица соединения, сохраняющая все его свойства (соединения с ионными связями, как например, NaCl, состоят не из молекул, а из ионов). Атомы могут соединяться в молекулы, если энергия связанных атомов окажется меньшей, чем суммарная энергия изолированных атомов.

Кристалл образуется путем регулярного повторения расположения атомных групп в пространстве. Существует 14 различных основных типов кристаллов. Кристаллы могут быть ионными (кристаллы поваренной соли) и ковалентными (графит, алмаз). Металлы образуют еще один тип кристаллических структур, в которых внешние электроны не связаны с каким-либо определенным атомом; эти электроны могут свободно перемещаться внутри металла (электроны проводимости). Металлы со свободными электронами в межатомном пространстве являются хорошими проводниками. В ионных и ковалентных кристаллах каждый электрон связан с определенным атомом или парой атомов; свободные электроны отсутствуют. Поэтому кристаллы типа NaCl или алмаза плохо проводят электричество.

Мир реальных макрообъектов - статистическая физика

Выход книги Дарвина “Происхождение видов” (1859) совпал с открытием Дж. Максвеллом статистического закона о распределении молекул по скоростям, который допускает случайные события. С теорией естественного отбора Дарвина и законом Максвелла в науку вошло представление о динамических и статистических закономерностях. Первые точно определяют поведение отдельных тел, вторые - вероятность поведения тел, входящих в большие ансамбли.

В физике, химии и биологии встречаются статистические закономерности, отличие которых от законов механики состоит в том, что статистические закономерности управляют системами, состоящими из огромного числа объектов, подверженных случайным событиям. Случайными называют события, которые зависят от множества причин, связи между которыми не представляется возможным установить. Но при многократном повторении случайных событий проявляются определенные закономерности.

Согласно представлениям того времени чья-то смерть или рождение, хорошая погода сегодня или война в будущем были предопределены существовавшим до этого расположением и скоростью частиц, составляющих Вселенную. “Природа проста и не роскошествует излишними причинами”, - утверждал один из создателей механистической картины мира - Исаак Ньютон. С открытием статистических закономерностей, которые вошли в науку с работами Дарвина, Максвелла, Больцмана, начали формироваться новые представления о мире, которые более адекватно отражали существующие в нем взаимосвязи.

Статистическая физика приняла завершенный вид после работ американского физика Дж.У.Гиббса, который дал общий метод вычисления усредненных макроскопических величин для произвольной системы.

Для описания движения планет, космического корабля, работы простых механизмов используют уравнения механики, которые позволяют определить положения и скорости всех частей системы. Но уравнения механики становятся бессильными, когда число частиц в системе очень велико, например, когда надо описать поведение газа или электрического тока.

Статистическая физика изучает свойства сложных систем - газов, жидкостей, твердых тел и их связь со свойствами отдельных частиц - атомов и молекул, из которых эти системы состоят. Для таких систем не нужно слишком детального описания. Нельзя измерить энергию и импульс всех молекул газа. В газе мы измеряем давление, которое есть результат ударов большого числа молекул; сопротивление кристалла есть следствие большого числа столкновений электронов с атомами. Во всех физических системах, состоящих из большого числа частиц, изучаются величины, усредненные по многим частицам.

Ансамбль (статистический) - совокупность одинаковых физических систем многих частиц, находящихся в одинаковых макроскопических состояниях, в то время как микросостояния могут быть различными.

Тепловое равновесие и флуктуации. Неравновесные состояния и релаксация

Релаксация - процесс установления термодинамического равновесия в макроскопической физической системе. Под временем релаксации разумеют время установления равновесия в системе. Время релаксации существенно зависит от размеров системы, а именно оно растет с увеличением размеров макротел. Это означает, что малые части макросистемы приходят в равновесие значительно быстрее, чем все тело в целом.

В связи с этим можно ввести понятие о локальном равновесии, т.е. равновесии в точке, под которой понимается элемент объема тела, достаточно малый по сравнению с размерами самого тела, но содержащий достаточно большое количество молекул или атомов.

При локальном равновесии “точка среды” характеризуется свои местным значением температуры, а сама неравновесная среда описывается “полем температур”. С течением времени неполное равновесие всей замкнутой системы превращается в полное, температура для всех ее частей постепенно выравнивается. В равновесных системах давление и температура постоянны по всему объему тела. Если же в теле имеется какое-то распределение давлений и температур, значит система неравновесная. Из-за наличия перепадов (градиентов) давления в таком теле возникают внутренние макроскопические движения, характеризующиеся некоторым распределением скоростей.

Тепловая физика: от Карно к Гиббсу

С.Карно, “Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу”, 1824 г. Основная идея: тепловая машина производит работу благодаря передаче тепла от источника - нагревателя, находящегося при температуре T1, к холодильнику, находящемуся при температуре T2<<T1, т.е. от более нагретого тела к менее нагретому. С.Карно впервые разработал метод циклов. Цикл - это последовательность процессов, которые возвращают в конечном счете всю систему участвующих в них тел в первоначальное состояние. На основе цикла Карно сформулирован второй закон термодинамики.

Согласно второму закону термодинамики, во всякой изолированной (т.е. не испытывающей никаких воздействий со стороны других тел) системе самопроизвольно протекают только такие процессы, которые приводят ее в состояние, не изменяющееся в дальнейшем с течением времени. Такое состояние системы называется тепловым равновесием. Оно может достигаться в системе и тогда, когда она не является изолированной, но находится в неизменных внешних условиях.

Хорошо известный пример: тепло всегда переходит от горячего тела к холодному, пока температуры обеих тел не станут одинаковыми и не установится тепловое равновесие. Однако понятие теплового равновесия значительно сложнее.

С точки зрения кинетической теории состояние теплового равновесия возникает как результат равенства скоростей прямого и обратного процессов (например, равенства скоростей испарения и конденсации в замкнутом сосуде с жидкостью).

Следует подчеркнуть, что равенство это выполняется лишь в среднем (для не слишком малых промежутков времени и не слишком малых объемов): при переходе к малым временам и малым объемам наблюдаются отклонения от теплового равновесия, или флуктуации, обусловленные неточным совпадением скоростей противоположно направленных элементарных процессов в каждый данный момент.

Состояние теплового равновесия устойчиво. Понятие теплового равновесия применимо не только к выравниванию температуры вследствие переноса тепла, к фазовым превращениям, к химическим реакциям, но и к любым явлениям природы - физическим, химическим, биологическим, космическим: любая система при неизменных внешних условиях с течением времени всегда приходит в состояние теплового равновесия и никогда самопроизвольно из него не выходит.

Термодинамики устанавливает критерии теплового равновесия. Американский физик Дж.У.Гиббс, один из создателей классической и статистической термодинамики, придумал для расчета равновесий метод термодинамических потенциалов, или характеристических функций.

Согласно Гиббсу, существуют такие функции, которые в состоянии теплового равновесия достигают минимума. Например, если процесс происходит при заданных температуре и давлении, то в состоянии теплового равновесия минимума достигает свободная энергия Гиббса; в теплоизолированной системе, находящейся при постоянном объеме, - внутренняя энергия.

Энергия, температура, энтропия

Немецкий физик Р.Клаузиус ввел функцию S, которую он назвал энтропией и сформулировал второй закон термодинамики (1865): “При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает”.

Вот несколько равноценных формулировок второго начала термодинамики:

1) невозможно построить вечный двигатель второго рода, то есть машину, которая работает за счет тепла окружающей среды;

2) работу можно получить лишь выравнивая перепады каких-либо параметров системы (температуры, давления, электрического потенциала);

3) в замкнутой (то есть не получающей энергии извне) системе прирост энтропии всегда положителен;

4) все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутых системах идут в сторону наиболее вероятного состояния системы.

Австрийский физик Л.Больцман открыл физический смысл энтропии и причины ее роста в изолированных системах: энтропия - мера беспорядка в системе. Полный порядок соответствует минимуму энтропии; любой беспорядок увеличивает ее. Максимальная энтропия соответствует полному хаосу. Энтропия жидкости больше, чем твердого тела; а энтропия газа больше чем энтропия жидкости.

Больцман впервые ввел понятие термодинамической “вероятности состояния системы”. Всякая система, состоящая из очень большого числа частиц, будет переходить от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным, осуществляющимся большим числом способов. Связь между энтропией S и числом способов реализации данного состояния (термодинамической вероятностью) P дает формула Больцмана: S=klnP+const, где - постоянная Больцмана. Или S=klnW. Читается эта формула так: энтропия замкнутой системы прямо пропорциональна натуральному логарифму термодинамической вероятности состояния системы.

Когда энтропия системы достигает максимума, то никакие процессы в ней невозможны. Но при этом необходимо различать микропроцессы и макропроцессы. В природе необратимы все макроскопические процессы, они протекают в направлении возрастания энтропии. Необратимым является такой процесс, который в обратном направлении может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса.

Одному и тому же макросостоянию может соответствовать множество микросостояний, которые с течением времени непрерывно сменяют друг друга, хотя на макроуровне может не наблюдаться никаких изменений. Действие закона возрастания энтропии при протекании процессов в замкнутых системах проявляется только на макроуровне.

Энтропия, как и энергия, - функция состояния системы. Энергия проявляется в работе. Энергия как функция состояния системы характеризуется определенными координатами, а работа равна разности энергий системы при переходе ее из одного состояния в другое.

В соответствии с законом сохранения энергии все формы движения материи могут переходить одна в другую. Но существуют “ловушки”, в которых различные виды движения материи превращаются в тепловое движение -трение, электрическое сопротивление, теплопроводность. А это превращение необратимо. В конце концов вся энергия системы превращается в энергию теплового движения и рассеивается в окружающем пространстве, а энтропия системы достигает максимума.

Энергия и энтропия всегда рядом. Энергия дает жизнь каждому листику, травинке, движение облакам, рекам, ветру. А энтропия? Если бы ее не было, все процессы в мире стали бы обратимыми. Книга соскользнет на пол и расползется на волокна, раскрутятся гайки и винты, на нас обрушится какофония звуков, которую произведут все происшедшие на Земле удары грома, выстрелы, взрывы, музыка, речь людей... В таком мире все виды движения материи будут долго превращаться друг в друга без потерь, но как бы мы прожили в этом мире?

Ближний и дальний порядки в природе

Ближний порядок - относительно упорядоченное расположение соседних частиц внутри малых объемов вещества. Дальний порядок - регулярное периодическое расположение частиц вещества по всему занимаемому им объему.

Строгое определение порядка и беспорядка математики дали лишь где-то в начале 60-х годов ХХ века.

Сравним две записи:

1) 1010101010101010101010101010101010101010

2) 1100001101010000001110101000001110011001

Для записи первого числа достаточно сказать: повтори набор 10 двадцать раз, для записи второго нужно продиктовать все 40 цифр.

Степень беспорядка может быть определена объемом информации, которую надо сообщить для записи числа.

3) 000011100000001111111111000000011111100000000

Данная запись характеризуется микроскопическим беспорядком (последовательности цифр чередуются как попало), но макроскопическим порядком (часто встречаются длинные последовательности нулей и длинные последовательности единиц).

Тело или система с идеальным макроскопическим беспорядком, в котором все направления равноценны, называется изотропным.

Тело, в котором разные направления неравноценны, называют анизотропным.

Распределение молекул в газах является примером осуществляющегося в природе полного, совершенного беспорядка в расположении и движении частиц.

ХасХс (гр.) - полный беспорядок. Хдаос - в древнегреческой мифологии бездна, наполненная мраком и туманом, из которого произошло все существующее.

Микропорядок и макропорядок. Ближний и дальний порядок

Модель 1: мешки с картошкой, уложенные штабелями. Центры мешков образуют правильную трехмерную решетку, а внутри мешка полный беспорядок. Макроскопический дальний порядок есть, микроскопического нет.

Модель 2: мешки с картошкой свалены как угодно, у каждого в среднем двенадцать соседей. От дальнего макроскопического порядка мы избавились, а ближний остался.

Деление порядка на ближний и дальний, на макроскопический и микроскопический могут сочетаться, как угодно, и все случаи действительно встречаются в мире молекул и кристаллов.

Особенно интересны такие сочетания в мире живого, где мы находим случаи отсутствия микроскопического порядка и наличия дальнего макроскопического. Так обстоит дело в структуре мышц, в молекулах ДНК.

Если молекулы предоставлены сами себе и на них не действуют мешающие их тепловому движению силы, то наиболее вероятным является беспорядочное распределение молекул. Беспорядочным является такое состояние, когда средние скорости молекул во всех точках пространства одинаковы.

В любой области знаний мы сталкиваемся с проблемами порядка и беспорядка (информация, генетика, суждения людей...) Например макроскопическим порядком обладают суждения людей о спортивных достижениях (измеряемые в баллах), о понятиях добра и красоты...

Фазовые переходы и симметрия

Переходы вещества из одной фазы в другую при изменении состояния системы называют фазовыми превращениями. Фаза - совокупность телесных объектов с определенным химическим составом и термодинамическими свойствами, отделенная от других фаз поверхностью раздела. Или иначе: фаза - это однородная часть неоднородной системы.

Фазовый переход - переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий.

Фазовый переход первого рода - сопровождается скачкообразным изменением внутренней энергии и плотности.

Фазовый переход второго рода - отсутствует скачкообразное изменение внутренней энергии или плотности.

Фазовые переходы второго рода связаны с изменением порядка. Вблизи температуры фазового перехода степень порядка сколь угодно близка к нулю. Поэтому фазовый переход второго рода не требует затрат энергии.

При фазовых переходах второго рода происходит изменение внутренней симметрии тел. Примерами таких переходов могут служить: 1) переход металла в сверхпроводящее состояние; 2) переходы ферромагнетик - парамагнетик; 3) переход жидкого гелия в свертекучее состояние.

Необратимость - неустранимое свойство реальности. Стрела времени

Мир - это непрерывно хаотически движущиеся атомы и молекулы. Однако как это связать с гармонией и красотой окружающего нас макромира?

Джон Холл (XVII век): “Если то, что мы называем Вселенной, случайно зародилось из атомов, которые неутомимы в своем вихревом движении, то как случилось, что ты прекрасна, а я влюблен?”

Чем объясняется направленность процессов в окружающем мире? Закон, при помощи которого можно предсказать направление эволюции какой-либо физической системы, называется вторым началом термодинамики. Одна из его формулировок гласит: замкнутая система сама по себе, т.е. самопроизвольно, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное.

Закон возрастания энтропии можно сформулировать следующим образом: во всех замкнутых системах энтропия никогда не убывает, она либо остается постоянной, либо возрастает. Соответственно этим двум возможностям все процессы, которые могут происходить с телами, делятся на обратимые и необратимые. Первые из них могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях, поскольку энтропия при этом не меняется; для вторых - это невозможно, поскольку связано с уменьшением энтропии.

По мнению ряда авторов, наблюдаемое в лабораторных экспериментах направление времени тесно связано с направлением времени, характерным для Вселенной в целом. Возможно, следует предположить существование некоторого взаимодействия (может быть, гравитации), наличие которого вообще делает в принципе невозможным строгую изоляцию системы, и именно это взаимодействие “диктует” направление времени во всех частях Вселенной (Ф.Кемпфер, 1972).

Развитие материальных систем во Вселенной происходит необратимым образом - от прошлого к будущему. Это означает, что течение времени асимметрично: оно направлено от прошлого (через настоящее) к будущему, причина всегда предшествует следствию, “стрела времени” всегда устремлена в будущее.

Не следует слишком упрощенно понимать связь стрелы времени с космологическими процессами: стрела времени не будет изменять свое направление на обратное, если Метагалактика когда-нибудь перестанет расширяться и начнет сжиматься. Если наблюдатели могли бы только по часам судить о происходящих во Вселенной процессах, то они, вероятно, даже не заметили бы, что расширение Метагалактики сменилось сжатием.

Литература

1. Аронов Р.А. Квантовый парадокс Зенона/ Природа, 1992, 12

2. Ильин В.Г., Илясов Ю.П., Кузьмин А.Д. Пульсары - независимые стандарты времени/ Природа, 1990, 2

3. Киржниц Д.А. Элементарная длина/ Природа, 1991, 10

4. Фролов В.П. Черные дыры, “кротовые норы” и машина времени/ Природа, 1991, 8

5. Хокинг С. Стрела времени/ Природа, 1990, 1

Тема 1.3. Физика как целое

Иерархия структур природы

Выделяют три крупных структурных уровня организации Вселенной:

- мегамир (Галактики, Метагалактика)

- макромир (человек, окружающая среда, планета)

- микромир (элементарные частицы, атомы, молекулы)

С точки зрения физиков иерархия объектов природы выглядит следующим образом: элементарные частицы - ядра - атомы - молекулы - макротела (кристаллы, жидкости, газы, плазма) - планеты - звезды - галактики -Вселенная. Биологи предлагают следующую иерархию биологических систем: макромолекулы - органоиды - клетки - ткани - органы - системы органов - организмы - популяции - виды - биоценозы - биосфера.

В социологи можно выделить следующие уровни социальной организации: семья - род - племя - нация - цивилизация (?)

Микромир

Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия. В природе существуют качественно различные связанные системы объектов - ядра, атомы, макротела, звездные системы. Существует нечто такое, что скрепляет части системы в целое. Чтобы разрушить систему частично или полностью, нужно затратить энергию. Взаимное влияние частей системы характеризуется энергией взаимодействия, или просто взаимодействием.

В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу основных фундаментальных взаимодействий: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному.

Гравитационное взаимодействие (тяготение). Притяжение тел к Земле, существование солнечной системы и галактик обусловлено действием сил тяготения, или, иначе, гравитационными взаимодействиями.

Эти взаимодействия универсальны, т.е. применимы к любым микромакрообъектам. Однако они существенны лишь для астрономических объектов, для формирования структуры и эволюции Вселенной как целого. Гравитационные взаимодействия очень быстро ослабевают с уменьшением массы объектов и практически не играют роли для ядерных и атомных систем.

Источником гравитации являются массы тел, а дальность гравитационного взаимодействия неограниченна.

Закон всемирного тяготения (Ньютон): гравитационная сила, с которой притягиваются друг к другу две частицы (тела), обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами и прямо пропорциональна произведению их масс.

где G - гравитационная постоянная =

Электромагнитные взаимодействия . Ими обусловлены связи в атомах, молекулах и обычных макротелах. Радиус их действия также не ограничен, но оно преобладает внутри вещества: определяет химические связи, излучение света, намагничивание, словом, все явления, наблюдаемые в молекулах и атомах. Гравитационное взаимодействие здесь не сказывается из-за его малой силы, а слабое и сильное - из-за их короткого радиуса действия. Энергия ионизации атома, т.е. энергия отрыва электрона от ядра определяет значение электромагнитного взаимодействия, существующего в атоме.

Сильные (ядерные) взаимодействия. Наличие в ядрах одинаково заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о том, что должны существовать взаимодействия, которые гораздо интенсивнее электромагнитных (в сотни раз), ибо иначе ядро не могло бы образоваться. Эти взаимодействия проявляются лишь в пределах ядра на расстояниях менее 10^-13 см. Сильное взаимодействие скрепляет нуклоны в ядре и кварки внутри нуклонов.

Нуклон-нуклонная сила не является “чистой” силой притяжения. На расстояниях порядка 10^-14 см она становится силой отталкивания. Мы до сих пор не знаем природы этих сил во всех деталях; их разгадка является одной из главных проблем современной ядерной физики.

Слабые взаимодействия. Слабое взаимодействие существует между любыми парами элементарных части. Радиус их действия не больше, чем у ядерных сил, а может быть, и равен нулю.

Обнаруженная в 1896 году Беккерелем радиоактивность была первым сигналом о наличии слабых взаимодействий. Оказалось, что слабое взаимодействие принимает участие в некоторых термоядерных реакциях, поддерживающих излучение Солнца и других звезд.

Оно является единственным взаимодействием, существующим между электроном и нейтрино

Это взаимодействие виртуально (на короткое время) превращает каждый протон ядра в нейтрон, позитрон и нейтрино, а каждый нейтрон - в протон, электрон и антинейтрино.

Слабое взаимодействие вызывает переходы между разными типами кварков, бета-распады нуклонов в ядрах. При бета-распаде один из трех кварков, составляющих нуклон, переходит в кварк другого типа и излучает электроны и антинейтрино.

Нейтроны имеют массу, превышающую приблизительно на 1 МэВ сумму масс протона и электрона. Поэтому свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино с выделением энергии приблизительно 1 МэВ. Время жизни свободного нейтрона примерно 10 мин.

Аналогичное событие происходит с мюоном - он распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. Перед тем, как распасться, мюон живет около 10^-6 с.

40 лет понадобилось физикам, чтобы прийти к убеждению, что слабое взаимодействие переносится сверхмассивными частицами - в 100 раз тяжелее протона. Эти частицы имеют спин 1 и называются векторными бозонами (открыты в 1983 г.)

Значительное число медленных распадов элементарных частиц сопровождается излучением нейтрино. Эта частица крайне слабо взаимодействует с веществом. Длина пути между двумя столкновениями нейтрино с частицами вещества в среде с обычной плотностью - 10¹⁷ км. Следовательно, Земля для нейтрино совершенно прозрачна.

По своей величине основные взаимодействия располагаются в следующем порядке: сильное (ядерное) - электрическое - слабое - гравитационное.

Физики пытаются уловить связь между силами природы. Выяснилось, что электромагнитное и слабое взаимодействия связаны друг с другом. Электромагнитное поле представляет собой часть более общего электрослабого поля, состоящего из нескольких компонент. Элементарные частицы - кварки и лептоны - излучают и поглощают кванты электрослабого поля, которыми являются фотоны и бозоны.

Радиус действия слабых сил см. На этом масштабе они объединяются с электромагнитными силами, а на меньших масштабах электрослабые поля неразделимы.

Дальше начинается область гипотез. Согласно большинству из них, электрослабые взаимодействия объединяются с сильными на масштабе см. Трудно представить себе эксперименты на таких малых масштабах. Однако решающий эксперимент для проверки этого, так называемого Великого объединения может быть проведен в ближайшие годы. Дело в том, что почти неизбежным следствием Великого объединения является нестабильность протона. Это процесс, при котором в нуклонах происходят превращения кварков в антикварки и лептоны.

Вероятности таких превращений очень малы, иначе просто не существовали бы ни мы сами, ни окружающая нас ядерная материя - она бы рассыпалась на более легкие частицы. По теоретическим оценкам время жизни протона должно составлять лет. Это намного больше, чем возраст Вселенной. Но даже такие крайне редкие события можно попытаться обнаружить.

Другое вероятное следствие Великого объединения - это существование монополей, одиночных магнитных зарядов. Их масса должна быть фантастически велика. Опыты по обнаружению космических монополей сейчас ведутся.

Эйнштейн предполагал возможность объединения электромагнитного взаимодействия с гравитационным. Теперь это будет Суперобъединение - все четыре силы природы сводятся к одной, исходя из какого-то фундаментального принципа. В последнее время все чаще высказывается мысль, что этот принцип геометрический, как и принцип общей теории относительности.

Протон. Стабильная частица, ядро атома водорода. Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер элемента. Протон имеет положительный электрический заряд в точности равный абсолютной величине заряда электрона. Протон в 1836 раз тяжелее электрона. С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из трех кварков. Эксперименты по рассеянию электронов на протонах свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Размеры протона около см. Протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц. Время жизни протона лет, что во много раз больше возраста Вселенной ( лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образование химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни.

Нейтрон. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд равен нулю. Состоит из трех кварков. Устойчив лишь в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон - нестабильная частица, распадающаяся на протон, электрон и электронное антинейтрино. Время жизни нейтрона около 15 мин. Они возникают в природе или получаются в лаборатории в результате ядерных реакций. Масса нейтрона 1840. Свободные нейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. Они играют важную роль в ядерной энергетике.

Кварки вначале рассматривались как чисто математические структурные элементы, открывающие возможность удобного описания адронов. Эксперименты выявили наличие внутри нуклона точечных заряженных образований, которые отождествили с кварками.

Название было заимствовано М.Гелл-Маном в одном из романов Дж. Джойса. В переводе с немецкого “кварк” - “творог”, но в романе это слово означает нечто двусмысленное и таинственное; герою снится сон, где чайки кричат: ”Три кварка для мистера Марка”. Термин вошел в научный обиход, возможно, потому, что соответствовал двусмысленной и таинственной роли кварков в физике.

Кварк - частица со спином 1/2 и дробным электрическим зарядом. Помимо спина кварки имеют еще две внутренние степени свободы - “аромат” и “цвет”. Каждый кварк может находиться в одном из трех “цветовых” состояний, которые условно называют “красным”, “синим” и “желтым”. Все три состояния одинаково поглощают и испускают кванты света. Массы всех цветовых состояний также строго одинаковы.

“Ароматов” известно пять и предполагается существование шестого: truth, beauty, charmed, strange, down, up (правдивый или истинный, прелестный или красивый, очарованный, странный, низ, верх). Свойства кварков с различными “ароматами” различны.

Каждый кварк может быть окрашен в любой из трех цветов, иметь по два спиновых состояния +1/2 и по два зарядовых состояния. Это дает 6x3x2x2, т.е. 72 варианта.

Обычное вещество состоит из легчайших u- и d-кварков, входящих в состав нуклонов ядер. Более тяжелые кварки рождаются искусственно.

Кварки участвуют во всех известных взаимодействиях - гравитационных, слабых, электромагнитных и сильных. Неизвестно, из чего состоят сами кварки; возможно, они элементарны. Их собственный размер, во всяком случае, меньше .

В свободном состоянии кварки до сих не наблюдались, и есть теоретические соображения, которые указывают на невозможность таких состояний для кварков.

Лептоны - частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны как и кварки, рассматривают как бесструктурные точечные частицы, как истинно элементарные.

Электрон - отрицательно заряженная элементарная частица, носитель наименьшей известной сейчас массы, и наименьшего электрического заряда в природе. Заряд электрона примерно равен Масса электрона примерно

Электрон стабилен, время его жизни не менее лет. Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях.

Нейтрино - электрически нейтральная частица. Вероятно существует не более 4-6 типов нейтрино. Масса покоя нейтрино обычно считается равной нулю, как у фотона. Но в отличие от фотона для этого нет серьезных оснований. Японские и американские физики определили массу покоя электронного нейтрино в пределах 11 - 13,4 эВ/с2.

Нейтрино столь же распространенная частица как и фотон. Нейтрино образуется в слабых распадах атомных ядер и элементарных частиц. Мощные потоки нейтрино испускаются звездами в результате происходящих в их недрах термоядерных реакций. Предполагается, что нейтрино в изобилии рождаются при гравитационном коллапсе звезд. Наконец, все пространство заполнено нейтринным газом, оставшимся от ранних этапов развития Вселенной.

К частицам - переносчикам взаимодействий относятся: глюоны, фотоны и массивные промежуточные бозоны.

Взаимодействия элементарных частиц представляются как своеобразная игра в мячики: перебросом глюонами осуществляется связь между кварками, обмен фотонами происходит в актах взаимодействия электрически заряженных частиц, массивные промежуточные бозоны ответственны за медленные распады частиц и за чрезвычайно слабое взаимодействие всех типов нейтрино с веществом.

Фотон - квант электромагнитного поля, элементарная частица с нулевой массой покоя и спином, равным единице. Масса покоя, равная нулю, означает, что фотон невозможно ни остановить, ни замедлить. Независимо от своей энергии он обречен двигаться с фундаментальной скоростью c.

Фотон - наиболее распространенная из всех элементарных частиц. Он встречается и в потоках видимого света, и в рентгеновском излучении, и в виде радиоволн, и в лазерных импульсах.

В 1964 г. американские радиоастрономы А.Пензиас и Р.Вильсон обнаружили, что мировое пространство заполнено миллиметровыми радиоволнами, которые можно рассматривать как холодный фотонный газ при температуре 2,7 K. По современным представлениям, это излучение (его называют реликтовым) возникло на ранних стадиях развития Вселенной. Средняя плотность реликтовых фотонов составляет около 500 в 1 см3. Интересно, что плотность протонов во Вселенной в среднем не более одного на 1 м3. Таким образом, во Вселенной фотоны встречаются в миллиард раз чаще, чем протоны.

Античастицы. К настоящему времени экспериментально обнаружены античастицы почти всех элементарных частиц. Частица и соответствующая античастица имеют одинаковые времена жизни, одинаковые массы, их электрические заряды равны, но противоположны по знаку. Самым характерным свойством пары частица-античастица является способность аннигилировать (самоуничтожаться) при встрече с превращением в частицы другого рода.

Античастицы могут собираться в антивещество. Так в Серпухове на ускорителе получен антигелий-3, у которого ядро состоит из двух антипротонов и одного антинейтрона и окружено оболочкой из пары позитронов.

Частицы и соответствующие им античастицы одинаково взаимодействуют с полем тяготения; это указывает на отсутствие “антигравитации”.

Несмотря на микроскопическую симметрию между частицами и античастицами, во Вселенной до сих пор не обнаружены области со сколько-нибудь заметным содержанием антивещества. Свидетельством присутствия антивещества во Вселенной было бы мощное аннигиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновения вещества с антивеществом. Ведь аннигиляция только 1 г вещества и антивещества приводит к выделению Дж энергии, что эквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10 килотонн.

Вселенная в основном состоит из обычного вещества. Но так было не всегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень больших температурах количество частиц и античастиц совпадало: на большое количество антипротонов (примерно на каждые несколько миллиардов) приходилось столько же протонов и еще один “лишний” протон. В дальнейшем при остывании Вселенной все частица и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итоге фотоны, а из ничтожного избытка частиц возникло все, что нас теперь окружает.

Идея о возникновении во Вселенной асимметрии между частицами и античастицами впервые была высказана А.Д.Сахаровым.

Ядра. Атомные ядра представляют собой связанные системы протонов и нейтронов (нуклонов). Массы ядер всегда несколько меньше суммы масс свободных нуклонов, составляющих ядро. Это релятивистский эффект, определяющий энергию связи ядра.

В отличие от массы электрические заряды ядер строго равны сумме зарядов, входящих в ядро протонов. Известны ядра с зарядом от 1e до 107e и с числом нуклонов от 1 до примерно 260. Особенно устойчивыми ядрами являются ядра с числами протонов или нейтронов 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, получившими название магических.

Плотность массы ядер Радиусы ядер от (ядро гелия) до (ядро урана). Периоды полураспадов изменяются в пределах от лет до с.

Физический вакуум как реальность

Физика микромира описывается квантовой механикой и теорией относительности, и эти две теории не допускают существования пустоты. Если откачивать воздух из замкнутого сосуда, то в принципе можно удалить все вещество, но при этом все-таки не получится классической пустоты.

Что же останется в “пустом” сосуде? В вакууме имеются квантовые флуктуации полей и виртуально рождаются частицы.

Вакуум - это состояние с наименьшей энергией при отсутствии вещества. Но отсутствие вещества еще не означает отсутствия частиц. Как известно, число частиц не сохраняется в реакциях. Сохраняются энергия, электрический, барионный и лептонный заряды, но число частиц может меняться.

Если приложить достаточно энергии, из вакуума можно рождать частицы. Дело в том, что энергия может переходить в поле, а поле - в частицы.

Ну а если не прикладывать энергии и рассматривать свойства чистого вакуума? Казалось бы, эти свойства никак не связаны со свойствами частиц, рождающихся из вакуума в присутствии источников энергии. Так было бы в классической механике, но в квантовой механике это не так. Известное соотношение неопределенностей приводит к тому, что на короткое время любая система может перейти в состояние, отличающее на дельта E по энергии.

Такие переходы называются виртуальными. Так как по теории относительности энергия может переходить в массу, то виртуальные переходы соответствуют рождению частиц на короткое время. Например для протона это время равно около с.

В атомной физике эффекты, вызываемые виртуальными частицами, довольно незначительны. Однако чем более мелкие частицы рассматриваются, тем большую роль играет окружающий их вакуум со своими виртуальными частицами. Например, в ядерном веществе протоны имеют меньшую массу, чем в вакууме, где к этой массе добавляется масса “налипших” виртуальных пи-мезонов.

На уровне кварков свойства вакуума уже играют решающую роль. Невозможность существования свободных кварков, по всей вероятности, связана именно с колоссальными изменениями, которые одиночный кварк вызывает в вакууме.

На свехмалых расстояниях свойства вакуума еще более загадочны. Неожиданно возникает связь квантовых эффектов с гравитационными. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. Но пока еще невозможно представить себе какие бы то ни было эксперименты при очень больших энергиях и в столь малых масштабах пространства.

Макромир

При определенных условиях однотипные атомы или молекулы могут собираться в огромные совокупности - макроскопические тела (вещество). Простое вещество является атомарным, сложное - молекулярным.

При достаточно низких температурах все тела являются кристаллическими. В кристаллах взаимное расположение атомов является правильным. Для них характерно равновесное положение в узлах кристаллической решетки. Их движение сводится к колебаниям вблизи этих узлов.

Геометрия кристаллического состояния отличается необычайным разнообразием, но число типов решеток ограничено. Свойства веществ определяются не только характером атомов, но и их взаимным расположением (графит и алмаз). Тела могут сильно различаться в отношении механических, тепловых, электрических, магнитных и оптических свойств.

Подавляющее большинство твердых тел имеет кристаллическое строение. Даже глина состоит из маленьких кристалликов. Свойства твердого тела зависят от строения кристаллического зерна, размера кристалликов, их взаимного расположения и силы, сцепляющей их в единое тело.

Общий порядок в расположении кристаллических зерен называется текстурой. Наличие текстуры очень сильно влияет на механические свойства изделия.

Аморфные твердые тела противопоставляются кристаллам и по некоторым свойствам они скорее должны быть причислены к жидкостям, нежели к твердым телам. Аморфное тело типа стекла содержит признаки как твердого, так и жидкого тела: расположение атомов обладает лишь ближним порядком, но атом в своем движении остается в неизменном окружении - соседи не обмениваются местами.

К аморфным телам относится большое число органических веществ, например, пластмассы, органические стекла.

“Жидкие кристаллы” или жидкое твердое тело - к этому обширному классу веществ относятся многие органические и биоорганические вещества. Такое состояние наблюдается в определенном интервале температур. Если нагреть жидкий кристалл, он превратится в обычную жидкость, если охладить - станет кристаллом.

Эти вещества сочетают в себе свойства жидкости и кристалла. Обнаружены два типа жидких кристаллов: в первом расположение молекул обладает ближним порядком, однако все молекулы располагаются параллельно друг другу; во втором - молекулы располагаются слоями.

Мыло, растворенное в воде, образует жидкие кристаллы, с чем связаны его моющие свойства. Мыльный раствор состоит из большого числа двойных слоев молекул.

При повышении температуры происходит фазовый переход кристалл-жидкость (плавление). Каждое вещество имеет свою строго определенную температуру плавления.

В жидком состоянии атомы уже не являются строго локализованными. Тепловое движение в жидкостях носит довольно сложный характер.

Молекулы жидкости совершают в основном колебательные движения, положения равновесия не строго фиксированы, но молекула остается в окружении все тех же соседей. Легкость, с которой молекула может менять своих соседей, связана с вязкостью.

При переходе жидкости в пар (испарение) при атмосферном давлении вещество практически полностью теряет свою индивидуальность. Это связано с малой плотностью газообразного вещества. В разреженных газах по существу отсутствует взаимное влияние атомов, а значит, не проявляется их индивидуальная атомная структура. Газы всех веществ (при нормальных условиях) с хорошей точностью подчиняются одинаковым закономерностям.

Дальнейшее повышение температуры ведет к ионизации атомов, т.е. распаду их на ионы и свободные электроны. Такое состояние вещества называют плазменным.

Поскольку ионы и электроны в отличие от атомов несут не скомпенсированные электрические заряды, их взаимное влияние становится существенным. Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, что сближает ее с конденсированным состоянием, т.е. с твердыми телами и жидкостями.

Макротела астрономического масштаба - планеты. Масса Земли приблизительно г, радиус - 6400 км, средняя плотность 5,5 г/см³ . В недрах планет вещество находится под высоким давлением. При сжатии вещества проявляется тенденция “сглаживания” его свойств. Наружные электронные оболочки атомов, ответственные за “индивидуальность”, при давлениях атм перестают существовать, ибо входящие в их состав электроны отрываются от атомов и становятся коллективными.

Земля - планета жидкая. Это утверждение звучит парадоксально, поскольку течения вещества Земли почти незаметны для нас. Они, однако, существуют, их скорость составляет несколько см в год. В результате за 0,5 млрд. лет земная поверхность меняется очень существенно.

По настоящему твердой является только тонкая (20-40 км) оболочка -кора Земли. Вещество на глубинах от 40 до 400 км способно течь под влиянием высоких температур и давлений.

Мантией называют весь слой глубиной от 40 до 2920 км, где температура недр повышается примерно до 4,5 тыс. градусов. Ниже мантии вещество находится в расплавленном состоянии. Это жидкое ядро Земли радиусом 3450 км. Наконец, в самом центре Земли есть еще внутреннее твердое ядро радиусом 1250 км, состоящее из вещества с плотностью около 13 г/см³ .

Кора Земли, называемая литосферой, состоит из отдельных плит, медленно перемещающихся друг относительно друга. Новая земная кора образуется в районах срединно-океанических хребтов, а старая кора, покрытая трехкилометровым слоем осадков, исчезает, ныряя под континенты.

Взаимные перемещения плит, рождение и разрушение твердой коры Земли сопровождаются землетрясениями. Когда погружающаяся литосферная плита попадает в зону высоких температур, происходят химические реакции, преобразующие ее осадочный слой. При этом образуются газы и водяные пары, которые вулканами извергаются в атмосферу, и возможно, что органическое вещество осадков частично переходит в нефть.

Именно вулканическая деятельность привела к появлению первичной атмосферы Земли, а вода, образовавшаяся при дифференциации вещества мантии, составила Мировой океан.

Мегамир Звезды. Галактики. Вселенная

Солнце: масса г, радиус км, средняя плотность , находится от Земли на расстоянии около см, которое свет проходит за 499 с - это расстояние называют астрономической единицей а.е. Самая далекая от Солнца планета Плутон находится от него на расстоянии около 39,75 а.е.

Центральные области Солнца имеют температуру около K и давление около атм. В этих условиях вещество является полностью ионизованной плазмой: голые ядра и свободные электроны. При этом становятся возможными термоядерные реакции (слияние ядер водорода и превращение их в ядра гелия), которые служат источником энергии звезд. Масса Солнца 1030 кг.

Галактики - это звездные системы. Число звезд в них порядка . Наша Галактика состоит приблизительно из звезд. Со стороны она представляет собой диск, утолщающийся к центру. Это диск имеет спиральную структуру и вращается с переменной угловой скоростью, большей в центральных областях диска, меньшей на его периферии.

Расстояния в галактиках измеряются в парсеках. Парсек (пс) около см, или 3,2 светового года = 206265 а.е.

Толщина Галактики вблизи Солнца 2000 пс. Диаметр ее диска 30 000 пс. Солнце вместе с его планетной системой находится вблизи края Галактики, приблизительно в 10 000 пс от ее центра.

Кроме звезд в Галактике имеются и другие виды материи (пыль, межзвездный газ, космические лучи. Масса Галактики около кг.

По данным спутника “Прогноз-9”, наша Галактика мчится в направлении созвездий Девы и Льва со скоростью более 500 км/с.

Поскольку размеры звезд невообразимо малы по сравнению с галактическими масштабами, то Галактику можно рассматривать как очень разреженный газ, в котором роль молекул играют звезды. Это газ настолько разрежен, что столкновения между его “молекулами” не происходят. Естественно, он не ограничен (?) стенками какого-либо сосуда. Почему же он не разлетается? Ответ заключается в том, что вся эта система держится силами собственного тяготения.

Средняя плотность материи в Галактике около . Средняя концентрация атомов равна 3 атомам на 1 см³ . Сравним: в нормальных условиях в 1 см³ газа содержится 2,6x10¹⁹ молекул.

Известная нам часть Вселенной содержит около 10¹¹ галактик. Мир галактик во Вселенной довольно разнообразен. Таких галактик, как наша (спиральных), приблизительно 80%. Встречаются неправильные галактики, имеющие достаточно произвольные геометрические очертания, и эллиптические, близкие по форме к эллипсоидам различной вытянутости.

Число звезд различно: карликовые галактики имеют приблизительно звезд, гигантские - до звезд. Большинство галактик подобно нашей имеет звезд.

Одиночные галактики встречаются редко. Подавляющее большинство их образует скопления, насчитывающие сотни и тысячи членов. Скопления не рассыпаются на отдельные галактики благодаря силам собственного тяготения. Как говорят, они являются гравитационно связанными объектами.

Размеры скоплений галактик исчисляются мегапарсеками (Мпс), т.е. миллионами парсек.

Скопления галактик, в свою очередь, образуют сверхскопления, содержащие десятки членов. Может быть такой процесс будет продолжаться без конца? Оказывается, нет. Согласно данным современных астрономических наблюдений, сверхскопления являются наиболее крупными структурными образованиями в Метагалактике - наблюдаемой части Вселенной.

Галактики, их скопления и свехскопления - это элементы ячеистой структуры Вселенной. Размеры ячеек - сотни мегапарсек, толщина их стенок порядка 2-4 Мпс. Крупные скопления располагаются в узлах ячеек. Сверхскопления представляют собой элементы этой ячеистой структуры.

В масштабах, превышающих тысячи мегапарсек, Вселенная бесструктурна. Более того, можно утверждать, что в таких масштабах она вообще однородна и изотропна, т.е. ее свойства везде одинаковы.

Всегда ли распределение материи во Вселенной было и будет таким, как сейчас? Ответ отрицателен, потому что Вселенная эволюционирует.

Вариационные принципы

Всякая наука стремится свести к минимуму число принципов или законов, лежащих в ее основе. Значение вариационных принципов заключается в том, что каждый из них заменяет несколько частных законов. Например, принцип Ферма эквивалентен отражения и преломления света, принцип наименьшего действия - законам механики.

Открытие вариационных принципов имеет многовековую историю. Герон Александрийский (I в.) сформулировал следующий оптический постулат: ”Скажу, что из всех лучей, падающих из данной точки и отражающихся в данную точку, минимальны те, которые отражаются под равными углами”. (Для сферических зеркал постулат Герона не всегда верен).

В XYII веке знаменитый французский математик П.Ферма сформулировал принцип, представляющий обобщение утверждения Герона: ”свет всегда идет по пути, требующему для своего прохождения минимального времени”.

Вариационные принципы механики ведут начало своей истории с конца XVII в.(И. Бернулли) и первой половины XVIII в. - французский ученый П.Мопертюи выдвинул вариационный принцип механики - принцип наименьшего действия. Согласно этому принципу, “путь, которого свет придерживается, является путем, для которого количество действия будет наименьшим”. Под действием Мопертюи понимал произведение скорости на длину пути.

Л.Эйлер, Ж.Лагранж и У.Гамильтон придали понятию действия содержание, используемое и сейчас. Произведение скорости на длину пути можно преобразовать в произведение квадрата скорости на время, заменив путь произведением скорости на время. Если ввести еще постоянный множитель, равный массе тела, деленной на 2, то получим произведение кинетической энергии на время, что и стало определением действия при отсутствии сил. При наличии сил действие равно среднему значению разности между кинетической и потенциальной энергией, умноженному на время движения. Был создан специальный математический аппарат для решения задач, связанных с применением принципа Ферма, или принципа наименьшего действия. Этот аппарат получил название вариационного исчисления, а соответствующие принципы стали называться вариационными принципами.

Понятие действия приобрело в физике особое значение после введения в 1900 г. немецким физиком М.Планком, основателем квантовой физики, кванта действия, равного фундаментальной постоянной h.

Сопоставление принципов Ферма и Мопертюи натолкнуло французского ученого Л. де Бройля в 1920-х гг. на идею о наличии у частиц вещества волновых свойств, что вскоре было подтверждено на опыте.

Э.Шредингер провел глубокий анализ вариационных принципов оптики и механики и ввел уравнение, носящее его имя.

Значение вариационных принципов заключается в том, что, зная действие и пользуясь этими принципами, можно вывести уравнение движения для любой системы.

Принцип дополнительности

Развитие ньютоновской теории способствовало становлению детерминистского взгляда на природу. Согласно этому мировоззрению, можно определить положения и скорости всех тел в замкнутой системе в какой-то момент времени, и если известны все силы взаимодействия между телами, то можно полностью рассчитать поведение системы в будущем. Иными словами, будущее системы предопределено.

На практике провести такой расчет невозможно. Даже если положение только одного тела в системе определено с малейшей неточностью, в результате взаимодействия этого тела с другими неточность будет расти постепенно по величине, так что по прошествии достаточно длительного времени поведение системы будет существенно отличаться от предсказываемого законами Ньютона.

Однако кроме этой практической трудности, существует еще и другое, принципиальное ограничение, обусловленное квантовой теорией и принципом неопределенности. При этом физикам приходится иметь дело с вероятностями.

В 1927 г. В.Гейзенберг, анализируя возможность измерения координаты и импульса электрона, пришел к заключению, что условия, благоприятные для измерения положения, затрудняют нахождение импульса, и наоборот -эти два понятия дополнительны друг другу.

Соотношение Dp_x xDx>=h называют соотношением неопределенностей. Иными словами, координата и скорость частицы не могут иметь одновременно строго определенных значений. Указанное обстоятельство ведет к тому, что если в некоторый момент времени известна координата электрона, то уже в следующий как угодно близкий момент времени его координата становится совершенно неопределенной. Мы вынуждены говорить лишь о вероятности нахождения электрона в той или иной точке пространства. Понятие траектории электрона в этих условиях полностью теряет смысл.

Соотношение неопределенностей имеет весьма общее значение и применимо не только к электронам, но и к другим микрообъектам.

Еще одним примером соотношения неопределенностей является связь между неопределенностями в энергии и времени.

Дополнительными являются угловое положение вращающегося тела и его момент количества движения.

Соотношение неопределенностей - частный случай и конкретное выражение общего принципа дополнительности, сформулированного Н.Бором в 1927 (28) году: если в каком-либо эксперименте мы можем наблюдать одну сторону физического явления, то одновременно мы лишены возможности наблюдать дополнительную к первой сторону явления.

Принцип дополнительности Бор применял во многих областях. Так, например, физическая картина явления и его математическое описание дополнительны. Создание физической картины требует пренебрежения деталями и уводит от математической точности, а попытка точного математического описания затрудняет его ясное понимание.

Квантовая механика не дает однозначного ответа на некоторые вопросы, а лишь предсказывает вероятность того или иного результата.

Принципиальная неопределенность некоторых величин есть следствие применения классических понятий к описанию неклассических объектов.

Принципы симметрии и законы сохранения

Обычно под термином “симметрия” понимают либо зеркальную симметрию (левое - правое), либо центральную.

В физике под этим термином понимают неизменность не только предметов, но и физических явлений, и не только при отражении, но и вообще при какой-либо операции - при переносе установки из одного места в другое или при изменении момента отсчета времени.

Самая простая симметрия - однородность и изотропность (эквивалентность всех направлений) пространства. Она означает, что любой физический прибор - часы, телевизор, телефон - должен работать одинаково в разных точках пространства, если не изменяются окружающие физические условия. То же самое относится и к повороту прибора, если отвлечься от силы тяжести, которая выделяет на поверхности Земли вертикальное направление.

Физические законы должны быть инвариантны (неизменны) относительно перемещений и поворотов.

Еще одна важная симметрия - однородность времени. Все физические процессы протекают одинаково, когда бы они ни начались.

Законы природы не изменяются и от замены направления течения времени на обратное (разбивающееся яйцо! и молекулы в малом объеме газа).

Симметрия, связанная с изменением направления течения времени, приближенная: ее нарушение наблюдается в слабых распадах некоторых элементарных частиц - нейтральных К-мезонов.

Зеркальная симметрия (волчок, закрученный направо, ведет себя так же, как волчок, закрученный налево) явлений природы неточная, как и большинство других симметрий. В слабых взаимодействиях, ответственных за радиоактивный распад, она нарушается.

Из определенных принципов симметрии выводятся некоторые из законов сохранения.

Прямым следствием симметрии относительно переноса в пространстве является закон сохранения импульса (количества движения).

Импульсом, или количеством движения тела, называют произведение его массы на вектор скорости: p = mv. Для замкнутой системы величина полного импульса P сохраняется. Закон сохранения импульса связан с фундаментальным свойством пространства - однородностью, т.е. равноправием всех точек пространства.

Прямым следствием симметрии относительно вращения является закон сохранения момента импульса.

Прямым следствием симметрии относительно переноса во времени является закон сохранения энергии.

Закон сохранения энергии был точно проверен не только для перехода механической энергии в тепловую, но и для перехода в химическую и электромагнитную, а также для перехода электрической или химической в тепловую.

Закон сохранения энергии является строгим следствием равномерности хода времени. Ход времени определяется относительной скоростью протекания различных процессов в природе. Любое измерение интервала времени означает сравнение ритмов разных процессов. Равномерность хода времени означает, что всегда относительная скорость протекания всех процессов в природе одинакова. Равномерность хода времени установлена на примере излучения атомов. Атомы на звезде излучают свет такой же длины волны, как и атомы сегодняшнего дня, даже если свет был излучен миллиард лет тому назад.

Закон сохранения вещества (массы) после того, как была установлена связь массы с энергией, превратился в закон сохранения энергии.

Важнейшее следствие симметрии состоит в том, что каждой симметрии, как внутренней, так и пространственной, соответствует свой закон сохранения.

Существует еще один закон сохранения: полное число тяжелых частиц (протонов и нейтронов) остается неизменным в природе.

Литература

1. Адлер С.Л. А.Д.Сахаров и индуцированная гравитация/ Природа,1990,8

2. Барабаш А.С. Двойной b-распад и его поиски/ Природа, 1995, 2

3. Бергстром Л., Рубинштейн Г. AMANDA на Южном полюсе: антарктические нейтрино/ Природа, 1996, 11

4. Бисноватый-Коган Г.С. Пульсары - новые открытия и проблемы/ Природа, 1995, 2

5. Бисноватый-Коган Г.С. Порядок и беспорядок в астрофизике. Природа,

6. 1996, 6

7. Варшалович Д.А., Потехин А.Ю. Спектроскопия квазаров и космология/Природа, 1995, 4

8. Гордеев В.А., Кутень С.А. Круглый ли атом водорода?/ Природа,1990,3

9. Горелик Г.Е. О сохранности законов сохранения/ Природа, 1992, 7

10. Далькаров О.Д., Воронин А.Ю. Исследование антиматерии - реальность и перспективы. Природа, 1994, 12

11. Комар А.А. Нейтрино с массой 17 кэВ?/ Природа, 1991, 8

12. Комар А.А. Зарницы суперсимметрии/ Природа, 1992, 5

13. Комар А.А. Проект AMANDA/ Природа, 1996, 11

14. Кулакова Н.В. Уточняется постоянная Хаббла/ Природа, 1995, 10

15. Мирабель И.Ф. “Великий аннигилятор” в центральной области галактики. Природа, 1993, 6

16. Морозов А.Ю. Теория струн и фундаментальные взаимодействия/ Природа, 1990, 1

17. Печерникова Г.В. Проблема образования дальних планет/ Природа, 1992, 9

18. Рубченя В.А., Явшиц С.Г. Тройное деление тяжелых ядер/ Природа, 1991,5

19. Сахаров А.Д. Симметрия Вселенной/ Природа, 1990, 8

20. Смирнов А.Ю. Резонансные переходы нейтрино в веществе/ Природа, 1991,6

21. Сонин А.С. Грустная судьба великого открытия (о Фридмане). Природа,

22. 1993, 5

23. Судьба космогонических идей О.Ю.Шмидта/ Природа, 1991, 9

24. Цыган А.И. Электрические поля нейтронных звезд. Природа, 1994, 8

Тема 1.4. От физики существующего к физике возникающего

Современная физическая картина мира

Картина мира, которую начали создавать Галилей и Ньютон, а завершали Фарадей, Максвелл и Эйнштейн, отражала философские воззрения, которые брали начало еще от древних: природа не делает скачков. Эти представления основывались на непрерывности процессов.

Это мнение изменила квантовая теория, согласно которой вещество при излучении испускает энергию конечными порциями - квантами. Энергия кванта равна произведению постоянной Планка на частоту излучения.

Луи де Бройль писал: ”День, когда была введена постоянная Планка, остается одной из замечательных дат в истории человеческой мысли”.

С постоянной Планка вошло в науку представление о дискретности энергии в микромире; постоянная Планка оказалась связанной с понятием о строении атома.

Каково строение атома? Известно, что на основе экспериментальных данных Резерфордом была создана планетарная модель атома. Это была последняя наглядная его модель. Предложенная Резерфордом модель была катастрофой для классической физики.

Согласно представлениям электродинамики Максвелла, движущийся вокруг ядра электрон должен излучать энергию и поэтому очень быстро упасть на ядро. Получалось, что с признанием модели атома Резерфорда следует пересмотреть классическую электродинамику, которая уже стала основой электромагнитной картины мира. Резерфорд понимал, что “его” атом обречен.

Но в 1913 году Резерфорду пришел пакет от молодого Нильса Бора с наброском его первой работы по квантовой теории строения атома. В этой статье Бор писал:”...существование мира постоянно доказывает, что атом - устойчивая система. Значит, электроны, вращаясь вокруг ядра, вопреки

Максвеллу-Лоренцу, не излучают непрерывно. Так, если это не происходит и они, обессиленные не падают на ядро, не проще ли предположить, что в атоме есть пути, на которых электроны не растрачивают энергию: стационарные орбиты! Только покидая такую орбиту, электрон начинает излучать...” По существу в этих словах выражено содержание знаменитых постулатов Бора, от которых и началась квантовая механика - новая физика.

Бор считал, что электрон, как и микрочастица в классической физике, движется по определенному пути. Эти пути - стационарные орбиты - Бор определял при помощи главных квантовых чисел. Атом может излучать энергию только тогда, когда электрон перескакивает с одной орбиты на другую, причем эта энергия излучается в виде кванта.

Теория строения атома, созданная Резерфордом и Бором, позволила объяснить многие факты, но возникло так много новых вопросов, на которые, как казалось физикам, невозможно было ответить. Эйнштейн писал: ”Это было так, точно из-под ног ушла земля и нигде не было видно твердой почвы, на которой можно было строить...”

Ответ физики нашли, но для этого пришлось отказаться от прежних представлений о микропроцессах. В механической и электромагнитной картинах мира микрочастицы представлялись неизменными, их скорость, координату, энергию можно было определить абсолютно точно в любой заданный момент времени. В современной картине мира совершенно другой взгляд и на сами микрочастицы, и на их поведение.

Французский физик Луи де Бройль в 1924 г. предложил рассматривать дискретные состояния электрона в атоме как волновые явления. Это давало возможность объяснить, почему электрон при своем движении вокруг ядра не излучает энергию (стоячая волна не излучает и не поглощает энергию). Вскоре была открыта дифракция электронов, что подтвердило наличие у них волновых свойств.

Математическое обоснование волновой модели атома дал австрийский физик Эрвин Шредингер. Решение составленного им для описания движения микрочастиц уравнения дает значения величины, известной в физике под названием пси-функции или волновой функции. Эта функция описывает движение электрона. Это движение не подчиняется законам механики Ньютона: если бы мы создали двум электронам абсолютно одинаковые начальные условия, то дальнейшее их движение могло бы быть совершенно различным, чего законы механики не допускают.

Поведение элементарных частиц вероятностное. Обусловлено это тем, что элементарным частицам присущи свойства корпускулы и волны. Для них невозможно с абсолютной точностью одновременно определить координату и импульс, изменение энергии и интервал времени, на протяжении которого происходит это изменение. Соотношения, которые дают возможность увидеть, как связаны между собой неопределенности при определении координаты и импульса, энергии и времени жизни микрообъекта введены в 1927 г. В.Гейзенбергом.

Оказалось, что не только макроскопические законы, определяющие массовый результат поведения микрочастиц, носят статистический характер, но и законы, определяющие поведение частиц в каждый момент времени и в каждой точке, являются статистическими.

Борьба идей дискретности и непрерывности материи завершилась слиянием обеих идей в представлении о свойствах элементарных частиц.

В механической и электромагнитной картинах мира элементарным понятием было движение себетождественной частицы. В МКМ такой частицей был атом, в ЭКМ на роль “абсолютных атомов” (неделимых и неизменных частиц, из которых состоит все сущее) претендовали электрон и протон.

Но открытие нейтрона в 1932 году привело к выводу, что в ядре атомов нет электронов и, значит, они образуются в результате распада нейтрона. Позитроны, открытые в космических лучах, дали возможность наблюдать такие удивительные процессы, как превращение электрон-позитронной пары в фотоны или, наоборот, превращение фотона большой энергии в электрон-позитронную пару.

Эксперименты в области физики высоких энергий изменили представление о мире... Начиная с Демокрита, атомисты объясняли бесконечное разнообразие вещей соединением и разъединением их частей, в этих процессах конечными и неделимыми частицами представлялись атомы. В их вечности и сохранении их числа усматривались доказательства вечности мира.

А в чем же мы видим опору для понимания несотворимости и неуничтожимости мира? Можем ли мы элементарные частицы считать “конечными частицами” материи аналогично тому, как атомисты представляли вечные и неделимые атомы?

Чтобы ответить на этот вопрос, подумаем, чем отличается понятие делимости в классической и современной физике.

Представим себе мысленный эксперимент, в котором моделью “конечной частицы” материи служит тарелка. Возьмем две тарелки и ударим одну о другую. С точки зрения классической физики возможны два случая:

1) тарелки останутся целыми, и тогда они “неделимы”; 2) тарелки разлетятся на кусочки, сложим их - форма тарелок восстановится; масса кусочков равна массе исходной тарелки. Тарелка делима.

Если бы набор посуды имел свойства элементарных частиц, мы наблюдали бы нечто совершенно иное.

Представим себе, что мы ударяем одну тарелку о другую. И ничего не происходит. Ударяем их с большей силой, и вот результат: у нас в руках оказываются две тарелки и одна чашка!

Можно ли их считать осколками двух тарелок? Конечно, нет... Эти образовавшиеся “элементарные частицы” имеют также статус элементарных частиц, как и исходные. Интересно, что масса образовавшихся частиц не обязательно равна массе исходных: она может быть как больше их массы, так и меньше, в зависимости от условий, в которых происходило взаимодействие.

Элементарные частицы - это более или менее стабильные образования материи, которые не делятся на осколки. Основное свойство ЭЧ - взаимопревращаемость. Мы не называем их “конечными частицами” материи и не пытаемся найти “конечные частицы”. Чем глубже мы продвигаемся в направлении увеличения концентрации энергии, тем дальше от нас отодвигается мираж конечных сущностей, “исходных кирпичиков мироздания”.

В современной картине мира ЭЧ - это простейший элемент данного поля, или просто “квант данного поля”. Поля современной физики можно сравнить со стихиями в картине мира древних мыслителей. Если они считали фундаментальными сущностями четыре стихии (землю, воду, воздух, огонь), то современная физика пытается раскрыть все содержание реального мира через проявление четырех видов взаимодействий.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в атомных ядрах. Электромагнитное взаимодействие связывает электроны в атомах и атомы в молекулах.

Слабому взаимодействию подвержены все элементарные частицы, кроме фотона. Оно ответственно за распады некоторых частиц и за процессы с участием нейтрино.

Гравитационное взаимодействие действует между всеми материальными объектами.

Свести все разнообразные силы к единой основе, к чему стремилось человеческое знание на протяжении всего развития науки, современной физике пока не удалось.

Креативная роль физического вакуума

Произнося слово “вакуум”, мы обычно представляем себе чрезвычайно разреженную среду, которую либо исследуют в специальных лабораториях, либо наблюдают в космическом пространстве. Однако вакуум это не пустота, а нечто совершенно иное: особое, ненаблюдаемое в повседневной жизни состояние материи, называемое физическим вакуумом.

Обычных (реальных) частиц в пустом объеме, конечно, нет, но квантовая теория предсказывает существование множества других частиц, называемых виртуальными. Такие частицы способны при определенных условиях превращаться в реальные.

Время жизни для частиц с массой me около с. Эта величина очень мала и говорит они не столько о “жизни”, сколько о кратковременном всплеске жизни весьма странных частиц и связанных с ними полей.

Итак, море ненаблюдаемых частиц, готовых при определенных условиях превратиться в обычное.

Состояние физического вакуума можно охарактеризовать наименьшим значением энергии таких квантовых полей, как скалярное поле, которое должно существовать в вакууме. Этому полю ставится в соответствие гипотетическая частица хиггс (по имени ученого Хиггса, ее предложившего), которая является примером сверхтяжелого бозона, масса которого, возможно, в раз больше массы протона). Такие частицы могут рождаться при температуре K. Существуют проекты огромных ускорителей, где, наблюдая взаимодействие частиц, ученые надеются подтвердить реальность существования хиггсов.

Один из проектов американские инженеры и физики планируют осуществить в конце века. Это будет очень мощный ускоритель на встречных пучках, причем для уменьшения потребляемой энергии в кольцевой установке с длиной окружности 84 км будут использованы сверхпроводящие магниты. Будущий ускоритель назван сверхпроводящим суперколлайдером SSC.

Одно из удивительных свойств физического вакуума связано с тем, что он создает отрицательное давление и, стало быть, сможет оказаться источником сил отталкивания в природе. Это свойство играет исключительно важную роль в сценарии “раздувающейся Вселенной”.

Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария и антропный принцип

Космология - раздел (?) астрофизики, изучающий строение и эволюцию Вселенной в целом. Современная космология возникла в начале XX века. Данные астрофизических наблюдений показывают, что крупнейшими структурными единицами Вселенной являются большие скопления и сверхскопления галактик. Их размеры достигают десятков миллионов парсек. В еще больших масштабах (сотни мегапарсек) вещество во Вселенной распределено однородно.

Эйнштейн построил на основе своей теории космологическую модель статичной Вселенной. Исходной гипотезой было предположение о том, что Вселенная однородна и изотропна.

В 1922 г. А.А.Фридман доказал, что статичный мир Эйнштейна всего лишь частный случай решения уравнений ОТО. В общем же случае эти уравнения приводят не к статичным моделям, а к моделям, зависящим от времени. Однородная и изотропная Вселенная должна эволюционировать, т.е. непрерывно изменяться со временем.

В конце 20-х гг. Э.Хаббл установил, что галактики удаляются друг от друга. Это означает, что Вселенная расширяется.

Судьба Метагалактики зависит от средней плотности вещества. Средняя плотность определена как тогда как критическое значение плотности равно . Однако вполне возможно, что в галактиках существует скрытая масса вещества и действительное значение средней плотности выше критической. Кроме того, если масса покоя нейтрино не равна нулю, как это доказывают физики во главе с В.А.Любимовым, то во Вселенной могут существовать огромные нейтринные запасы: общая масса нейтрино может в 30 раз превысить массу обычного вещества (на один протон приходится почти миллиард нейтрино, а их общая масса в 30 раз больше массы одного протона).

Будет ли расширение Вселенной неограниченно продолжаться в будущем? Расширение тормозится силами тяготения. Тяготение определяется средней плотностью вещества во Вселенной. Критическое значение плотности, при котором расширение в будущем сменится сжатием, равно . Средняя плотность по данным наблюдений ниже критической раз в десять. Следовательно, Вселенная должна расширяться все время.

Однако во Вселенной возможно имеется много невидимого вещества и средняя плотность может быть близка критической.

Поскольку наблюдения показывают, что галактики удаляются друг от друга, значит, в прошлом они были расположены теснее, а еще ранее не могло быть отдельных галактик и вообще отдельных небесных тел. Вещество было распределено почти равномерно, а плотность его была очень большой. Вселенная начала расширяться млрд. лет назад. При этом центра расширения не было. Все точки во Вселенной равноправны. Что было до начала расширения Вселенной, пока до конца не выяснено, так как при очень больших плотностях материи вступают в действие еще не известные нам законы природы.

В настоящее время большинство исследователей считают, что в начале расширения Вселенной материя была очень плотной и очень горячей - теория горячей Вселенной. Согласно этой теории Вселенная напоминала гигантский ускоритель “элементарных” частиц. Началом работы этого ускорителя частиц был Большой Взрыв, следствием которого является наблюдаемый в настоящий момент разлет галактик и их скоплений.

В отличие от обычного взрыва астрономический взрыв произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве.

Пока мало что известно о том, что происходило в первую секунду после начала расширения и еще меньше о том, что было до начала расширения. Общая схема последующей эволюции Вселенной представляется следующим образом.

Эра адронов длилась примерно от Атомов не было, но существовали нуклоны (протоны и нейтроны), мюоны, электроны и нейтрино различных типов (электронные, мюонные, тау-нейтрино), а также античастицы и электромагнитное излучение (фотоны), которое находилось в термодинамическом равновесии с веществом. Число частиц и античастиц вещества в единице объема было равно числу находящихся там же фотонов.

Главным событием адронной эры был процесс аннигиляции нуклонов и антинуклонов (адронов). Нуклонов было несколько больше, чем антинуклонов, поэтому часть вещества осталась в качестве строительного материала для ядер будущих атомов.

Эра лептонов длилась примерно от Температура уменьшилась до K, а плотность стала равной Лептоны аннигилировали: мюон-антимюон, электрон-позитрон с образованием нейтрино. В результате, качественно изменился состав плазмы и приобрели самостоятельность нейтрино, которые с этого момента перестали участвовать во взаимодействиях. После аннигиляции тяжелых частиц их энергия перешла к более легким частицам и тратилась на нагрев излучения, а после аннигиляции легких частиц освободившаяся энергия стала расходоваться в основном на повышение температуры излучения. В конце лептонной эры произошло образование ядер гелия путем слияния протонов и нейтронов, которых стало около 25%, остальная плазма (75%) состояла из ядер водорода.

Эра радиации длилась от t=10 с до примерно 300 000 лет. К концу этой эры плотность стала равной а температура уменьшилась до 3000K. Одно из важнейших событий - отрыв излучения от вещества: присоединение электронов к протонам стало преобладать над отрывом электронов от протонов. В результате среда стала прозрачной для излучения.

Эра вещества длится до сих пор. После отрыва излучения от вещества наша Вселенная довольно спокойно расширялась, а главные события, происходившие в ней, были связаны с рождением галактик, звезд и планет.

Перед космологией стоят задачи узнать, почему началось расширение Вселенной, что было до этого, как образовались галактики и многое другое.

А был ли Большой Взрыв? Академик Я.Б.Зельдович (1983):”Теория “Большого Взрыва” в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца”.

На чем основана уверенность в справедливости теории “горячей Вселенной”?

Прежде всего отметим те данные, которые не противоречат этой теории.

Возраст Солнечной системы около 4,6 млрд. лет. Возраст самых старых звезд близок возрасту нашей и других галактик - 10-15 млрд. лет. В прошлом далекие внегалактические радиоисточники излучали больше, чем сейчас. Распространенность химических элементов близка к соотношению, которое возникло во времена первичного термоядерного синтеза.

Но главным подтверждением теории “горячей Вселенной” считается открытие реликтового излучения. После “отрыва” излучения от вещества и последующего расширения Вселенной температура излучения падала, но его характер (спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекой молодости Метагалактики. Вот поэтому астрофизик И.С.Шкловский предложил назвать это излучение реликтовым. А.Пензиас и Р.Вильсон получили в 1978 году Нобелевскую премию за открытие этого излучения (1965).

Не все ученые согласны с идеей Большого Взрыва. К их числу относятся такие известные астрофизики, как Х.Альвен (Швеция), Д.Нарликар (Индия) и др.

Дж.Б.Мэрион (1975): Основная трудность состоит в том, что в лаборатории нельзя провести контролируемый космологический эксперимент - мы должны полагаться на наблюдения над объектами, которые лежат на фантастических расстояниях от нас и на которые мы никак не можем влиять. Мы не знаем сколько-нибудь точно массу или размеры Вселенной. Мы не знаем, будет ли наблюдаемое расширение Вселенной продолжаться бесконечно. Мы не знаем, существует ли во Вселенной в каких-либо значительных количествах антивещество, существуют ли антигалактики. Мы не знаем природы квазаров, излучающих гигантскую энергию. Мы знаем не слишком много о деталях эволюции звезд после стадии красного гиганта. Мы не можем понять, почему в космосе существуют молекулы. Мы не имеем надежной теории космических лучей сверхвысоких энергий. И, разумеется, мы ничего не знаем о происхождении Вселенной, хотя имеющиеся данные указывают на то, что ее расширение - это результат происшедшего около 10 млрд. лет назад чудовищного взрыва, мощь которого даже невозможно себе представить. Но откуда взялось это гигантское количество изначальной энергии?

Со времен Коперника люди стали понимать, что наша планета и ее обитатели не занимают какого-либо привилегированного положения в Солнечной системе, Галактике и Метагалактике. Однако мы обитаем в наиболее удобной для этого области Солнечной системы и Галактики, а фундаментальные свойства Вселенной удивительно “подстроены” под тот жесткий набор требований, без которого не могли бы возникнуть ни галактики, ни ни звезды, ни планеты, ни жизнь и разум во Вселенной.

Мы живем в эволюционирующей Вселенной. Появление жизни и разума в нашей Вселенной стало возможным на определенном этапе ее эволюции. Если бы эволюция космический материи происходила несколько иначе, то не было бы ни наблюдаемой структуры Вселенной, ни нас как наблюдателей.

По существу, в современной космологии появился новый взгляд на Вселенную, новый принцип. Согласно известному ранее космологическому принципу, Вселенная выглядит почти одинаково из любой точки пространства (идеальный принцип требует, чтобы Вселенная выглядела совершенно одинаково и в любой момент времени). Теперь же к этому принципу добавляется новый - его называют антропным принципом. Сформулировать его можно разным способом, например: это принцип отбора только тех начальных условий (из всех имеющихся на ранней стадии Вселенной), которые совместимы с существованием разумной жизни.

Антропный принцип не есть новый фундаментальный физический закон. Принцип вообще не эквивалентен закону, а представляет собой один из уровней философского основания науки.

Происхождение галактик и Солнечной системы

Происхождение галактик и звезд (космогония) связано с возникновением неоднородностей в однородной среде. Крупномасштабные неоднородности с массой в солнечных образовали протоскопления галактик, и они представляли собой массивные облака газа. Такие облака приобретали не сферическую форму, а становились похожими на гигантские “блины”.

В разных частях расширяющейся Метагалактики могли возникать разные “блины” по массе, плотности и температуре. Результатом их эволюции было возникновение или скоплений галактик, или одиночных галактик. Специалисты надеются обнаружить “блины”, еще не успевшие превратиться в галактики. Взаимодействуя между собой, “блины” могут образовывать границы наблюдаемых ячеек крупномасштабной структуры Вселенной.

Если нейтрино обладают ненулевой массой, то уже на начальных стадиях расширения Метагалактики решающее значение для последующей эволюции играло появление нейтринных неоднородностей, которые играли роль “теста” для образования “блинов”. Далее предполагается, что нейтринные “блины” образовали ячеистую структуру, которая была невидимой, поскольку невидимы сами нейтринные облака. Когда обычное вещество начало собираться в центральных областях нейтринных облаков, стала проявляться невидимая ячеистая структура Вселенной.

Каждая галактика, возникшая из распавшихся “блинов”, имела свой жизненный путь - в ней возникали шаровые звездные скопления и звезды разных поколений. Например, в нашей спиральной Галактике массивные звезды первого поколения давно завершили свой жизненный путь и, взорвавшись, обогатили межзвездную среду тяжелыми элементами. Часть из них вошла в состав звезд нового поколения.

Звезды последующих поколений формируются в молекулярных облаках, богатых молекулами водорода и других веществ, межзвездной пылью. Частицы пыли в молекулярных облаках способствуют образованию молекул от и CO до многоатомных молекул ацетона , цианодекапентина и др. Молекулярные облака располагаются вблизи галактической плоскости, их немало и в областях, прилегающих к ядру Галактики. Столкновения облаков, их уплотнение взрывными волнами, возникающими при вспышках Сверхновых, создают условия для активного зарождения протозвезд.

Звезды малых масс эволюционируют медленно и многие из них дожили до наших дней.

Согласно данным некоторых астрономов, звездообразование в Галактике происходит с определенными перерывами.

По современным представлениям, звезды образуются в результате сжатия (под действием тяготения) облаков холодного газа. Сами эти облака представляют собой части более обширных и массивных комплексов, на которые распалось протогалактическое облако. Стадия будущей звезды, или протозвезды, длится у звезд с массами, близкими к солнечной, несколько миллионов лет. Формирующиеся звезды окружены газо-пылевыми оболочками, которые не пропускают оптическое излучение от разогревшихся в ходе сжатия центральных областей протозвезды.

“Включение” термоядерного реактора означает, что стадия протозвезды закончилась и началась стадия настоящей звезды.

Молодым звездам, массы которых близки к массе Солнца, предстоит долгая жизнь: только на главной последовательности они находятся не менее 10 млрд. лет.

Смена режима работы термоядерного топлива (водород выгорает в ядре, начинается горение в слоях, прилегающих к гелиевому ядру и т.д.) преображает звезду. Она разбухает, проходит стадию красного гиганта, теряет свою оболочку, ядро обнажается, и звезда постепенно превращается в белый карлик, а в будущем станет остывшим черным карликом.

Более массивные звезды взрываются, рассыпаясь в межзвездном пространстве, или оставляют после себя нейтронные звезды или даже черные дыры.

Земля: происхождение и динамика геосфер

Разработка космогонических гипотез является результатом усилий многих ученых (Декарт, 1644; Кант, 1775; Лаплас, 1796; в XX столетии -О.Шмидт, Х.Альвен, Ф.Хойл, А.Камерон, Э.Шацман и др.).

Сейчас считается общепризнанным, что планеты возникли в результате объединения твердых тел и частиц, образовавшихся во вращающемся вокруг Солнца гигантском протопланетном облаке, состоящем и газа и пыли. Пока не существует однозначного ответа на вопрос: откуда взялось протопланетное облако? Однако у некоторых звезд, например Веги, обнаружены газово-пылевые диски.

Протопланетное облако содержало газ “звездного” состава (водород и гелий) и пыль из более тяжелых элементов. Сжимающееся облако увеличивало скорость вращения. Пылевой слой, будучи гравитационно неустойчивым, распался на множество сгустков, превратившихся в рой твердых тел. Сначала размеры этих тел были сравнительно невелики, а их орбиты юыли близки к круговым. По мере роста масс увеличивалось взаимное притяжение тел, возрастали их относительные скорости, орбиты становились эллиптическими.

Гравитационное взаимодействие было определяющим фактором в формировании будущих планет. Уменьшение числа зародышей и появление сверхзародышей происходило до тех пор, пока возникающие крупные и массивные тела не оказались на таких расстояниях, где взаимное притяжение не могло уже существенно изменить их орбиты. Эти безопасные расстояния и стали залогом устойчивости будущей Солнечной системы.

Планеты земной группы сформировались сравнительно быстро (Земля за 100 млн. лет), планеты-гиганты росли дольше.

В начале 50-х гг. наука отказалась от представления о первичной огненно-жидкой планете. Было развито представление об изначально холодной Земле. Но теперь ученые говорят если не об огненно-жидкой, то об умеренно горячей планете. Крупные по массам и размерам тела, падая на относительно холодную Землю и глубоко врезаясь в нее, разогревали нашу планету. Такой разогрев оказался сильнее, чем это могло произойти за счет энергии других механических (гравитационное сжатие) и немеханических (радиоактивный распад) процессов. Земля частично плавилась, изменяла свою структуру, формировала ядро и оболочки.

В настоящее время, как известно, Земля имеет расплавленное ядро, состоящее в основном из железа и никеля. Вещества, содержащие более легкие элементы (кремний, магний и др.), постепенно всплывали, образуя мантию и кору Земли. Самые легкие элементы вошли в состав океана и первичной атмосферы.

Самые легкие и легче всего испаряющиеся элементы - водород, углерод, азот и кислород - являются составными частями современной атмосферы и самой жизни. Внешние слои Земли содержали эти элементы не в свободном, а в связанном виде в составе других молекул. Под влиянием разогрева при соударениях вещество теряло летучие элементы, из которых образовалась первичная атмосфера. Некоторые молекулы разрушались в процессе фотодиссоциации под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. В результате атмосфера включала и небольшое количество водорода. Таким образом, атмосфера была слабо восстановительной.

Состав атмосферы менялся в результате улетучивания атомов и молекул водорода и выделения газов из земной коры, разогретой за счет распада радиоактивных изотопов. Выделение летучих элементов, которое в значительно ослабленной форме происходит и теперь из вулканов, внесло в атмосферу большое количество водяного пара, углекислого газа, азота и окиси углерода. Таким образом, практически вся вода современных океанов выделилась из пород, слагающих ныне кору и верхнюю мантию Земли.

Под влиянием ультрафиолетового излучения молекулы воды, входящие в состав атмосферы, распадаются на атомы водорода и кислорода. Однако, пока молекулы водорода оставались в составе атмосферы, свободные атомы кислорода быстро вступали в реакцию с ними. Как только водород улетучился, в атмосфере образовался свободный кислород, а затем и озон, который образовал озоновый экран, преградивший путь жесткому ультрафиолетовому излучения к поверхности Земли.

Дальнейшие изменения атмосферы, гидросферы и верхних слоев литосферы происходили под существенным влиянием возникшей на Земле жизни. Что же произошло за последние 4 млрд. лет?

Роль живых организмов в эволюции Земли

Живое вещество биосферы - это активное начало, преобразующее остальные сферы Земли. Эта роль жизни была впервые обоснована В.И.Вернадским.

Современная атмосфера Земли есть продукт деятельности живых организмов. Как писал Вернадский, “атмосфера всецело создана жизнью”.

Первичная атмосфера нашей планеты имела восстановительный характер, была лишена свободного кислорода и состояла из следующих газов: На первом месте по количеству стояли вода и углекислый газ. Развитие фотосинтеза приводило к освобождению больших количеств свободного кислорода в гидросфере и затем в атмосфере. Аммиак и метан практически полностью исчезают из состава атмосферы в результате окисления. Современная атмосфера является азотно-кислородной и состоит в основном из

Углекислый газ, который когда-то занимал второе место по содержанию в атмосфере, оказался химически связанным в породах, главным образом в виде карбоната кальция (мел, известняк). Почти весь углекислый газ исчез из атмосферы. Небольшие его количества остаются благодаря процессам выветривания и дыхания животных; разложение органического вещества также возвращает этот газ в атмосферу.

Кислород до развития жизни существовал в малых количествах. Фотосинтез синезеленых водорослей, а затем и зеленых растений увеличил его содержание в современной атмосфере до 21%.

Азот, из которого на 78% состоит современная атмосфера, поступил в нее при дегазации, но его сохранению помогло существование жизни. При каждом грозовом разряде в атмосфере часть атмосферного азота соединяется с кислородом и образует окислы азота, которые благодаря осадкам попадают в почву и океаны. В почве живут денитрифицирующие бактерии, которые разлагают окислы азота и возвращают его в атмосферу.

Окись углерода, которая была важным компонентом земной атмосферы, давно соединилась с кислородом и превратилась в углекислый газ, который, как отмечено выше, сконцентрировался в углеродсодержащих породах.

Водяной пар, содержание которого было высоким, все еще составляет часть оболочки Земли - океаны, покрывающие 71% поверхности Земли. Океаны отличают Землю от всех других планет.

Химизм вод Мирового океана в значительной степени определяется и регулируется живым веществом. Воды Мирового океана, как и атмосфера Земли, образовались за счет дегазации мантии, т.е. Мировой океан образовался из паров мантийного материала и вначале воды были кислые и минерализованы. Пресные воды появились позже в результате испарения с поверхности первичных океанов (процесс естественной дистилляции).

Сильные кислоты в составе ювенильных вод интенсивно разрушали первичные алюмосиликатные породы, извлекая из них щелочные и щелочноземельные металлы: Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, а также соли двухвалентного железа. Первичная поверхность суши омывалась кислыми дождями, под влиянием которых происходили гидролиз и гидратация первых минералов. При круговороте воды и выносе катионов Na, K, Mg, Ca значительная их часть задерживалась в океане и сейчас являются главными катионами океанической воды. К главным анионам ее относятся К редким элементам относятся азот, фосфор, кремний, концентрация которых контролируется ростом и размножением живых организмов океана. В морской воде растворены природные газы, тесно связанные с атмосферой и живым веществом моря: азот, кислород, углекислота, сероводород.

Земная кора как верхний слой твердой тела Земли первоначально возникла в результате выплавления материала мантии и в дальнейшем оказалась существенно переработанной в биосфере под влиянием атмосферы, воды и деятельности живых организмов.

Ландшафт первых сухопутных участков был типичный вулканический, подобный современному лунному ландшафту.

Литосфера Земли сформировалась в большей своей части за счет деятельности живого вещества. Это относится к осадочным породам. Известняки, мел, мрамор почти целиком состоят из остатков скелетов организмов.

Почвенный покров сформировался и развивался при активном участии живого вещества.

В самом начале палеозойской эры живое вещество переходит на сушу, формируются наземная флора и фауна. Происходит рост биомассы, усложняется ее качественный состав. Новые виды организмов для построения внутреннего и наружного скелета используют и др. В результате резко увеличивается воздействие живого вещества на геохимию океана, атмосферы и осадочной оболочки Земли.

Состав атмосферы приближается к современному. Морская вода из хлоридно-карбонатно-сульфатной постепенно превращается в хлоридно-сульфатную.

Литература

1. Хокинг С. Виден ли конец теоретической физики? Природа, 1982, 5

Раздел 2. ЖИЗНЬ

От атомов к протожизни. Неорганические и органические соединения и их многообразие

Молекулы находятся в непрерывном движении и сталкиваются друг с другом. Обычно при этом они просто отскакивают в разные стороны, так как их электронные оболочки отталкиваются. Но сильное соударение может вызвать перегруппировку электронов в столкнувшихся молекулах и возникновение нового соединения. Это явление называют химической реакцией. Химия изучает процессы превращения молекул при их взаимодействиях и при воздействиях на них внешних факторов - теплоты, света, электрического тока.

Количество химических реакций и количество молекул не поддаются исчислению. Химия непрерывно создает новые комбинации атомов, новые вещества.

Многие элементы образуют соединения с водородом — гидриды (CH₄ , NH₃ , HF, SiH₄ , H₂ S, HCl ), а также соединения с кислородом — оксиды (CO, CO₂ , SO, SO₂ , SiO₂ , NO, N₂ O₃ , NO₂ , N₂ O₅ ).

Вода - соединение водорода с кислородом - H₂ O . Это одно из самых распространенных веществ на Земле. Она обладает совершенно удивительными свойствами, которые настолько важны для живых организмов, что нельзя себе представить жизнь, в том виде как мы ее знаем, на какой бы то ни было планете, если только на этой планете нет достаточного запаса воды.

Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя водородными атомами. Молекула изогнута углом, в вершине угла находится атом кислорода. Молекула полярна: ее кислородный атом несет частичный отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода - частичный положительный заряд.

Частично отрицательный атом кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул; поэтому молекулы воды связаны друг с другом водородными связями. В жидком состоянии эти слабые связи быстро образуются и столь же быстро разрушаются при беспорядочных соударениях молекул.

Свойства воды, имеющие важное значение для жизни:

1. Вода способна слипаться сама с собой (когезия) и с другими веществами (адгезия). Отсюда поверхностное натяжение и капиллярность.

2. Вода является хорошим растворителем. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Благодаря своей полярной природе вода обладает способностью растворять ионные вещества и другие полярные соединения. Неполярные соединения в воде не растворяются, образуя с водой поверхности раздела. Поверхности раздела в живых организмах играют очень важную роль, так как именно здесь протекают многие химические реакции.

3. Вода обладает высокой теплопроводностью. В живом организма непрерывно происходят реакции, сопровождающиеся выделением тепла. Благодаря высокой теплопроводности воды это тепло равномерно распределяется по всей воде, содержащейся в организме; тем самым устраняется риск возникновения локальных горячих точек, которые могли бы послужить причиной повреждения тонких биологических структур.

4. Вода имеет высокую температуру кипения. К счастью для живых организмов, температуры на поверхности Земли редко достигают точки кипения.

5. Вода, испаряясь, способствует охлаждению тела, поскольку на испарение воды расходуется много тепла. Многие живые существа используют это свойство воды (потоотделение, тепловая одышка).

6. Вода имеет высокую температуру замерзания, а ее плотность максимальна при +4^° С. Температура замерзания воды, пожалуй, несколько выше, чем было бы идеально для жизни, поскольку живые организмы во многих областях вынуждены существовать при температурах ниже точки замерзания воды. Необычное свойство воды: макисмальная плотность при температуре, которая выше точки замерзания. При охлаждении от +4^° С до 0^° С вода расширяется, поскольку расстояния между молекулами воды в кристалле льда больше, чем в жидком состоянии. Это значит, что кристалл льда больше объема той воды, из которой он образовался.

Если кристаллы льда образуются в живом организме, то они могут разрушить его тонкие структуры и вызвать гибель. У озимой пшеницы, у ряда насекомых, у лягушек и других есть природные антифризы, предотвращающие образование льда в их клетках. Ткани некоторых организмов не повреждаются кристаллами льда. У птиц и млекопитающих температура всегда поддерживается на высоком уровне.

Благодаря низкой плотности лед всегда плавает на поверхности жидкой воды. Это предотвращает замерзание всей толщи воды и делает возможным жизнь подо льдом. Особые термические свойства воды также обеспечивают перемешивание воды в озерах.

Одно из наиболее важных свойств воды - ее способность растворять многие вещества с образованием водных растворов. Растворы - очень важное состояние вещества.

Вода океанов представляет собой водный раствор, содержащий сотни компонентов. Воздух - газовый раствор азота, кислорода, двуокиси углерода, водяных паров и аргоноидов. Сплав, из которого изготавливают серебряные монеты, представляет собой твердый, или кристаллический, раствор серебра и меди.

Если один из компонентов раствора находится в большем количестве, чем другие, то его можно назвать растворителем. Другие компоненты называют растворенными веществами.

Кислоты, основания, соли

Кислота — водородсодержащее веществом диссоциирующее в воде с образованием ионов водорода. Основание — вещество, содержащее ион гидрах- сила или гидроксильнув группу (ОН ), которая при диссоциации данного вещества в водном растворе образует ион гидроксила. Согласно другому определение, кислота - донор протонов, а основание — акцептор протонов. Кислота и основание, содержащее гидроксил, доит воду и соль:

NaOH + HCl  NaCl + H₂ O

Соль - это соединение, образующееся в результате полного или частичного замещения атомов водорода кислоты металлом. При растворении соли в воде составляющие ее ионы диссоциируют, т.е. превращаются в свободные ионы.

Окислительно-восстановительные реакции

Все биологические процессы связаны с потреблением энергии. Источником энергии являются различные реакции. Большую часть необходимой энергии клетка получает за счет окисления питательных веществ в процессе дыхания.

Окисление можно описать как потерю электрона, а восстановление — как получение электрона. В обычных окислительно-восстановительных реакциях эти два процесса происходят одновременно.

Окислительная или восстановительная способность определяется числом электронов, участвующих в окислении или восстановлении.

Окисление может происходить путем присоединения кислорода к веществу (собственно окисление), и путем отнятия водорода (дегидрирование). Второй вариант является самой распространенной формой биологического окисления.

Восстановление происходит в результате отщепления молекулярного кислорода, присоединения атома водорода или присоединения электрона.

Химия жизни

Вода с растворенными в ней различными простыми солями - необходимая среда для химических процессов, из которых слагается жизнь. Жизнь включает всевозможные превращения множества разнообразных крупных молекул, главным элементом в которых является углерод.

Волькенштейн (1972): “Углерод - самый важный элемент на Земле. Я говорю о важности углерода для нас, для человечества. Наша жизнь - углеродная. Все биологически функциональные вещества, за исключением воды и некоторых солей, содержат углерод. Таковы белки, нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы, гормоны, витамины, порфирины”.

Углерод имеет четыре электрона на незаполненной оболочке, но он не может образовывать ионы, отдав или приняв четыре электрона. Однако углерод такой мастер образовывать ковалентные связи, что сейчас известно более миллиона веществ, построенных на его основе. Особенно интересна уникальная способность атомов углерода вступать в ковалентную связь друг с другом, образуя молекулы в виде длинных цепей, прямых или разветвленных, колец и других более сложных структур. Эти углеродные цепи и кольца составляют “скелеты” органических молекул. Такие молекулы могут объединять самое различное число атомов углерода - от нескольких штук до сотен тысяч и даже миллионов.

Простейшими углеродными соединениями являются углеводороды, и простейшим среди них - метан CH₄ . Метан входил в состав первичной атмосферы Земли. Жизнь зародилась в этой атмосфере, и, возможно, метан был древнейшим родоначальником бесчисленных углеродсодержащих соединений, возникавших по мере развития жизни. В современных живых организмах обнаружено лишь несколько углеводородов (каучук, каротин).

Углеводороды представляют собой соединения, содержащие только атомы углерода и водорода - ряд метана: метан - CH₄ , этан - C₂ H₆ , пропан - C₃ H₈ , бутан - C₄ H₁₀ и т.д. (Они называются также алканами).

Природный газ, получаемый из нефтяных и газовых скважин, обычно содержит около 85% метана. Газ, поднимающийся со дна болот, состоит из метана с небольшим количеством двуокиси углерода и азота.

В состав некоторых молекул углеводородов входят кольца атомов углерода.

Простейшим циклическим углеводородом является циклопропан C₃ H₆ , который может быть хорошим анестезирующим средством, но опасен: в смеси с воздухом он воспламеняется от электрической искры.

Циклогексан C₆ H₁₂ - бесцветная жидкость, получаемая при перегонке нефти, используется в качестве растворителя.

Спирты образуются из углеводорода при замещении одного атома водорода на гидроксильную группу - OH :

из метана CH₄ - метиловый спирт CH₃ OH , из этана C₂ H₆ - этиловый спирт C₂ H₅ OH . Из двух молекул спирта получается эфир: диэтиловый эфир C₂ H₅ OC₂ H₅

Органические кислоты имеют группу COOH и образуются при окислении спиртов: C₂ H₅ OH + O₂  CH₃ COOH (уксусная кислота) + H₂ O.

Жирные кислоты представлены длинной последовательностью углеводородных групп: пальмитиновая (насыщенная): CH₃ - (CH₂ )₁₄ - COOH ; олеиновая (ненасыщенная): CH₃ - (CH₂ )₇ - CH = CH - (CH₂ )₆ - COOH.

К гетероциклическим относятся соединения, в которых один, или несколько атомов, входящих в цикл, не являются атомами углерода. Например у пиримидина и пурина в состав кольца входят атомы азота.

Пиримидин входит в состав транквилизаторов (седуксен, эленеум), алкалоидов (кокаин, никотин), пурин — в состав молекулы кофеина (кофе). Производные этих соединений входят в состав нуклеотидов ДНК.

Изомерия . Молекулы разных веществ могут иметь один и тот же атомный состав, но при этом сильно разнящиеся свойства. Примером могут служить этиловый спирт и диметиловый эфир - оба C₂ H₆ O .

Понять изомерию можно, сопоставив их структурные формулы:

Этиловый спирт известен в незапамятных времен, воспет Анакреонтом, Омаром Хайямом, правда не в чистом виде, а как важнейшая часть благородного напитка - вина. Диметиловый эфир - такого интереса для человечества не представляет. Это газообразное вещество, с которым имеют дело только химики. (Не путать с диэтиловым эфиром, применяемым для наркоза).

По мере увеличения числа атомов углерода в углеводороде число изомеров резко возрастает. У нонана C₉ H₂₀ - 35 изомеров, у триаконтана C₃₀ H₆₂ - 4 111 846 763 изомера. Не то чтобы получить все эти изомеры, но даже изобразить все невозможно.

Ротамерия . Возникает в результате поворотов групп атомов вокруг центральной связи —C—C— . В отличие от изомеров ротамеры быстро превращаются друг в друга, так как повороты вокруг единичной связи происходят все время. Расчет показывает, что частота таких поворотов — 10¹⁰ раз в секунду. Значит выделить ротамеры нельзя, но наблюдать их можно.

Ротамерия существенно сказывается на химических свойствах вещества. Различные ротамеры соответствуют разным конформациям молекулы. Так циклогексан C₆ H₁₂ может иметь конформации, похожие на кресло и на ванну. Физические исследования показали, что циклогексан имеет форму кресла.

Конформационная химия - новая отрасль этой обширной науки. Особенно важны конформационные свойства молекул в химии и физике полимеров и в биологии.

Примером может служить полиэтилен—CH₂ —CH₂ —CH₂ —...

Молекула полимера принимает конформацию, в которой энергия всех слабых взаимодействий минимальна. Цепочка самопроизвольно переходит в состояние клубка, состояние наименьшей упорядоченности, которому отвечает наибольшая энтропия. На степень свертывания влияют валентные углы, наличие ротамеров, что увеличивает объем или длину клубка. Ротамеры взаимозависимы или, иными словами, состояния полимерных звеньев зависят друг от друга.

Если случайный толчок заставил данное звено повернуться, то это повлечет за собой изменение состояния соседнего звена и т.д. Таким образом, вероятность того или иного состояния звена зависит от состояния предшествующего звена, и речь идет о взаимозависимых событиях.

Теорию вероятностей взаимозависимых событий создал великий математик А. А. Марков (1856-1922). Зависимые вероятности образуют своего рода цепи, которые так и называются - цепи Маркова. Полимерная цепь - это цепь Маркова. Математический метод, созданный Марковым, позволил провести строгие расчеты размеров и других физических свойств макромолекул.

Молекулярные системы, элементарные единицы которых взаимодействуют друг с другом и поэтому ведут себя согласованно, называются кооперативными системами. Явления, выражающие это взаимодействие, эту согласованность, именуются кооперативными.

Полимерная цепь, макромолекула - кооперативная ротамерная система. [Растяжение резины - кооперативный процесс ротамеризации, конформационной перестройки].

Пример из Волькенштейна (1972). Я еду в переполненном автобусе. Нужно выходить. Но пассажиры упакованы плотно. Выйти удается только в результате согласованного, кооперативного перемещения пассажиров, обменивающихся местами. По мере приближения автобуса к конечной станции он постепенно пустеет. Кооперативность уменьшается, в конце концов можно выйти из автобуса, никого не задевая, не спрашивая “Вы сходите?” и не прося подвинуться.

Еще пример. Процесс превращения газа в жидкость (или обратный процесс) - кооперативное явление, определяемое взаимодействием молекул, согласованностью в их поведении, вызванной силами межмолекулярного взаимодействия.

Так как молекулам полимеров, макромолекулам особенно трудно двигаться и поворачиваться, они легко стеклуются. Твердые пластмассы, и прозрачные и непрозрачные - это полимеры в стеклообразном состоянии.

Особенности биологической формы организации материи. Молекулы живых систем

Из всех полимерных веществ, существующих в природе и созданных человеком, самые важные - белки и нуклеиновые кислоты, биологические полимеры, макромолекулы.

Белки выполняют все жизненно важные функции в организме. Они являются катализаторами, управляющими всей химией живого организма, всеми биохимическими процессами. Они переносят кислород и запасают его, обеспечивая дыхание. Они служат основой движений внутри организма и движения организма как целого. Они защищают организм от болезней. Они являются главными опорными веществами тканей.

Короче говоря, белки умеют всё. Одного они, правда, не умеют - сами себя синтезировать. Для синтеза белков нужны другие полимеры - нуклеиновые кислоты.

Функциональность биополимеров непосредственно связана с их конформационными свойствами. Синтетические полимеры за редким исключением образуют статистические клубки в растворе. Биополимеры образуют глобулы. Глобула радикально отличается от клубка - глобула не рыхлое, а компактное образование, подобное твердому телу. Белковая глобула, построенная из цепи двадцати разных аминокислот, является по выражению Шредингера апериодическим кристаллом.

Замечательной физической особенностью аминокислот является их хиральность (за исключением глицина). Ниже приведены две формы аланина, l - левая и d - правая.

Эти две конфигурации нельзя совместить никаким поворотом, как правую и левую руки.

Весьма важно и интересно то, что все белки построены только из левых аминокислот. Правые и левые молекулы разнятся знаком вращения плоскости поляризации света, хиральные молекулы оптически активны. Соответственно оптически активны все белки, и это дает возможность их изучения.

При естественном свете плоскость электрических колебаний все время меняется. У поляризованного света плоскость колебаний фиксирована. Для получения такого света его пропускают через поляроидную пленку. Если пропустить плоскополяризованный свет через вещество, состоящее из асимметричных молекул, то плоскость поляризации повернется. Правые и левые молекулы поворачивают плоскость поляризации в разные стороны. Способность вращать плоскость поляризации и называется оптической активностью.

Рацемическая смесь, состоящая из равных чисел правых и левых молекул, не вращает плоскости поляризации.

Из Волькенштейна:

Маленькая Алиса разговаривает со своей кошкой: “Как бы тебе понравилось жить в зазеркальном доме, Кисанька? Не знаю, давали ли бы тебе там молоко? А может быть, зеркальное молоко не годится для питья?” Алиса угадала, зеркальное молоко действительно совершенно не питательно. Почему же права маленькая Алиса?

Белки, поступающие в организм с пищей, расщепляются на аминокислоты. Из аминокислот строятся новые белки, свойственные данному организму. Но строятся они только из левых аминокислот. Следовательно, зеркально отраженное молоко ему ни к чему. Правые аминокислоты не годятся для синтеза белка.

Последовательность аминокислот в белковой цепи называется ее первичной структурой.

Объединение аминокислот в белковую цепь происходит за счет групп NH₂ и COOH с отщеплением молекул воды. Собственно говоря, это не полимеризация, а поликонденсация. Этот процесс применяется и в технике -посредством поликонденсации готовятся синтетические волокна - капрон и найлон. Но в капроне все звенья одинаковые, а в белке 20 разных звеньев - аминокислот.

В определенном белке аминокислотные остатки расположены в строго определенной последовательности. В этом смысле белок подобен тексту, напечатанному 20-буквенным алфавитом.

Содержание текста зависит от последовательности букв. Физико-химические и, следовательно, биологические свойства белка определяются его первичной структурой - последовательностью аминокислотных остатков в белковой цепи.

В любых текстах встречаются опечатки. Они могут кардинально изменить смысл написанного. В одном немецком издании произведения Ницше “Так говорил Заратустра” вместо слова Incest (кровосмешение) было напечатано слово Insect (насекомое). Получилось, что Заратустра родился от насекомого.

Известны “опечатки” и в белковом тексте. Они изменяют биологические свойства белка и приводят к очень тяжелым последствиям для организма.

Белки функционируют в водной среде. Полимерной цепи в растворе полагается свертываться в беспорядочный клубок, этого требует второе начало термодинамики. Но если бы белки существовали в клубкообразном состоянии, то это противоречило бы точности и специфичности их действия. Биологически функциональные белки не являются такими клубками. Напротив, их структура упорядочена, так как свобода внутренних поворотов в белковой цепи сильно ограничена.

Белковая цепь свернута в виде винтовой спирали благодаря внутренним поворотам вокруг единичных связей C—C и C—N . Спиральная конформация удерживается благодаря водородным связям между N—H - группой одной пептидной связи и C=O - группой другой пептидной связи.

При нагревании белка, при изменении его окружения (воздействие кислот, щелочей и пр.) вторичная структура разрушается. Происходит переход спираль - клубок по принципу “все или ничего”. Иными словами, вплоть до некоторой температуры (обычно меньше 100^° C) спираль устойчива, а затем разрушается как целое. Мы встречаемся здесь с кооперативным явлением, подобным фазовому переходу (нельзя освободить один атом, не трогая его соседей, также нельзя освободить одно звено в a-спирали, не разорвав соседних водородных связей.

Белковая цепь вследствие слабых взаимодействий между валентно не связанными звеньями свертывается в компактную глобулу, которая является третичной структурой. Глобулярная структура определяет функциональные свойства белка, и прежде всего его ферментативные свойства.

Не надо путать глобулу с беспорядочным полимерным клубком. Клубок -подвижная, флуктуирующая система, лишнная порядка. В глобуле сохраняется некоторая подвижность звеньев белковой цепи, но в целом она имеет вполне определенное строение.

Глобула стабилизирована целой совокупностью преимущественно слабых взаимодействий. (Слабые взаимодействия - это водородные связи, ван-дер-ваальсовы силы, электростатические взаимодействия между заряженными группами. Особо важную роль играют гидрофобные взаимодействия). Кроме того, имеются немногочисленные добавочные химические связи - дисульфидные связи S—S между остатками цистеина.

Среди 20 аминокислот имеются гидрофильные (глутамин, аспарагин, глицин и др.) и гидрофобные (триптофан, изолейцин, тирозин и др.). Гидрофобные аминокислоты имеют углеводородные R-группы.

Благодаря гидрофобным взаимодействиям гибкая белковая цепь сворачивается в глобулу таким образом, что гидрофобные остатки оказываются в центральной части глобулы и не контактируют с водой.

Глобулярную структуру имеют белки, существующие и функционирующие в растворе в виде отдельных молекул. Белки, образующие различные ткани в организме, чаще всего имеют форму волокон, то есть фибриллярны (паутина, шелк, шерсть, коллаген).

Белки могут соединяться с дополнительным компонентом и в этом случае они называются протеидами: металлопротеиды (в нитрогеназе, обеспечивающей фиксацию азота в клубеньковых бактериях, присутствует молибден), фосфопротеиды, хромопротеиды (гемоглобин), липопротеиды (с жироподобным компонентом), гликопротеиды (углеводный компонент), нуклеопротедиы (с нуклеиновыми кислотами).

Нуклеиновые кислоты. Это самые крупные из молекул, образуемых живыми организмами. Их мономерами являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из трех молекул: фосфорной кислоты, пентозного сахара и гетероциклического азотистого основания. Нуклеотиды ДНК содержат сахар -дезоксирибозу и одно из четырех азотистых основания - аденин, гуанин, цитозин или тимин. Нуклеотиды РНК содержат сахар - рибозу и одно из четырех азотистых оснований - аденин, урацил, тимин или цитозин.

Схема строения нуклеотида:

фосфорная кислота - сахар - азотистое основание

Молекула РНК является одинарной цепочкой нуклеотидов, а молекула ДНК - двойной. У большинства организмов ДНК является носителем генетической информации (кодирует структуру белков), а РНК принимает участие в синтезе белков. У некоторых вирусов (например, онкогенных) нет ДНК, а носителем генетической информации у них является РНК.

Структура молекулы ДНК:

Матричный синтез. Информационные макромолекулы

На молекулярно-генетическом уровне в пределах клетки осуществляются процессы хранения, воспроизведения и реализации генетической информации. Генетическая информация заключается в кодировании структуры белков - последовательности аминокислот в их молекулах. Эта информация “записана” последовательностью нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот. Носителем наследственной информации у большинства организмов служит ДНК, и лишь у некоторых вирусов - РНК.

Воспроизведение генетической информации осуществляется путем удвоения - редупликации молекул ДНК. Молекула ДНК представляет собой двойную цепочку нуклеотидов. Нуклеотиды двух цепей соединены строго определенным способом, образуя пары А-Т и Ц-Г. В результате цепи ДНК оказываются комплементарными или дополнительными. Редупликация молекул ДНК выражается в расхождении ее цепей и синтезе на них, как на матрицах, новых цепей. В силу принципа комплементарности новые молекулы ДНК оказываются идентичными исходной молекуле.

Материнская расхождение синтез комплементарных

Молекула днк цепей цепей и образование

Дочерних молекул днк

АТАГАГЦЦЦТЦА – АТАГАГЦЦЦТЦА - матрица

/ ТАТЦТЦГГГАГТ - новая цепь

АТАГАГЦЦЦТЦА

ТАТЦТЦГГГАГТ

\ АТАГАГЦЦЦТЦА - новая цепь

ТАТЦТЦГГГАГТ – ТАТЦТЦГГГАГТ - матрица

В способности молекул ДНК к самоудвоению заключена удивительная тайна наследственности - сходство родителей и детей.

Реализация генетической информации в клетке протекает в два этапа: 1 - синтез молекул информационной РНК на одной из цепей ДНК получил название транскрипции генетической информации в связи с тем, что последовательность АТЦГ в молекулах ДНК превращается в последовательность АУЦГ в молекулах РНК, и 2 - синтез белков из аминокислот на рибосомах - трансляция генетической информации, которая заключается в том, что последовательность нуклеотидов информационной РНК превращается в последовательность аминокислот в молекуле белка.

Тема 2.1. Живые системы

Термодинамические особенности живых систем. Термодинамические основы жизни рассмотрены Э.Шредингером в книге “Что такое жизнь с точки зрения физика?” (1945). Он отметил, что на первый взгляд имеется решительное противоречие между эволюцией изолированной физической системы к состоянию с максимальной энтропией, согласно второму началу термодинамики, и биологической эволюцией, идущей от простого к сложному. Организмы, однако, не изолированные, а открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом, и энергией. Находясь в неравновесном состоянии, организмы поддерживают это состояние, постоянно совершая работу против термодинамического равновесия (Э.Бауэр, 1936). Поддержание неравновесного состояния, или даже уменьшение энтропии состояния организмов оплачивается поступлением энергии извне и увеличением энтропии в окружающей среде. Так что в системе “организм-среда” второе начало термодинамики не нарушается.

Принципы взаимодействия организма и среды обитания

Живой организм - открытая, термодинамически неравновесная система, связанная с окружающей средой обменом веществ и энергии. Среда - природные тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. Условия среды - совокупность факторов, воздействующих на организм.

Можно выделить условия, необходимые для нормальной жизнедеятельности организма (тепло, влажность, освещенность, соленость) и ресурсы вещества и энергии, которые используются организмом для поддержания неравновесного состояния. Продукты метаболизма (обмена) с высоким содержание энтропии организм выделяет в окружающую среду.

Своей жизнедеятельностью организм изменяет среду, изменяя и условия своей жизни. Изменение в условиях среды вызывают изменения и характера жизнедеятельности или поведения организма, которые носят адаптивный характер. Некоторые изменения среды могут оказаться несовместимыми с жизнью, что вызывает гибель или миграцию организма. Таким образом, взаимоотношения организма со средой характеризуются активностью организма по отношению к среде, что выражается в стремлении организма к самосохранению, гомеостазису, в поисках или даже создании (для животных) оптимальных условий для своего существования.

Принципы воспроизводства и развития живых систем

Самым поразительным свойством живого вещества является способность к воспроизведению и эволюции. Во всех живых организмах процессом воспроизведения управляет ДНК, молекулы которой вместе с молекулами РНК снабжают новый организм информацией о том, как он должен быть устроен и как ему функционировать.

Генетическая информация в ДНК закодирована последовательностью нуклеотидов. Реализуется эта информация в процессе синтеза белков. Информация о структуре молекулы белка - о последовательности аминокислот в нем - содержится в одном из участков одной из молекул ДНК. Этот участок называется геном.

Совокупность всех генов, которые содержатся в молекулах ДНК данного организма, называется генотипом. Совокупность признаков и свойств организма называется фенотипом. Фенотип формируется в ходе индивидуального развития - онтогенеза. Фенотип организма на разных стадиях онтогенеза различен. Весь ход онтогенеза, его стадии и конечный результат, продолжительность запрограммированы генотипом. Однако эта программа допускает изменения хода онтогенеза, признаков и свойств организма под влиянием условий внешней среды в пределах, которые называются нормой реакции. Такие изменения носят приспособительный, или адаптивный характер и называются модификациями.

На молекулярном уровне способность к воспроизведению обеспечивается репликацией двойных спиралей ДНК: на одной из половинок старой молекулы синтезируется половинка новой, в результате из одной материнской молекулы ДНК получается две дочерних, которые идентичны друг другу и материнской. Это матричный способ воспроизведения информации: спирали материнской молекулы ДНК являются матрицами для синтеза дочерних молекул.

Иногда при репликации ДНК происходят изменения в последовательности нуклеотидов, которые сохраняются и воспроизводятся при дальнейшей репликации. Такие изменения последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК приводят к изменению последовательности аминокислот в молекулах белков и называются мутациями. Мутации приводят к изменению фенотипа, которые могут быть полезными, нейтральными или вредными, что является причиной дифференциального размножения особей с различными генотипами. Дифференциальное размножение лежит в основе биологической эволюции.

Клеточное строение организмов. Принципы структурной организации и регуляции метаболизма

Впервые клетки (точнее, пустые и уже неживые клеточные стенки) увидел в микроскоп Роберт Гук в 1665 году. Основной вклад в развитие клеточной теории внесли Т.Шванн (1838) и Р.Вирхов (1855).

Все живые организмы построены из клеток: одноклеточные - из одной, многоклеточные - из множества клеток, образующихся путем деления из одной клетки-зиготы. Человеческое тело состоит примерно из (одного квадрильона) клеток.

Клетка обладает всеми основными свойствами живой системы: обменом веществ и энергии (метаболизм), размножением и ростом, реактивностью и движением. Она является наименьшей структурной и функциональной единицей живого.

Клетка состоит из трех основных частей: 1) поверхностной или клеточной мембраны, которая отделяет клетку от внешней среды и контролирует обмен между клеткой и средой; 2) цитоплазмы, содержащей разнообразные микроструктуры и органеллы и 3) клеточного ядра, в котором содержится ДНК - хранитель генетической информации.

Клеточная мембрана представляет собой двойной слой молекул липидов, в который встроены молекулы белков. Клетка способна выделять за пределы своей наружной мембраны различные вещества, например слизь, целлюлозу, образующие клеточные стенки, и другие материалы, а также избирательно поглощать различные вещества извне. Мембрана обеспечивает поддержание определенной концентрации солей внутри клетки на постоянном уровне. Гибнущая клетка теряет контроль над внутренней концентрацией различных веществ, особенно солей.

Поглощение и выделение различных веществ живой клеткой контролируется особыми белками, встроенными в мембрану. Эти белки служат как бы воротами или насосами, и их работа связана с потреблением энергии.

Внутри мембраны заключено клеточное содержимое - очень вязкая среда, называемая цитоплазмой. В цитоплазме находятся разнообразные органеллы, которые также обычно окружены мембранами. К ним относятся митохондрии, в которых заключены дыхательные ферменты. Здесь “сжигаются” сахара и синтезируется АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), богатая энергией. В растительных клетках кроме митохондрий есть хлоропласты, содержащие хлорофилл. Здесь происходит фотосинтез, в ходе которого синтезируются сахара и молекулы АТФ.

В клетках бактерий ДНК свободно располагается в цитоплазме. В клетках грибов, растений и животных ДНК входит в состав хромосом, которые располагаются в ядре. Ядро отделено от цитоплазмы ядерной мембраной.

В типичной клетке содержится свыше 500 различных ферментов и протекают сотни и даже тысячи химических реакций, которые осуществляются с помощью белков-ферментов. Синтез всех необходимых клетке веществ контролируется следующим образом:

1) С помощью репрессии (подавление) или индукции синтеза на генном уровне. Конечный продукт биосинтеза может выключить работу соответствующего гена (репрессия). Поступившее в клетку или образовашееся в ней вещество может включить работу соответствующего гена (индукция).

2) Посредством ингибирования (подавления) конечным продуктом активности ферментов. Если вещество становится доступным в достаточном количестве, то это ведет к подавлению синтеза как его самого, так и ферментов, участвующих в его образовании.

Ингибирование конечным продуктом есть проявление отрицательной обратной связи, обычного механизма регуляции, который встречается не только в клетках. Например, когда вода из туалетного бачка спущена, он снова наполняется до нужного уровня. Термостатическое устройство под действием тепла отключает систему обогрева комнаты, а наполненный желудок через посредство нервной системы выключает чувство голода.

Жизненный цикл клетки

Новые клетки образуются только в результате деления предшествующих клеток (принцип Вирхова). Основной способ деления клеток - митоз. Жизненный цикл клетки представляет собой промежуток времени от момента возникновения клетки до последующего деления. В это время клетка растет, специализируется и выполняет соответствующие функции в составе тканей и органов многоклеточного организма.

Ткани животного организма характеризуются различной судьбой составляющих их клеток. Так, в постоянно обновляющихся тканях (костный мозг, кишечный эпителий, эпителий кожи) большинство клеток постоянно находятся в митотическом цикле (до 80%). В растущих тканях (печень, почки), напротив, только 5-10% клеток непрерывно делятся, а другие выходят из митотического цикла и дифференцируются. Клетки стабильных тканей (нервной и мышечной систем) в конце эмбрионального периода выходят из митотического цикла, необратимо дифференцируются и выполняют специфические функции в течение всей жизни организма.

Единство и многообразие клеточных типов

Разнообразие клеток столь же удивительно, как и разнообразие растений и животных. Проще всего устроены клетки цианобактерий и настоящих бактерий. У них отсутствуют ядра, митохондрии, пластиды и некоторые другие структуры, характерные для клеток высших организмов, не развита система внутренних мембран. В связи с отсутствием ядра такие клетки называются прокариотическими.

Бактериальные клетки могут быть округлыми, палочковидными, изогнутыми или скрученными. Клетки шарообразных бактерий (кокков) способны склеиваться друг с другом, образуя пары, комочки, пленки или длинные цепи. Палочковидные бактерии (бациллы) могут образовывать пары или цепочки, но чаще живут как одиночные клетки.

Клетки настоящих водорослей и наземных растений, грибов и животных имеют оформленное ядро и называются эукариотическими.

Огромное число эукариотических организмов существуют как отдельные клетки: одноклеточные водоросли (хлореллы), одноклеточные грибы (дрожжи) и одноклеточные животные (амебы, инфузории).

Клетки многоклеточных растений и животных могут выглядеть совершенно по-разному. Человек, например, как и все прочие позвоночные, состоит из нервных и мышечных клеток, клеток печени, костной ткани и многих других. Разнообразие формы и размеров клеток соответствует разнообразию их функций.

Несмотря на это разнообразие в основе своей все клетки очень сходны, и каждая клетка осуществляет все основные жизненные функции, которые свойственны любому живому существу.

Дифференциация и интеграция функций в организме

Многоклеточные организмы, к которым относятся высшие растения и животные, состоят из множества специализированных клеток, которые происходят из одной исходной неспециализированной клетки, в типичном случае зиготы. Вопрос о том, как происходит эта специализация, какой механизм координирует развитие различных клеток и организует построение их них различных тканей и органов, - один из самых волнующих в современном естествознании.

Первая стадия, ведущая к специализации клетки, - это детерминация (предопределение) ее будущей роли: станет ли она печеночной, мышечной или нервной и пр. Судьба клетки определяется на раннем этапе эмбриональной жизни и зависит от ее положения в эмбрионе. Например, у зародыша саламандры, когда он еще выглядит как почти бесформенный комочек, можно взять кусочек кожи с места будущей передней конечности и пересадить на боковую сторону другого эмбриона. Позже на этом необычном месте разовьется добавочная передняя лапа, растущая на боку саламандры. Следовательно судьба пересаженного кусочка кожи уже была необратимо предопределена.

Через некоторое время после того, как определится будущая роль клетки, эта клетка и ее потомки начинают готовиться к выполнению своих специальных функций. Клетки, предназначенные для выполнения определенной функции, по мере роста и деления, становятся все более и более специализированными и группируются в орган. Этот процесс совершается с невероятной точностью. Поразительный пример - рост тысяч нервных волокон из сетчатки глаза по направлению к зрительным центрам мозга.

Для координации и управления функциями у высших животных служат две коммуникационные системы - нервная и гуморальная.

Благодаря нервным клеткам, которые, подобно “датчикам” в системах регуляции, следят за параметрами внутренней среды (уровнем сахара, содержанием CO₂ , температурой тела и пр.) животный организм может поддерживать постоянство внутренней среды. Это явление называется гомеостазом и наивысшего развития достигает у птиц и млекопитающих.

Гормональная система есть и у животных, и у растений. Гормоны - это органические соединения, которые образуются в специализированных клетках в небольших количествах и транспортируются по всему организму с жидкостями тела (кровь и пр.) и специфически управляют функциями других клеток или органов вдали от места своего образования.

К гормонам относятся у растений ауксины, гиббереллины, цитокинины (регуляторы роста); у животных - тироксин (щитовидная железа), адреналин и норадреналин (мозговое вещество надпочечников), инсулин (поджелудочная железа) и стероиды - гормоны коры надпочечников и половые гормоны.

В простейшем случае сама концентрация регулируемого гормоном субстрата тормозит или усиливает образование гормона. Например, повышенная концентрация глюкозы в сыворотке крови стимулирует секрецию инсулина, который снижает концентрацию глюкозы, усиливая синтез гликогена из нее. Напротив, возрастание концентрации кальция тормозит выделение гормона паращитовидной железы, который регулирует обмен кальция и фосфата.

Многие эндокринные железы сами находятся под гормональным контролем. Центральное место в иерархии эндокринных желез занимает гипофиз, тесно связанный с гипоталамусом. Передняя доля гипофиза вырабатывает пять гормонов, которые побуждают периферические эндокринные железы выбрасывать в кровь свои гормоны, а эти последние в свою очередь оказывают тормозящее воздействие на гипоталамо-гипофизарную систему.

Размножение и развитие организмов

Размножение - один из основных феноменов, присущих всему живому. Оно обеспечивает сохранение видов в ряду поколений.

При бесполом размножении новая особь возникает из одной или нескольких способных к делению клеток старой особи.

Размножение одноклеточных организмов осуществляется путем деления родительской клетки. В данном случае смерти организма в привычном понимании не наблюдается: одноклеточные потенциально бессмертны.

У многоклеточных организмов клетки дифференцируются на генеративные и соматические (сома - тело).

При половом размножении в результате слияния половых клеток (гамет) образуется зигота, из которой затем развивается новая особь. Родительские особи, оставив потомство, умирают.

Бесполое размножение широко распространено у низших организмов, но нередко встречается и у высших. Оно имеет определенные преимущества, которые заключаются в том, что дочерний организм получает точные копии всех генов материнского организма, так что родители и дети оказываются генетически идентичны. Эту идентичность мы наблюдаем при размножении растений черенками, отводками, клубнями и пр.

Половое размножение приводит к образованию новых комбинаций генов, полученных от двух родителей, и тем самым является причиной комбинативной изменчивости, которая обусловливает генетическую уникальность почти каждой дочерней особи и является важным фактором эволюции.

Развитие организмов заключается в постепенной реализации наследственной информации, полученной от родителей.

Индивидуальное развитие - онтогенез подразделяют на два этапа: эмбриональный и постэмбриональный периоды.

Эмбриональным называется период с момента образования зиготы до рождения или вылупления из яйца.

В эмбриональном периоде развития выделяют следующие этапы: 1) дробление - деление зиготы и образование более мелких бластомеров, образование многоклеточного зародыша;

2) гаструляция - образование зародышевых листков (эктодермы и энтодермы)в результате перемещения клеточных масс; затем между ними образуется третий зародышевый листок - мезодерма;

3) первичный органогенез - образование комплекса осевых органов (у хордовых): нервной трубки, хорды, кишечной трубки.

При дальнейшей дифференцировке клеток зародышевых листков из эктодермы образуются нервная система, органы чувств, эпителий кожи, эмаль зубов; из энтодермы - эпителий средней кишки, печень, поджелудочная железа, эпителий легких; из мезодермы - мышечная ткань, соединительная ткань, кровеносная система, почки, половые железы.

Эмбриональное развитие высших позвоночных (рептилий, птиц и млекопитающих) включает образование зародышевых оболочек: желточного мешка, аллантоиса и амниона.

Постэмбриональное развитие может быть прямым или сопровождаться превращением - метаморфозом.

Смерть и ее биологический смысл

Течение человеческой жизни, как и жизни всех других существ, от рождения до смерти запрограммировано генетически. Хотя средняя продолжительность жизни в результате успехов медицины за последние сто лет в развитых промышленных странах почти удвоилась и растет дальше, максимальная продолжительность жизни осталась почти неизменной.

Мы мало знаем о том, какими причинами обусловлен процесс старения многоклеточного организма. Старение, которое наиболее изучено у млекопитающих, можно определить как изменения, накапливающиеся в организме с течением времени и приближающие его к смерти (замедление процессов репарации и регенерации, снижение эффективности и активности иммуной, нервной и эндокринной систем, нарушение обмена кальция и пр.). Однако трудно решить, что здесь причина, а что лишь симптомы старения. Одной из причин старения считается накопление мутаций во всех клетках тела, но это не применимо ко всем видам. Попытки найти единственную причину старения оканчиваются неудачей.

Клетки и ткани в культуре in vitro от одноклеточных организмов до экспериментально изолированных клеток или даже тканей растений и животных потенциально бессмертны, их гибель наступает лишь при неблагоприятных условиях.

Все многоклеточные организмы “обречены” на смерть, но лишь человек знает об этом, сознает свою смертность. Сознание человеком неизбежности своей смерти делает для него неустранимым вопрос о смысле жизни. Вот почему смерть есть вечная тема культуры, “вдохновляющий гений философии” (Сократ).

Смысл смерти - создание условий для развития, обогащения жизни, так как видовой, родовой, в том числе и социальный прогресс возможен лишь в форме постоянной смены поколений индивидов - временных и реальных воплотителей родовых свойств и отношений.

Старение и смерть - генетически запрограммированы. Для каждого вида характерна определенная продолжительность жизни, которая может изменяться под действием отбора.

Многообразие биологических видов — основа организации и устойчивости биосферы

Биосфера Земли населена множеством самых разнообразных живых существ: бактерий, грибов, растений и животных, общее число видов которых превышает 2 млн. Благодаря жизнедеятельности организмов в биосфере осуществляется круговорот веществ и превращение энергии, вне которого не может существовать ни один живой организм. Полнота и устойчивость биотического круговорота зависит от количества видов, участвующих в нем.

Принципы систематики и таксономии

Живое отличается необычайным многообразием, изучением которого занимается систематика, или таксономия. Задачей систематика (таксономиста) является выделение и описание таксонов - групп организмов, обладающих определенным сходством строения, функций, поведения. Это сходство со времен Дарвина объясняется единством происхождения. Ранг таксона определяется с помощью систематических категорий, которые образуют следующий иерархический ряд от низшего к высшему: вид, род, семейство, отряд, класс, тип, царство. Конечной задачей систематика является построение системы таксонов органического мира, которая правильно отражает филогенетические (эволюционные) отношения между группами организмов. Такая система называется естественной.

Планы строения и принципы функционирования представителей основных таксонов

Прежнее деление организмов на растения и животные устарело. Современная биология выделяет от четырех до семи и более царств живой природы: вирусы, архебактерии, эубактерии, протисты, растения, грибы и животные.

Вирусы относятся к доклеточным организмам. Они не имеют клеточного строения и могут размножаться только в настоящих клетках. Вирусы состоят из нуклеиновых кислот (РНК или ДНК) и белков. При заражении клетки вирусом в нее проникает только нуклеиновая кислота вируса, которая заставляет клетку производить новые вирусные частицы. Вирусы некоторыми учеными рассматриваются как “заблудившиеся” или “одичавшие” гены.

Обнаружено, что вирусы являются причиной возникновения мутаций. После вирусных заболеваний (инфекционная желтуха, корь, грипп, энцефалит и др.) у человека и животных резко возрастает число поврежденных хромосом. Геном вируса может включаться в геном хозяина, и вирусы могут переносить генетическую информацию от одного организма к другому как одного, так и разных видов.

В настоящее время известно около 200 форм животных вирусов, 170 растительных и 50 вирусов, паразитирующих в бактериях (бактериофагов).

Архебактерии и эубактерии относятся к прокариотам - клеточным организмам, не имеющим настоящего ядра. Основные признаки прокариот: генетический аппарат представлен одной кольцевой молекулой ДНК; отсутствуют пластиды, митохондрии, вакуоли; отсутствует половой процесс, мейоз и митоз.

К архебактериям относятся метанообразующие бактерии, живущие в болотах и на затопленных рисовых полях. Метан наряду с двуокисью углерода влияет на возникновение “парникового эффекта”, ведущего к потеплению атмосферы Земли. Важнейшие поставщики метана - болота Западно-Сибирской низменности и Амазонии, рисовые поля Кубани, Средней Азии, Китая, Японии, стран Юго-Восточной Азии.

В настоящее время известно около 3000 видов бактерий и 1400 видов синезеленых (цианобактерий).

Зеленые и пурпурные бактерии - фотосинтезирующие организмы, но в отличие от зеленых растений они не выделяют кислород в результате этого процесса.

Хемосинтезирующие бактерии используют энергию окислительных процессов: серобактерии окисляют сероводород до серы; нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в азот и азотную кислоту; железобактерии превращают закисное железо в окисное.

Часть бактерий используют энергию процессов брожения, конечным продуктом которого являются органические кислоты: наиболее известны молочнокислые, маслянокислые и уксуснокислые бактерии.

Гнилостные бактерии используют энергию, высвобождающуюся при расщеплении белков. Конечным продуктом их деятельности являются азотные соединения, в последующем окислении которых принимают участие нитрифицирующие бактерии.

Бактерии, возникшие на самых ранних этапах эволюции жизни, сыграли важную роль в создании современного состава атмосферы, в изменении лика Земли.

Цианобактерии - фотосинтетики и побочным продуктом их фотосинтеза, как и у зеленых растений, является кислород. Синезеленые замечательны тем, что способны использовать азот воздуха и включать его в органические соединения. Некоторые синезеленые могут иметь дополнительные пигменты, изменяющие их цвет до черного, коричневого и красного. Цвет Красного моря определяется широким распространением в нем пурпурно пигментированных синезеленых.

Синезеленые представлены не только одноклеточными, но также колониальными, нитчатыми и многоклеточными формами. Это древнейшие организмы Земли, до сих пор играющие очень важную роль в круговороте веществ и превращении энергии в биосфере.

К эукариотам относятся растения, грибы и животные. Их клетки имеют настоящие ядра, в которых располагаются хромосомы - линейные молекулы ДНК, связанные с белками.

Царство растений включает организмы, для которых характерно автотрофное питание путем фотосинтеза, для чего служат пластиды (хлоропласты): настоящие водоросли, красные водоросли и высшие растения.

К настоящим водорослям относятся, в частности, золотистые водоросли (около 400 видов), зеленые водоросли (около 5700 видов) и бурые водоросли (до 1500 видов). Тело простейших водорослей состоит из одной или двух клеток. Есть нитчатые и пластинчатые формы, состоящие из многих клеток, но настоящими многоклеточными организмами, для которых характерна дифференциация на ткани и органы, водоросли не являются.

Красных водорослей насчитывается до 4000 видов. Их клетки кроме хлорофилла содержат пигмент фикоэритрин, который позволяет существовать этим водорослям на глубинах до 100 м, на которую проникают только голубые, синие и фиолетовые лучи.

Тело высших растений расчленено на корень, стебель и листья. Корневая система, пронизывающая почву, обеспечивает растение водой и минеральными солями, в связи с чем для высших растений характерна неподвижность. Высшие растения подразделяются на споровые (мохообразные -23000 видов, папоротникообразные - 6600 видов) и семенные (голосеменные - 640 видов и покрытосеменные - 200000 видов).

Грибов известно около 100000 видов. К ним относятся хлебная плесень, пенициллум, шляпочные грибы, трутовики. Тела грибов состоят из нитей (гифов), образующих мицелий. Клеточная оболочка содержит хитин, который входит в состав покровов насекомых. Запасным веществом является гликоген - полисахарид, характерный для животных. Некоторые виды грибов входят в состав лишайников. Роль грибов очень важна в разложении растительных остатков.

Все животные - гетеротрофные организмы. Они активно добывают пищу, поедая, как правило, живые организмы. Добыча такого корма требует подвижности, с чем связано развитие органов передвижения, опорно-мышечной системы, нервной системы и органов чувств. Пища животными проглатывается либо в целом виде, либо по частям с участием зубной системы. Такой способ питания сопровождается развитием пищеварительной, кровеносной, дыхательной и выделительной систем органов. Животные характеризуются поведением (пищевым, территориальным, оборонительным, стадным, половым), которое может быть очень сложным.

Организация животных отличается исключительным разнообразием, а число известных видов (не считая вымерших) превышает 1,5 млн в том числе:

Простейшие 260000

Губки 10000

Кишечнополостные 10000

Черви круглые до 1 млн.

Черви кольчатые 15000

Членистоногие (ракообразные, 39000 паукообразные, 63000 насекомые) 1 млн.

Моллюски 100000

Иглокожие до 6000

Хордовые 41000

Эволюционное и индивидуальное развитие. Онтогенез и филогенез

Наблюдаемое многообразие жизни является результатом ее эволюции на протяжении почти 4 млрд. лет. Биологическая эволюция выражалась в изменении видов, появлении новых видов с более сложной организацией, в усложнении структуры сообществ (биоценозов). На биологическую эволюцию существенное влияние оказывали условия, складывавшиеся в географической оболочке Земли, к которым виды должны были приспосабливаться. С другой стороны, организмы сами оказывали глубокое влияние на географическую оболочку Земли, изменяя ее физические и химические параметры. К этим новым условиям организмы также должны были приспосабливаться в процессе эволюции. Появление новых видов вызывало необходимость приспособления к существованию с ними старых. В результате некоторые из прежних видов вымирали. Эволюция, таким образом, носила сопряженный характер, что выражается термином “коэволюция”.

Наиболее общим выражением эволюции является усложнение организации жизни, строения, функций и поведения организмов. Это означало усложнение индивидуального развития (онтогенеза). Появление новых признаков и свойств, новых видов происходило в результате изменений в ходе онтогенеза предков. Онтогенез новых видов не только включал новые стадии и фазы развития, но также сохранял некоторые особенности развития предков. В результате в онтогенезе новых видов наблюдается повторение некоторых стадий онтогенеза предков, что нашло выражение в биогенетическом законе: онтогенез есть краткое повторение филогенеза.

Генетика и эволюция

Уникальной особенностью молекул ДНК является их способность к самокопированию - редупликации. Комплементарность азотистых оснований обеспечивает полное сходство дочерних молекул с материнской. В этом заключаются молекулярные основы наследственности. Организмы, имеющие одинаковый набор молекул ДНК или генов, генетически идентичны и фенотипически одинаковы. Таковы однояйцевые близнецы, или растения одного сорта, полученные от одной особи путем вегетативного размножения. Такие организмы могут различаться особенностями, которые возникают под влиянием условий среды на ход индивидуального развития, но эти изменения по наследству не передаются, хотя они генетически обусловлены.

Однако существуют причины, вызывающие наследственные или генетические различия между особями одного вида: мутации - изменение структуры генов, хромосом и кариотипов и комбинирование генов как результат полового процесса.

Частота мутаций отдельных генов лежит в пределах . Однако в связи с тем, что число генов в генофонде любой популяции очень велико, количество всех возникающих в каждом поколении мутаций также очень велико.

Случайные, ненаправленные изменения генетических программ, накапливаясь из поколения в поколение, должны были бы разрушить и сами программы, и те фенотипы, которые этими программами кодируются. Однако хорошо известно, что структуры организмов сохраняются в ряду поколений. Более того, в ходе эволюции происходило усложнение структур, что на первый взгляд противоречит второму началу термодинамики.

Естественный отбор пропускает в следующее поколение программы либо не слишком сильно измененные, либо с полезными изменениями, в том числе и более сложные, если они повышают шансы на выживание и размножение. В результате возникают и совершенствуются адаптации и осуществляется прогрессивная эволюция.

Направленность мутаций не зависит от внешних воздействий, но некоторые внешние силы увеличивают частоту мутаций. Мутационный процесс не носит направленного характера в том смысле, что возникают самые разнообразные изменения, среди которых лишь некоторые изменения оказываются полезными в данных условиях. Именно в этом смысле используется понятие “случайный характер мутаций”.

Направленность эволюции определяется естественным отбором. Чарлз Дарвин не считал, будто природа на самом деле отбирает что-либо, словно человек, решающий, как ему поступить в том или ином случае. Выражение “естественный отбор - это выживание наиболее приспособленных” означает, что направление отбора определяется характером отношений между организмами и средой (или в понимании Дарвина - характером борьбы за существование).

Суть процесса естественного отбора заключается в том, что разные организмы, с разными генотипами, имеют разные коэффициенты воспроизведения. Реальные результаты отбора выражаются в цифре, характеризующей чистую вероятность выживания и воспроизведения, т.е. шансы какого-то организма произвести на свет потомство, которое доживет до возраста родителей к моменту его появления на свет.

Единицей эволюции (элементарной эволюционирующей системой) является популяция. Частота различных генотипов в популяции зависит от частоты генов в ее генофонде, и эта зависимость выражается формулой Харди-Вайнберга:

где p - частота доминантного гена A, q - частота рецессивного гена - частота доминантных гомозигот, 2pq - частота гетерозигот и - частота рецессивных гомозигот.

Частота генов в данной популяции остается постоянной от поколения к поколению, пока не подвергается изменению под действием какой-нибудь причины (движущей силы).

Одной из таких сил является мутационное давление, которое увеличивает частоту мутантных генов, поскольку мутации генов представляет собой повторяющийся процесс.

Вторым фактором, способным радикально изменить соотношение генов в популяции, является случай. В малых популяциях колебания численности особей приводит к случайному изменению частоты генов, что определяется случайным характером сохранения особей, обладающими некоторыми нейтральными различиями. Такие случайные изменения частоты генов называются генетическим дрейфом.

Главной причиной изменения частоты генов в популяции является естественный отбор, который имеет и величину, и направление. Величина определяется коэффициентом воспроизведения, а направление - характером замещения одного аллельного гена другим.

Литература

1. Рувинский А.О. Эволюция пола и происхождение многоклеточности/ Природа, 1990, 7

2. Геодакян В.А. Эволюционная теория пола/ Природа, 1991, 8

3. Гершензон С.М. Происхождение и эволюция пола/ Природа, 1991, 1

4. Ланда П.С., Розенблюм М.Г. Автоколебания в живых организмах/ Природа,1992,8

5. Мазин А.Л. Можно ли не стареть/ Природа, 1994, 11

6. Озернюк Н.Д. Траектории онтогенеза/ Природа, 1992, 9.

Тема 2.2. Человек: организм и личность

Аристотель (384-322 до РХ) впервые подробно рассмотрел человеческое тело, указал место, занимаемое человеком в системе животного мира и отметил такие кардинальные различия между человеком и животными, как прямохождение, крупный головной мозг, речь и разум.

Великий натуралист XVIII века, автор “Системы природы” (1735) Карл Линней отнес человека к царству животных, поместив в отряд приматов и дав название Человек разумный (Homo sapiens): “Он принадлежит к сему царству по телесному своему сложению...”

Действительно, организм человека, как и у всех высших животных, состоит из систем, выполняющих определенные функции и образованных органами, тканями и клетками. В общих чертах особенности их строения и функционирования одинаковы у всех позвоночных животных. Важно, однако, подчеркнуть не только сходство, но и отличия, характерные для человека.

Положение человека в царстве животных

Появление в процессе эмбрионального развития человека хорды, жаберных щелей в полости глотки и нервной трубки определяют принадлежность человека к типу хордовых, а развитие позвоночного столба - к подтипу позвоночных животных.

Человек принадлежит к классу млекопитающих, поскольку для него характерно наличие млечных желез и волосяного покрова.

В отряде приматов наиболее крупные группы: полуобезьяны (лемуры и пр.), собакоподобные (мартышки и пр.) и человекообразные (орангутан, горилла, шимпанзе) - семейство Pongidae.

Человека выделяют в отдельное семейство Hominidae с единственным ныне живущим видом Homo sapiens, а также его предками H.habilis (человек умелый) и H.erectus (питекантропы и синантропы).

Современные люди и человекообразные обезьяны образуют группу гоминоидов, в которой к человеку наиболее близки африканские формы - горилла и шимпанзе.

Человекообразные приспособлены к жизни в тропических лесах. На земле они передвигаются обычно на четырех конечностях. Преимущественно наземный образ жизни ведет горилла. Пищей человекообразным служат плоды, листья, цветы, побеги и различные мелкие животные.

У человекообразных наблюдается относительно высокое развитие долей лобной области, а также усложнение участков коры, которые у человека связаны с речевой деятельностью. Извилины мозга у человеческого эмбриона в конце седьмого месяца имеют такую же степень развития, как у обезьян.

Сперматозоиды и яйцеклетки шимпанзе и гориллы по форме и размерам почти неотличимы от человеческих. В ходе беременности и акте родов у человека и шимпанзе установлено большое сходство. Новорожденный шимпанзе с густыми волосами на голове и при их отсутствии на теле больше похож на новорожденного человека, чем взрослый шимпанзе на взрослого человека. Половая зрелость у самок шимпанзе наступает к 8-10 годам, у самцов - к 12 годам. Продолжительность жизни близка к человеческой.

Много общего у человека и человекообразных в области патологии и болезней: грипп, оспа, холера, сифилис и пр. По способности восприятия цветов шимпанзе близок к человеку. Он хорошо различает величину и форму предметов. Как показал еще Дарвин, обезьяны способны выражать на своем лице чувства, сходные с человеческими: гнев, испуг, радость, печаль, плач и смех.

С помощью методов молекулярной гибридизации показано, что у человека и шимпанзе 99% одинаковых генов.

Отличительные особенности человека

У человека имеется ряд очень важных с его (человека) точки зрения отличий от животных, на часть из которых указывал еще Аристотель.

В связи с прямохождением - выпрямленное положение тела, вертикальность туловища и шеи при полной разогнутости нижних конечностей в коленном сочленении, S-образно изогнутый позвоночник и хорошо уравновешенная на нем голова, сводчатое строение стопы.

Кроме того, человек обладает отличительными особенностями, не связанными непосредственно с прямохождением: редуцированный волосяной покров, почти неподвижные, но хорошо развитые ушные раковины, прямой высокий чистый лоб, хорошо очерченные брови, сильно развитый наружный нос, четкий желобок на верхней губе, сильно развитая слизистая или каемочная часть губ, выдающийся подбородок.

Волосяной покров у человека своеобразен: наряду с общей редукцией его на теле имеет место характерное развитие волос в подмышечных впадинах и на лобке. На голове волосы густые, обладают постоянным ростом; борода, усы и брови лишены осязательных волос.

У человека сильнее, чем у человекообразных, выражены различия между полами (половой диморфизм), который проявляется в весе, длине и пропорциях тела, в волосяном и кожном покровах. Женщина в среднем на 8 кг легче и на 9 см ниже мужчины; волосяной покров у нее развит на теле слабее, а подкожный жировой слой - сильнее; волосы на голове гуще и растут интенсивнее; плечи у женщины уже, талия более выражена, таз шире; ягодицы развиты сильнее; физическая сила приблизительно на 1/3 меньше мужской; голос в среднем на октаву выше.

Особого развития у женщины достигают млечные железы, в то время как у самок человекообразных выдаются лишь соски, а железистая часть набухает незадолго до родов, лишь во время лактации, да и то не очень заметно.

И, наконец, наибольшее различие человека от антропоидов заключается в величине головного мозга.

Известные своими достижениями люди и масса их мозга в г:

Тургенев И.С. писатель 2012

Кромвель О. политик, диктатор 2000

Бисмарк О. политик, рейхсканцлер 1807

Маяковский В.В. поэт, художник 1700

Кант И. Философ 1650

Ландау Л.Д. ученый, физик 1580

Шиллер И.Ф. поэт 1580

Гаусс К.Ф. ученый, математик 1492

Павлов И.П. ученый, физиолог 1457

Данте Алигьери поэт 1420

Ульянов В.И. политик, диктатор 1340

Кони А.Ф. юрист, писатель 1130

Франс А. Писатель 1017

(Из: С.В.Савельев. Природа индивидуальности мозга человека. Природа, 1995, 9: 16-31).

Масса мозга зависит в значительной степени от величины тела животного; более крупные животные обладают в общем абсолютно большим мозгом. Так, слон и кит превосходят человека по абсолютной величине мозга.

Относительная масса мозга - отношение массы мозга к массе тела выше у мелких животных; по этому показателю человек уступает маленьким обезьянам и некоторым другим мелким млекопитающим. При сравнении разных животных ни абсолютная, ни относительная масса мозга не могут служить достаточным показателем его развития.

Был предложен квадратный указатель массы мозга (E*E/S), представляющий собой произведение абсолютной массы мозга на его относительную массу. По этому показателю человек резко отличается от всех животных:

человек - 32,0

слон - 9,82 человекообразные - 2,03-7,35

низшие узконосые - 0,56-2,22

полуобезьяны - 0,13-1,37

Этот указатель отражает уровень “кефализации” или цефализации.

Мозг и высшая нервная деятельность

Высшая нервная деятельность определена И.П.Павловым как условно-рефлекторная функция коры головного мозга. Условные рефлексы очень широко распространены в животном мире и пронизывают все стороны повседневной жизни высших животных, включая человека.

Главное отличие высшей нервной деятельности человека - мышление и речь. Сущность мышления - способность к обобщению. При обобщении различных явлений человек открывает закономерные связи между ними - законы. Мышление - результат функции всей коры головного мозга. Речь представляет собою вторую сигнальную систему, в которой слово - это сигнал сигналов.

Высшие функции нервной системы - способность к мыслительной деятельности, осознанию сигналов из окружающей среды, к абстрактному мышлению и запоминанию - в значительной мере связаны с деятельностью коры больших полушарий. Кора служит структурной основой сознания и интеллекта.

В коре головного мозга содержится около 14 млрд. нейронов, большая часть которых (около 90%) сгруппированы в шесть слоев и образует неокортекс - высший интегративный отдел соматической нервной системы. Неокортекс отвечает за переработку и интерпретацию чувствительной информации (слуховой, вкусовой, соматосенсорной и зрительной), а также за управление сложными мышечными движениями. Здесь расположены центры, участвующие в процессах абстрактного мышления, речи и хранения памяти. Большая часть процессов в неокортексе является нейрофизиологической основой сознания.

Второй большой отдел коры головного мозга - палеокортекс. Эта часть коры обладает более простой трехслойной структурой. К палеокортексу относятся отделы коры, связанные с лимбической системой. Здесь расположены высшие вегетативные центры. Процессы, протекающие в палеокортексе, не всегда отражаются в сознании.

Существует три ассоциативные области коры: лобная, височная и затылочно-теменная. В лобной доле расположены главные центры речи и письма. Самый передний отдел лобной доли участвует в формировании личностных качеств, творческих процессов и влечений.

Затылочно-теменная область участвует в интерпретации поступающих соматосенсорных, вкусовых и зрительных сигналов. Больной с поражением затылочно-теменной области не может узнать предмет, исходя из соматосенсорной и зрительной информации о нем. Так, он может осознавать, что некий объект оранжевый, круглый и имеет кисло-сладкий вкус, но не способен понять, что это апельсин.

Поражения стыка теменной, затылочной и височных долей сопровождаются словесной слепотой (алексией). Такие больные узнают буквы, составляющие какое-либо слово, но не способны объяснить его значение.

У больных с поражением задних областей височной доли наблюдается словесная глухота. Они легко понимают значение написанной фразы, но, если эту фразу произнести вслух, они не в состоянии объяснить ее значение. Полагают, что обширные области височной доли участвуют в долговременной памяти. Раздражение этих долей сопровождаются возникновением сложных картин из прошлого. Воспоминания эти бывают очень яркими.

В лобных долях расположены главные центры речи и письма. При поражении задне-боковых отделов ассоциативных областей лобной коры теряются все речевые навыки - больной не может выразить свои мысли ни в устной, ни в письменной форме.

Самый передний отдел лобной доли участвует в формировании личностных качеств, творческих процессов и влечений. При поражении этой области наступают глубокие изменения личности, интересов и способности к концентрации внимания. Такие люди утрачивают социальные “тормоза”, интерес к работе и собственной внешности и становятся некоммуникабельными.

Многие высшие функции ассоциативных областей коры выполняются каким-либо одним полушарием, так что в отношении различных сторон высшей нервной деятельности между полушариями существует асимметрия. Ведущее полушарие (обычно левое) отвечает за интерпретацию и формирование устной и письменной речи. Другое полушарие участвует в пространственных построениях и определении временных взаимоотношений, а также содержит центры музыкального и художественного творчества.

Одна из важнейших функций нервной системы заключается в ее способности накапливать и хранить прошлый опыт. Памятью называются мысли или элементы прошлого опыта, отложенные в нервной системе в форме, доступной для извлечения.

В настоящее время существуют две теории формирования долговременной памяти - гипотеза изменения межнейронных связей и гипотеза образования специфических макромолекул (нуклеиновых кислот и белков). Эти теории не являются взаимоисключающими.

В запечатлении и извлечении следов памяти участвуют тысячи нейронов коры головного мозга, лимбической системы, таламуса и других нервных центров. Эти следы распределены диффузно, но в хранении и извлечении памяти особую роль играют два отдела коры - гиппокамп и височная доля неокортекса. Большинство нейрофизиологов полагают, что память обусловлена деятельностью большого количества нейронов, локализованных диффузно в коре головного мозга, а также в таких подкорковых образованиях, как лимбическая система, таламус и гипоталамус.

Гипоталамус - главный центр регуляции вегетативных функций. В нем расположены центры регуляции температуры тела, потребления пищи, водного баланса, полового и эмоционального поведения.

Лимбическая система, содержащая высшие центры интеграции деятельности внутренних органов, образована несколькими взаимосвязанными корковыми и подкорковыми отделами конечного мозга. Между этой системой и гипоталамусом имеются тесные анатомические и функциональные связи. Лимбическая система отвечает за мотивацию и выработку сложных поведенческих актов, успешное выполнение которых требует координации вегетативных и соматических рефлексов.

При нанесении электрических раздражений на различные области лимбической системы возникают самые различные сложные поведенческие акты, связанные с пищевым и половым поведением, нападением и бегством; наблюдаются также сопровождающие эти акты эмоции удовольствия, ярости, отвращения и страха.

Эмоции

Эмоции (от лат. потрясаю, волную) - субъективные реакции животных и человека на воздействие внутренних и внешних раздражителей, проявляющиеся в виде удовольствия или неудовольствия, радости, страха и т.д.

Эмоции связаны с удовлетворением (положительные) или неудовлетворением (отрицательные эмоции) различных потребностей организма.

Эмоции представляют собой активные состояния специализированных мозговых структур, побуждающих человека и животных минимизировать или максимизировать эти состояния.

Эмоциям принадлежит решающая роль в процессе обучения, в подкреплении вновь образующихся условных рефлексов.

Сильные, стремительно возникающие эмоции - аффекты, длительно сохраняющиеся - настроения.

Дифференцированные и устойчивые эмоции, возникающие на основе высших социальных потребностей человека, обычно называют чувствами (интеллектуальными, эстетическими, нравственными).

Ситуации, в которых удовлетворение важных для человека потребностей хронически затруднено, порождает стойкое отрицательное напряжение -эмоциональный стресс.

“Стресс” - это современное слово, которое широко используется и часто неправильно. Тысячи пособий по практической психологии обещают научить, как избежать стресса или справиться с ним. Но, согласно Гансу Селье, крупнейшему авторитету в этой области, стресс - это “неспецифический ответ организма на любое предъявленное ему требование”. Стресс составляет важную часть повседневной жизни. Требования и изменения, порождающие стресс, открывают возможность для адаптации к новым условиям жизни. Потенциально опасным и для животных, и для человека может быть слишком продолжительный стресс или комбинация стрессогенных факторов (“стрессоров”), затрудняющих или делающих невозможным приспособление к требованиям ситуации.

Известно множество ситуаций, порождающих стресс, - от случаев отделения ребенка от матери в первые годы жизни до серьезных заболеваний у людей зрелого возраста. В наше время одно из самых травмирующих событий для взрослого - это потеря работы. Было показано, что стрессовое состояние у работника вызывается не столько свершившимся фактом потери места, сколько предшествующим периодом боязни его потерять.

Селье (1974) показал, каким образом стресс связан с постепенным истощением резервов организма, который старается приспособиться к новым условиям (общий синдром адаптации).

Первый этап - реакция тревоги перед встречей с новой ситуацией связанная с состоянием повышенной настороженности и беспокойства. Если эта ситуация затягивается, то создается впечатление, что организм возвратился к нормальному состоянию. Это фаза сопротивления, во время которой организм продолжает расходовать имеющиеся резервы, которые, однако, не безграничны, и вскоре начинают истощаться. Это фаза истощения, приводящая иногда к смерти, но чаще - к нервным срывам.

Позднее Селье (1978) высказал мысль, что не всякий стресс вреден. Стресс - неотъемлемая часть жизни, и его нельзя избежать. Важно, по мнению Селье, то, что каждый из нас способен поддерживать оптимальный для себя уровень стресса, позволяющий действовать наиболее эффективно.

Если некоторые люди с трудом могут преодолевать ситуации, лишающие их обычного спокойствия и выходящие из привычного мирного окружения, то другие ищут действий и большего жизненного простора, где могут полностью реализовать свои возможности, учась преодолевать связанные с этим опасности.

Наиболее важные из мозговых структур, имеющих отношение к эмоциям, в совокупности называют лимбической системой. Ее части и функции, по-видимому, в основе своей сходны у всех млекопитающих.

Лимбическая система находится выше ствола головного мозга, но ниже коры. В нее входят: некоторые ядра передней области таламуса, гипоталамус, миндалина (средний мозг), гиппокамп и др.

Нервные сигналы из всех органов чувств, а также исходящие от коры, проходят через одну или несколько лимбических структур.

У низших животных значительного развития достигает только ствол мозга. Лимбическая система развивается только у высших - у млекопитающих. Рептилии и амфибии ею не обладают. Эмоциональное поведение у них выражено слабо. “Ваша домашняя черепаха никогда не покажет вам, что она рада вас видеть, когда вы возвращаетесь с работы, как это делает собака или кошка”.

Человек - наиболее эмоциональное из всех живых существ, он обладает в высшей степени дифференцированными средствами внешнего выражения эмоций и широким разнообразием внутренних переживаний.

Наша эмоциональная жизнь так многообразна потому, что лимбическая система у нас связана с корой больших полушарий и лобные области ассоциативной коры развиты в высшей степени. Благодаря этому человек обладает большой способностью к запоминанию и абстракции. Вот почему мы можем испытывать сильный гнев при одной только мысли о несправедливости или стыдиться того, что наше поведение не соответствует некоторым культурным стандартам.

С развитием лимбической системы связан еще один важный эволюционный фактор. Млекопитающие и птицы - единственные (за редким исключением) животные, уделяющие много времени и внимания заботе о потомстве. Соответствующие формы поведения, в которых проявляется то, что мы называем привязанностью, необходимы для выживания относительно беспомощных детенышей. Такого рода поведение и те чувства, которые мы с ним связываем, становятся возможными в результате развития лимбической системы.

Природа агрессии

Как показал Чарлз Дарвин (“Выражение эмоций у человека и животных”, 1872), некоторые из эмоциональных выражений, свойственных лицу человека, очень сходны с теми, которые были свойственны нашим животным предкам. Дарвин рассматривал эти способы выражения эмоций как сохранившиеся остатки действий, связанных с нападением и защитой. Нико Тинберген называл их “интенциональными движениями” - фрагментами подготовки животных к действию.

По мере развития социальности у животных эти выразительные движения, которые ранее были предвозвестниками действительного поведения, приобретали самостоятельную роль. Они-то и сделали возможным создание системы социальной коммуникации. Животное могло теперь информировать других членов сообщества о своем внутреннем состоянии или о каких-то внешних событиях. Эти полезные способности позволяли общественным видам все больше усложнять организацию группы.

Важную роль в организации группы играют отношения доминирования-подчинения, которые сопровождаются постоянным проявлением агрессивности. В стычках выясняются отношения доминирования-подчинения, что отражается в турнирной таблице. Время от времени стычки возникают для проверки, кто сильнее и приводят к изменению структуры группы, положения особей в ней. Иерархия позволяет избежать борьбы всех со всеми. Каждый знает свое место. Иерархия обеспечивает возможность совместных действий.

Достижения этологии в понимании природы агрессивности нужно знать всем. И дело не только в том, что человек весьма агрессивное существо, а в том, что агрессивность подчиняется своим законам, не зная которых, можно наломать много дров. Эти законы влияют не только на поведение каждого человека, включая политиков и военных, но и на поведение общества и государства.

Бытовое понятие агрессии - нападение, причем, несправедливое, неоправданное. В этологии агрессивность означает злость, злобу, ненависть. И термин этот никак не окрашен (морально, по К.Лоренцу).

Животное ведет себя по отношению к животному другого вида агрессивно потому, что оно его чем-то раздражает: либо угрожает ему самому, его территории, гнезду, детенышам, либо выглядит незнакомо или подозрительно.

Внутривидовая агрессия проявляется в том, что особи одного вида неизбежно вступают в конфликт из-за пищи, удобного места, из-за самки и пр. Появление или приближение другой особи с неясными намерениями вызывает настороженность. Затем следует либо бегство, либо нападение. Вступая в конфликт, оба испытывают страх, и вместе с ним - приступ агрессивности.

Агрессия всегда сопровождается приступом страха, а страх может перерасти в агрессию.

Агрессия накапливается при отсутствии внешних раздражителей, а порог запуска агрессивного поведения понижается, и агрессия может вырваться наружу без всякого повода (опыты К.Лоренца с цихлидами).

Известны вспышки агрессии внутри маленьких замкнутых групп людей. В обычной жизни наша агрессивность разряжается через массу незначительных конфликтов. Мы можем научиться кое-как управлять своей агрессивностью, но полностью устранить ее не можем.

Важно помнить, что ограждая агрессивную личность от раздражителей, мы не снижаем ее агрессивность, а только накапливаем. Она все равно прорвется, причем сразу большой дозой. Неутешительно, зато правда.

Накопленная агрессивность может быть переадресована на какой-нибудь замещающий объект. Многие птицы клюют землю или листья, копытные бодают кусты. Мы ударяем кулаком по столу, что-нибудь разрываем на части, бьем посуду.

Часто агрессия переадресуется на объекты, которые не могут дать сдачи: разгневанный хозяин может пнуть свою собаку, получивший на работе нагоняй муж - обругать свою жену, ребенок - ударить котенка.

Переадресование агрессии на более слабого и ничем не провинившегося играет важную роль в поддержании иерархии.

В своей изначальной форме агрессия предполагает нападение, причинение ущерба и даже убийство объекта.

В эволюции животных наблюдается переход от немедленного нападения к демонстрации, замена физического противоборства психическим противостоянием. Это спасительно для хорошо вооруженных видов.

К.Лоренц утверждал, что хорошо оформленное агрессивное поведение -одно из самых замечательных созданий естественного отбора. Обругать друг друга, пригрозить - выгоднее, чем драться, особенно, если оба вооружены.

Оформление агрессии: поза угрозы, оскал пасти и демонстрация зубов (не потому ли мы так внимательно смотрим в рот при общении с незнакомым человеком?), мимика и украшения, яркая раскраска кожи лица у некоторых обезьян и у вождей разных племен, шипение и крик (Ура!), перебранка (язык - страшнее пистолета).

Этологи открыли у животных большой набор инстинктивных запретов, необходимых и полезных в общении. К.Лоренц более 50 лет назад решился написать фразу “мораль в мире животных”.

Кодекс морали у животных:

1) Не убей своего.

2) Не нападай без предупреждения, стремись уладить конфликт без драки.

3) Не применяй смертельного оружия. (Береги уши и глаза противника).

4) Не бей того, кто принял позу покорности (Не бей лежачего. Повинную голову меч не сечет.)

Как проигравшему остановить распаленного победителя? Волк, лев, олень - вдруг подставляют самые уязвимые места, удобные для нанесения смертельного удара. Но победитель не может его нанести и нарушить запрет (поза и призыв у мальчишек “На, бей!”, “если тебя ударили по одной щеке, подставь вторую” ... чтобы не ударили еще). Тьма комментаторов не могли понять это место в Библии.

Еще: победа с тем, кто прав. Выигрывает тот, кто защищает свою территорию, свой дом, свою самку, своих детенышей. Агрессивность более сильного нападающего сдерживается запретом (не пожелай ни дома ближнего, ни жены его).

Как говорят юристы: неприкосновенность жилища, личной собственности и жизни.

Забавно наблюдать, как ссорятся две птицы на границе своих участков: по очереди проигрывает тот, кто залетит на участок другого.

Многие морально-этические нормы поведения человека, называемые общечеловеческой моралью, имеют свои аналогии во врожденных запретах у разных видов животных. Можно полагать, что в некоторых случаях это совпадение. Но, по крайней мере, часть из них восходит к врожденным запретам, руководившим поведением наших предков.

Этология дает нам знания, которые нужны многим: учителю и врачу, психологу и социологу; без них трудно воспитателю, офицеру, тюремщику, судье, администратору. Очень хотелось бы, чтобы для пользы всего человечества ими обладали политики. Но самое главное - они нужны каждому из нас, ведь у всех есть или будут дети, младшие братья, внуки. Природа наделила их самым долгим среди живых существ детством, чтобы они могли, овладевая своими инстинктами и учась, пройти за полтора десятка лет огромный путь. Они способны пройти его сами, ошибаясь и страдая. Но путь их будет прямее, а результат выше, если мы будем любить и понимать наших детей такими, какими их создала природа, а не такими, какими их рисует наше воображение (Виктор Дольник, 1994, стр. 73).

Природа наслаждений

Стратегия поведения организмов определяется стремлением выжить. Под этим стремлением понимается комплекс поведенческих реакций, направленных на улучшение условий среды обитания, добычу пищи, продолжение рода, избегание угрожающих ситуаций, соблюдение некоторых гигиенических навыков и многое другое (М.Мыслободский,”Удовольствие - инструмент эволюции”, Наука и жизнь).

Все они, а среди них есть множество занятий не то что сложных, а просто обременительных, по разным причинам могли бы остаться невыполненными, если бы не подкреплялись ощущением приятного. Поразительный дар эволюции состоит в том, что мозг фиксирует в качестве награды все то, что было выполнено организмом в качестве полезного.

Следовательно, удовольствие - один из инструментов эволюции, элемент механизма выживания. Поэтому утрата ощущения приятного, отказ от удовольствий, доставляемых жизнью, бывают равносильным отказу от самой жизни, как это бывает при некоторых психических заболеваниях, когда наступает потеря того, что известный японский писатель Рюноскэ Агутагава, покончивший с собой, в предсмертном письме назвал “инстинктом жизни, животной жаждой”.

Стремление человека познать самого себя невозможно без анализа структуры наслаждений. Эта задача сейчас становится едва ли не диагностической, продиктованной практическими потребностями врачевания. Впрочем за 20 столетий до Рождества Христова призывы знаменитой “Песни арфиста” - “Умножай еще больше свои наслаждения, не давай своему сердцу огорчаться...” - имели выраженный профилактический подтекст.

Но так же, как и прежде, одной из серьезнейших загадок сфинкса эмоций и сегодня остается: “Что есть наслаждение?”

В европейской философии этот вопрос был поставлен, видимо, не ранее IV столетия до н.э., но науке о гедонизме (от греческого hedone - удовольствие) не повезло с самого начала, так как удовольствие рассматривалось чаще всего как антипод боли. Гедония считалась следствием отсутствия страданий.

От Аристиппа до естествоиспытателей XIX века о наслаждениях сказано немало. Но только современная нейрофизиология получила возможность искать экспериментальное решение природы наслаждений. Оказалось, что вводя в мозг электроды и раздражая различные центры, можно управлять поведением животного в довольно широком диапазоне, превращая, например, ласкового, ленивого кота в агрессивного зверя, а сытое животное побуждать искать пищу. Это значило, что мозг располагает центрами, управляющими эмоциональными реакциями.

Опыты на крысах американских исследователей Олдса и Милнера, в которых животные сами нажимали на педаль, вызывая раздражение некоторых участков своего мозга, не обращая при этом внимания ни на вкусную пищу, ни на особей противоположного пола, ни на сигналы опасности, показали, что центры наслаждений действительно существуют. Стоило передвинуть электроды порой на доли милиметра, как они попадали в зоны, раздражение которых вызывало панический ужас и расценивалось животными как наказание.

Некоторые люди получают удовольствие в отказе от того, что большинство из нас считают удовольствием, - это аскеты. Другие находят удовольствие в страдании - это мазохисты. Такой отход от обычных представлений о “награде” основан на индивидуальном опыте - научении или запоминании.

Биосоциальные основы поведения

В книге “Происхождение человека и половой отбор” Дарвин пишет: “Мы наблюдали, что рассудок и интуиция, разнообразные чувства и способности, такие, как любовь, память, внимание, любопытство, подражание, сообразительность и др., которыми гордится человек, можно обнаружить в зачаточном, а иногда даже и в хорошо развитом состоянии у низших животных”.

Наше поведение почти также, как и наш облик, несет в себе много черт, унаследованных как от близких предков, так и более далеких. Это роднит нас со всеми, что живет на Земле. Без учета этих связей многие наши пристрастия странны для окружающих и необъяснимы для нас самих.

Поведение животных выражается в таксисах, рефлексах, инстинктах. Инстинкт - совокупность наследственно обусловленных актов поведения. Обычно инстинкт противопоставляется разуму, обучению, как врожденное поведение - приобретенному.

Инстинкты часто рассматриваются как синоним всего дурного. Их рекомендуется скрывать и подавлять. Им противопоставляются мораль и разум. Но в биологии инстинкты - это врожденные программы поведения. Животные рождаются с этими программами. В процессе эволюции происходит изменение и совершенствование этих программ.

История концепции инстинкта переплетается с концепцией произвольного поведения и нашей ответственности за свои действия.

Платон и большинство древнегреческих философов рассматривали поведение человека как результат рациональных и произвольных процессов, когда индивидуумы свободны в выборе любого пути действия, который диктует их разум. Этот подход назван рационализмом. Он существует и по сей день.

В XIII столетии Фома Аквинский писал:”Человек имеет чувственное желание и рациональное желание, или волю. Его желания и поступки не определяются только чувственными ощущениями, как у животного. Он обладает способностью к самоопределению, благодаря чему имеет возможность действовать или не действовать... Воля детерминирована тем, что разум считает полезным, - рациональной целью. Это тем не менее не принуждение: принуждение существует там, где организм неизбежно детерминирован внешней причиной. Человек свободен, поскольку он рационален, поскольку он не вовлекается в действие внешней причиной без его согласия и поскольку он может выбирать средства достижения полезного эффекта, или цели, которую поставил его разум”.

Фома Аквинский считал, что поведение животного строго детерминировано чувственными желаниями, хотя он, по-видимому, и допускал, что животное способно к некоторой элементарной рассудочной деятельности.

Рене Декарт в работе “Страсти души” (1649) писал, что животные -это механические автоматы, тогда как поведение человека находится под двояким влиянием: механического тела и рационального разума.

Представление об инстинкте как первичном двигателе поведения было использовано такими психологами, как Фрейд (1915) и Мак-Дугалл (1908).

Фрейд представлял себе поведение как результат взаимодействия двух основных энергий: силы жизни, лежащей в основе человеческой активности, направленной на самосохранение и продолжение жизни, и силы смерти, определяющей агрессивные и разрушительные действия человека. Фрейд рассматривал эти силы жизни и смерти как инстинкты, энергия которых требует внешнего выражения или разрядки.

Согласно Мак-Дугаллу, инстинкты - это иррациональные и непреодолимые начала поведения, которые направляют организм к достижению его целей. Он выделял несколько инстинктов и сопровождающие их эмоции: бегство и страх, отвергание и отвращение, любопытство и удивление, драчливость и гнев.

Дарвин рассматривал инстинкты как сложные рефлексы, сформированные из отдельных поведенческих актов, которые являются продуктами естественного отбора. Идеи Дарвина послужили основой для представлений классической этологии, которые были сформулированы Лоренцом и Тинбергеном.

Данные, накопленные этологией и генетикой поведения, привели к отказу от противопоставления инстинкта и разума и к созданию современной концепции генетически обусловленного поведения. Мы теперь лучше понимаем, что все типы поведения представляют собой результат генетических и средовых взаимодействий.

Инстинктивное поведение сформировано на основе комплексов фиксированных действий, которые запускаются специфическими сигнальными раздражителями (знаковыми стимулами).

Комплексы фиксированных действий (КФД) являются объектом исследования этологов.

КФД являются стереотипными, жесткими, предсказуемыми и высокоорганизованными последовательностями актов, которые проявляются у всех представителей данного вида, вызываются простыми, но высокоспецифичными стимулами. Примеры КФД: разевание клюва у птенцов, выбрасывание языка у лягушки и ловля насекомого, демонстрации при ухаживании и агрессии у птиц.

Важная роль в формировании поведения, в полноценном физическом и психическом развитии принадлежит играм. Игры - это тренировка, проверка выполнения программ поведения: как подходить к своим, как действовать с половым партнером, объектами охоты, как убегать от хищника, как драться, как побеждать и как уступать, как рыть, строить, прятать.

Лишенные игр детеныши животных вырастают агрессивными, трусливыми. Им трудно образовывать пары, жить в мире в стае; плохо приходится и их детенышам.

Большинство игр - вариации на три главные темы:

1) “Хищник-жертва” - один убегает, другой ищет, догоняет, ловит;

2) “Брачные партнеры” - ритуалы знакомства, ухаживания, спаривания;

3) “Родители-дети” - кормление, защита, согревание, чистка.

При этом обязательна смена ролей.

Игры наших детей: догонялки, прятки, в пап и мам, уход за куклами, борьба, игры в войну - все это темы, общие с поведением животных.

Множество инстинктов унаследовал от своих животных предков человек. Многие из них не исчезнут никогда, потому что они нужны, по-прежнему служат, составляя фундамент новой рассудочной деятельности.

У ребенка можно наблюдать сотни инстинктивных действий: сосание молока (очень редко этот инстинкт бывает нарушен, и тогда ребенка научить сосать невозможно); прижимает теплый пушистый предмет; хватает палец, и ребенка можно поднимать - не отпустит; реакция на лицо матери; ловля ногами погремушки; улыбка для своих, на чужих хмурится, кричит, машет; проба всех предметов на вкус; подбирание всяких предметов с земли; цепляние за хвост-юбку матери; отношение к собственности -отнимает у других и не отдает свое (и это не жадность).

Дети любят качели - это наследие брахиации у приматов. Дети боятся темноты - наши предки были дневными животными, ночь для них была полна опасностей. Дети пугаются маски леопарда - два желтых горящих кружка с черными зрачками: это был один из самых опасных хищников.

Страшные образы в мультфильмах, сказках, в играх - это игровое узнавание хищников и других опасностей, проверка врожденных реакций на них. Если эти образы мы им не даем, они их сами придумывают.

Половое поведение человека

Половое поведение человека в большой мере определяется врожденными программами. Но если бы мы полностью подчинялись врожденным программам, наше половое поведение было бы диким, примитивным, грубым, эгоистичным (так иногда ведут себя некоторые люди).

В этом наборе врожденных программ заключена информация о том, что нужно сделать, чтобы оставить потомство. Эти программы проверяются в игровом поведении: телята, щенки и котята “ездят друг на друге”, меняясь ролями. У наших детей команда проверки программы спаривания срабатывает в возрасте 4-6 лет (игры в пап и мам). Детей этому не учат, они эти игры придумывают сами. В XX веке детские психологи признали сексуальные игры маленьких детей нормальным явлением, но объяснить их толком не могут, потому что читают З.Фрейда, а не К.Лоренца.

Б.Спок читал обоих ученых и советует пресекать такое поведение детей, не делая скандала и не выдавая тайны.

Особенности стратегии размножения человека включают значительные затраты на каждого из очень небольшого числа рождающихся потомков. Дети рождаются по одному, иногда по два, с интервалом около двух лет. Половая зрелость наступает поздно, и женщина может родить лишь несколько раз за всю жизнь. Для того, чтобы такая стратегия размножения была успешной, все родившиеся дети должны быть окружены большой заботой родителей.

Матери трудно одной растить родившегося ребенка. В основном это результат беспомощности, свойственной человеческому младенцу, в сравнении с другими приматами. Мать шимпанзе, например, воспитывает детенышей в течение нескольких лет, при этом сохраняет свободу и обходится без всякой помощи. Шимпанзе полигамны, и самцы не принимают участия в заботе о потомстве. Детеныш держится за шерсть матери, поэтому она может питаться и держаться наравне с другими членами группы. Женщина же должна держать ребенка на руках, так как он не может держаться сам. Даже научившись ходить, ребенок не может быть наравне с другими членами группы.

Главная причина беспомощности человеческого младенца - недоразвитость его мозга. Мозг человека в четыре раза больше, чем можно было бы ожидать для примата такой же величины.

Сразу после рождения мозг обеспечивает лишь часть функций. Ребенку требуется времени в два раза больше, чем детенышу гориллы или шимпанзе, чтобы достичь такой стадии развития, когда он может держаться на ногах. У новорожденного хватательный рефлекс развит хорошо, но он скоро исчезает. Детеныш обезьяны может висеть на матери, уцепившись за ее шерсть руками и ногами, а человеческий младенец не смог бы этого сделать, даже будучи достаточно сильным, так как ноги по строению не годятся для хватания и на матери слишком мало волос.

В этих условиях можно ожидать, что женщина предпримет все меры предосторожности, выбирая полового партнера, и будет стараться обеспечить ребенку хорошего отца. Однако молодая женщина не всегда может высказать свое мнение при выборе для нее супруга. Во многих случаях брак устраивается родителями невесты или выбор слишком ограничен из-за недостатка мужчин соответствующего социального положения.

У животных во время ухаживания происходит инверсия доминирования: на время ухаживания самец демонстративно подчиняется самке. Мужчина под действием этой программы встает на колени, терпит ритуальные побои, выполняет любые поручения, клянется всю жизнь носить на руках, достать звезды с неба, по первому требованию прыгнуть с моста и т.п. Женщина, предлагая ему совершить подобные подвиги, интуитивно проверяет, произошла ли внутри него инверсия в самом деле, или он только притворяется.

Самки многих видов проверяют, как хорошо самец будет обеспечивать пищей ее и потомство. По спецпрограмме самка начинает изображать из себя детеныша. От самца требуется в ответ изобразить кормление. Один из вариантов ритуального кормления - касание ртами. Поганки ныряют за рыбкой или приносят в клюве траву со дна. Шалашниковые птицы подносят ярких насекомых, цветы, разные необыкновенные предметы.

Женщины также добиваются подарков, любят, чтобы их угощали. И поцелуй - одна из форм ритуального кормления.

Одновременно поцелуй знаменует для инстинктивных программ: взаимная боязнь рассеялась, выбор сделан, пора идти дальше. Теперь пара становится устойчивой: ее склеивает доминанта влюбленности.

Доминанта влюбленности преобразует восприятие: преувеличивает достоинства избранника и скрывает его недостатки. Теперь он - лучше всех, он - единственный. О влюбленном говорят: ”Ослеп он, что ли?”

Влюбленность - одно из самых ярких и сильных состояний, испытываемых человеком. Первую влюбленность запоминают на всю жизнь.

Природа отмерила всем животным и человеку на состояние влюбленности ограниченное время - столько, сколько нужно для успеха размножения.

Что дальше? У моногамных видов в конце ухаживания самка принимает попытки спариться с нею, оплодотворяется, и пара переходит к следующим этапам семейной жизни.

“А дальше они поженились, жили счастливо и умерли в один день”. Так и живут аисты.

Половое поведение человека многообразно, не очень предсказуемо и образует все переходы от узаконенных обществом до преступных и патологических.

Мораль, закон и религия всегда стремились заключить половое поведение человека в определенные рамки, но полного успеха никогда добиться не могли. Людям всегда казалось, что в этой области поработал какой-то дьявол, но этологи говорят, что за первородный грех есть другой ответчик - биологическое наследие.

У многих приматов самец спаривается с несколькими самками, причем зачастую интерес к самке после спаривания пропадает. Подобное свойственно и мужчинам.

У шимпанзе и горилл самцы вообще не ухаживают за самками, они просто спариваются с ними по потребности, а самки не могут сопротивляться. Человек также унаследовал способность спариваться без любви. Мужчина способны насиловать женщин.

Традиционное общество может половую связь без любви требовать от своих членов: родители по своей воле женили незнакомых молодых людей, приговаривая “стерпится - слюбится”.

Групповой брак известен у многих животных, в том числе и у некоторых приматов.

Верветки способны спариваться задолго до овуляции, а также после оплодотворения, во время беременности. Такое свойство называется гиперсексуальностью. Самцы верветок не очень доминируют над самками и поэтому не могут спариваться с ними по своему усмотрению. Они должны предварительно перевернуть доминирование и начать делиться с самкой пищей. Только с таким самцом самка будет спариваться. Это - поощрительное спаривание. Этим приемом самка верветки заставляет самца кормить ее и до беременности, и во время ее. Более того, она стремится “повязать” поощрительным спариванием как можно больше самцов в группе, ведь каждый из них приносит ей подачки и каждый принимает ее детенышей за своих.

Групповая форма брака у человека длилась очень долго, и естественный отбор за это время очень сильно изменил физиологию женщины. Он сделал ее способной к спариванию всегда, и этим она совершенно не похожа на самок человекообразных.

К парному браку человек начал переходить совсем недавно, с развитием земледелия. Для этой формы брака генетические программы не успели образоваться, поэтому брак неустойчив, нуждается в поддержке со стороны морали, законов, религии.

Виктор Дольник: “Мы такие, какими нас создал отбор. Такими мы друг другу не всегда нравимся. Борьба разума с инстинктами в этой области вечна. Каждое поколение снабжало входящих в жизнь молодых людей набором ограничений и советов, найденных в этой борьбе вслепую. Этология, раскрывая содержание инстинктивных программ, открывает новые возможности: понимать себя и других на основе научных знаний”.

Происхождение человека

Ламарк (1809) допускал, что человек развился на протяжении времени из обезьяны.

Решение проблемы принадлежит Дарвину (“Происхождение человека и половой отбор”, 1871).

Собранные Дарвиным материалы по анатомии, физиологии и эмбриологии человека и животных, свидетельствовали о их кровном родстве и требовали признания постепенного развития человека от животного предка. Дарвин не делал исключения и для психических особенностей человека, которые, по его мнению, являются результатом дальнейшего развития свойств, имеющихся у животных. Эту мысль Дарвин детально аргументировал с работе “О выражении эмоций у человека и животных” (1972). Вместе с тем, Дарвин подчеркивал, что современные обезьяны не являются прямыми предками человека.

В 1856 году в Германии в долине Неандерталь возле Дюссельдорфа нашли явно человеческие кости и череп. Рудольф Вирхов (1821-1902) считал, что это скелет старика, перенесшего рахит в юности и подагру к концу жизни, а Поль Брока (1824-1880) утверждал, что у современного человека, независимо от того, болен он или здоров, не может быть такого черепа, как найденный, и что неандерталец представляет собой примитивную форму человека.

В 1894 году Эжен Дюбуа (1858-1940) описал найденного им на острове Ява обезьяночеловека прямоходящего - питекантропа.

Тейяру де Шардену (1881-1955) принадлежит заслуга описания синантропа в 20-30 годы XX столетия.

В XX веке были обнаружены переходные ископаемые формы между животными и человеком - австралопитеки. И таким образом, палеонтология подтвердила положение Дарвина о происхождении человека от высших животных. Ныне этот факт признает даже Папа Римский.

Этапы антропогенеза

Отряд приматов, к которому К.Линней отнес человека, возник в самом начале третичного периода. Решающее влияние на формирование приматов оказал древесный образ жизни. К ранним формам приматов близки современные полуобезьяны - лемуры, долгопяты, тупайи. Одной из наиболее примитивных ископаемых форм антропоидов является парапитек (40 млн лет), величиной с кошку. Дальнейшее развитие антропоморфных обезьян (проплиопитек - 30 млн лет, дриопитеки - 27-12 млн лет) выразилось в 1) увеличении размеров тела; 2) развитии головного мозга; 3) усложнении поведения, высшей нервной деятельности; 4) материнского инстинкта; 5) появлении и развитии строительной деятельности.

Дриопитеки имели крупные размеры, массивные челюсти, мощные клыки. Они являются предковой группой для современных крупных антропоидов -орангутанов, горилл, шимпанзе. Некоторые из дриопитеков, особенно проконсул, близки к непосредственным предкам человека, которыми являются австралопитеки.

Впервые остатки австралопитеков были обнаружены в 1924 г. в Южной Африке и описаны Дартом, который дал им название “австралопитек африканский”. Они были прямоходящими наземными существами, достигали веса 30-40 кг, роста 120-150 см. Масса головного мозга - 530-550 г. Время существования: появились около 5-7 млн лет, вымерли около 750 тыс. лет тому назад.

В 1959 году английский антрополог Л.Лики в северной части Танганьики обнаружил форму, почти не отличимую от австралопитеков, но с более крупным головным мозгом (650 г.), которая, как было установлено, изготавливала галечные орудия труда (резцы, долота, диски). Эта форма получила название Homo habilis, или Человек умелый. Время появления ее -2,6 млн лет. Галечная, или олдувайская культура этого существа рассматривается как самая ранняя ступень эпохи палеолита, а значит, как начальная фаза становления человеческого общества.

Этапы антропогенеза:

1) Архантропы, к которым относятся питекантропы, синантропы и др. близкие им формы. Время их существования - 1,6 млн. лет - 200 тысяч лет тому назад. Объем головного мозга 775- 1215 куб. см. Отличаются развитой орудийной деятельностью, использовали огонь. Охотились на крупных животных (буйволов, носорогов, оленей). Жили в пещерах. Внешне были похожи на современного человека, но отличались мощным развитием надбровного валика, отсутствием подбородочного выступа, низким и покатым лбом.

2) Палеоантропы, к которым относятся неандертальцы, жили в период от 300 тысяч лет до 40 тысяч лет тому назад. Объем головного мозга достигал 1500-1600 г. Неандертальцы были близки к человеку современному, но отличались от него низким скошенным лбом, сплошным надглазничным валиком, слабым развитием подбородочного выступа. Рост 155-165 см. Антропологи рассматривают неандертальца как подвид Человека разумного.

3) Неоантроп, кроманьонец, или человек современный, собственно

Homo sapiens. Время появления 50-40 тыс. лет тому назад. Внешне практически от современных людей не отличался.

Биологические предпосылки и факторы антропогенеза

Древесный образ жизни . Развитие приматов происходило одновременно с формированием современных лесных сообществ, особенно экваториальных и тропических вечнозеленых многоярусных лесов. Вероятно, никакой другой образ жизни - водный, наземный, воздушный - не мог бы привести к возникновению разумного существа, подобного человеку.

Увеличение размеров тела способствовало лучшей защищенности от хищников (наиболее яркие примеры - вымершие гигантопитеки и современные гориллы). Стереоскопическое зрение и хватательные конечности - непременные условия эффективного перемещения крупных животных в трехмерном пространстве.

Увеличение размеров тела вело к снижению плодовитости, что требовало усиления заботы о потомстве, развития материнского инстинкта для обеспечения устойчивого воспроизведения вида при малой плодовитости.

Предки приматов - насекомоядные млекопитающие являются плотоядными. Для приматов же характерна всеядность. Широкий спектр кормов и разнообразие способов его добычи способствует развитию высшей нервной деятельности.

Складывается групповой образ жизни, который обеспечивает лучшую защищенность от хищников.

Древесно-наземный образ жизни.

Увеличение размеров тела привело к тому, что наши предки на стадии дриопитеков перешли к древесно-наземному образу жизни (примерно такой образ жизни ведут шимпанзе). Это способствует расширению кормовой базы, но связано с увеличением степени опасности (наземная среда полна крупных и опасных хищников), особенно, в ночное время. Ночной отдых крупных приматов (например, шимпанзе) происходит на деревьях, что требует строительства гнезд. Лишь самые крупные из антропоидов - гориллы - проводят все время на земле: их надежно защищают большие размеры те ла и огромная физическая сила.

Переход к наземному образу жизни.

Важнейшим событием в эволюции наших предков является полный переход к наземному обитанию в условиях открытых ландшафтов - саванн. Вероятно, этот переход был обусловлен расширением площадей под редколесьями и саваннами, а также сильной конкуренцией со стороны более мелких и лучше приспособленных к древесному образу жизни приматов.

Можно выделить следующие главные моменты в овладении наземной среды обитания.

1) Формирование прямохождения, что было обусловлено использованием руки для постоянного ношения и применения некоторых предметов в качестве оружия или орудий, а затем переходом к изготовлению искусственных орудий и оружия.

2) Усиление стадности и развитие социального поведения и социальной организации.

3) Переход от собирательства к охоте, особенностью которой является коллективный характер и применение специально изготовленного оружия.

Эти три момента явились важнейшими условиями успеха в борьбе за существования и факторами становления человека как разумного, социально организованного существа, обладающего речью. В то же время, эти три момента обусловили переход от биологической эволюции к психо-социальному развитию, что сопровождалось снятием ведущей роли естественного отбора в развитии человека как биологического вида.

Таким образом, эволюция человека определялась естественным отбором на приспособленность к окружающей среде (абиотической и биотической), а также отбором, направление которого определялось социальными факторами: мышлением, речью, общественным образом жизни. Социальные факторы обусловили развитие способности к обучению, которое лежит в основе эпигенетического развития, основанное на наследовании приобретенного опыта, культуры. Так происходил переход от биологической эволюции к человеческой истории.

Несмотря на это, биологические закономерности продолжают играть в жизни человека и развитии человечества столь важную роль, что природа человека многими учеными определяется как биосоциальная.

Проблемы цефализации

Увеличение объема головного мозга (цефализация) - наиболее характерная черта биологической эволюции человека в переходный период от животного предка до кроманьонца. Рождение крупноголовых детей требует широкого женского таза. Но, с другой стороны, прямохождение предъявляет противоположное требование - таз должен быть узким и более прочным. Это противоречие привело к тому, что роды у человека стали сопровождаться родовыми муками, что для животных не характерно. Таким образом, описанная в Библии сцена проклятия Евы (“В муках будешь рожать детей своих”) имеет под собой эволюционно-биологическое обоснование.

Природа, однако, предприняла некоторые попытки разрешить эту проблему:

1) дети стали рождаться недоношенными по биологическим меркам (в сравнении с шимпанзе, например);

2) головка новорожденного способна к значительным деформациям, быстрому увеличению размеров в послеродовой период, в связи с чем зарастание родничков и окончательное формирование черепных швов отложены на более поздний период.

Отмеченные обстоятельства привели к удлинению периода детства, в течение которого ребенок является беспомощным и нуждается в постоянной заботе родителей. В этот период происходит окончательное формирование важнейших структур головного мозга. При чем на этот процесс существенное влияние оказывает внешняя среда, в том числе социальное окружение. В этом суть исключительно высокой пластичности индивидуального развития мозга человека. В этом заключаются биологические основы способности человека к усвоению огромных объемов информации в процессе обучения, что явилось важнейшей предпосылкой социального прогресса.

Биосоциальная природа человека

1) Как всякий живой организм человек нуждается в источниках энергии и вещества (принцип негэнтропии). Для человека таким источником является растительная и животная пища.

2) Всякий животный организм характеризуется поведением, направленным на сохранение своей жизни (принцип самосохранения). Проблема личной безопасности важна и для человека.

3) Каждое живое существо в процессе размножения оставляет подобное себе потомство (принцип воспроизведения). Инстинкт размножения заложен и в каждом нормальном человеческом существе.

Если какой-либо биологический вид не может решить хотя бы одну из указанных проблем, он исчезает с лица Земли.

На реализацию биологического в человеке накладывает отпечаток (преобразует) его человеческая сущность (природа). Отметим три составляющие этой сущности: стремление к наслаждению - принцип Эпикура (гедонизм), стремление к красоте - принцип Достоевского (эстетизм) и духовность - принцип Иисуса Христа (?).

Эстетизм прошел длительный путь развития от наскальных рисунков кроманьонцев до формулы Достоевского “Красота спасет мир”.

Гедонизм вырос из ощущения удовольствия, развившегося у высших животных и нашел свое выражение в принципе Эпикура “Наслаждайтесь!”. Аристипп: Наслаждение, удовольствие - высшая цель и основной мотив человеческого поведения.

Как выразить принцип духовности? Может быть словами Иисуса Христа: “Не хлебом единым жив человек”?

Каким образом эти принципы оказывают влияние на проявление биологического в человеке?

1) Приготовление и потребление пищи выражается в искусстве кулинарии и сервировки. Человек наслаждается вкусной и красиво оформленной пищей.

2) Проблема самосохранения решается постройкой жилища, обставленного необходимой мебелью и по возможности “со всеми удобствами”, изготовлением и ношением одежды, оружия (там, где это необходимо). Все это делается красиво и обеспечивает человеку не только личную безопасность, но также и определенный уровень комфорта.

3) Воспроизведение проявляется в нормальной сексуальности (половом влечении), которая находит свое высшее выражение в любви, и ведет к созданию семьи, обеспечивающей воспитание детей.

”Все это так. Но избежит ли грешный

Небесных врат, ведущих в ад кромешный?”

Шекспир

В погоне за удовольствиями, в стремлении к наслаждениям человек не знает предела. В результате:

1) Процесс питания перерастает в чревоугодничество, в обжорство, в стремление поглощать как можно больше, как можно более вкусной и изысканной пищи, что для некоторых становится смыслом жизни, самоцелью и оказывается биологически нецелесообразным.

2) Самосохранение преобразуется в стремление к роскоши во всем: строительстве дворцов и их обстановке, ношении сверхмодной одежды и прочая, и прочая. Вещизм также часто поражает людей и становится смыслом их жизни.

3) Процесс воспроизведения заменяется стремлением соблазнить как можно больше женщин, или мужчин (синдром Дон-Жуана). При этом часто любители сексуальных наслаждений теряют способность производить потомство, что также оказывается биологически нецелесообразным.

”Жить - хорошо!

А хорошо жить - еще лучше!”

(из кинофильма “Кавказская пленница”)

Что значит “Хорошо жить”?

Статья 29. Каждый человек имеет обязанности перед обществом, в котором только и возможно свободное и полное развитие его личности.

Экология и здоровье. Биополитика

Физическое и психическое самочувствие человека, его настроение, деловая активность в решающей степени зависят от состояния его здоровья, которое в настоящее время оказывается под угрозой в связи с антропогенным изменением среды обитания.

В настоящее время в окружающую среду попадает все больше веществ антропогенного происхождения, являющихся не просто загрязняющими, но и сильно токсичными, канцерогенными, аллергенными и мутагенными. Поэтому для выживания человечества требуется срочный пересмотр приоритетов развития. Экология не должна подстраиваться под нужды экономики и политики, а наоборот, необходим экоцентрический подход. Богатство и благополучие страны должны оцениваться не количеством произведенных материальных благ, как это принято сейчас, а уровнем здоровья населения.

Самыми важными для здоровья человека являются качество воздуха, количество и качество питьевой воды и продуктов питания, а также радиационный фон, уровень шума и электромагнитных колебаний, не превышающие допустимые значения.

Важное значение для сохранения и восстановления здоровья имеют рекреационные ресурсы: минеральные воды и грязи, горный и морской воздух, лесные массивы с хвойными породами деревьев и др. Имеющихся в настоящее время благоустроенных курортов недостаточно, они перегружены, загрязнены и в значительной мере потеряли свои рекреационные свойства.

Деятельность по рациональному использованию и охране окружающей среды контролируется, регулируется и направляется государством через систему природоохранного законодательства. Только тогда, когда экологические законы и требования, осознанные наукой, находят соответствующее юридическое оформление в виде законов, декретов, указов, постановлений, обязательных для исполнения, они получают реальные шансы на претворение в жизнь. Поэтому постоянное совершенствование природоохранного законодательства в соответствии с развитие науки и техники имеет важнейшее значение.

Право человека на благоприятную окружающую среду и достоверную информацию о ее состоянии, а также обязанность каждого сохранять природу и бережно относиться к ее ресурсам закреплены в Конституции Российской Федерации.

В конце XX в. стало ясно, что решить проблемы сохранения окружающей среды только на уровне отдельной страны невозможно. Причина заключается в том, что биосфера Земли представляет собой целостную, интегрированную систему. Поэтому мало совершенствовать собственное законодательство, необходимо всячески способствовать развитию международного законодательства, регулирующего совместные усилия всех стран в деле охраны природы.

Необходимо экологическое воспитание населения с детских лет, без чего нельзя надеяться на реализацию даже самых замечательных и научно обоснованных программ сохранения бисоферы. Когда большинство населения поймет, что экологические преступления - это преступления, а не извинительный проступок, только тогда можно будет надеяться на благополучный выход из экологического кризиса. Осуществление действенных экологических программ требует таких значительных средств и ограничений, что правительства вряд ли решаться на них, пока народ не осознает их жизненную необходимость.

Литература

1. Авдюшин С.И., Данилов А.Д. Солнечная активность и события на Земле: вымысел и реальность. Природа, 1993, 3

2. Анисимов В.Н. Цена продленной жизни: взгляд онколога/Природа, 1990, 10

3. Анисимов В.Н. Солнечные часы старения/ Природа, 1995, 10

4. Бердышев Г.Д., Загария А.М. Дерматоглифика и долголетие/Природа,1990,12

5. Введенский В.Л., Ежов А.А. Ритмы мозга и самовоспроизведение информа ции/ Природа, 1990, 4

6. Гелиобиология: от Чижевского до наших дней. Природа, 1994, 9

7. Григорьян Н.А. Н.К.Кольцов и экспериментальная генетика высшей нервной деятельности/ Природа, 1992, 6

8. Лопухин Ю.М. Биоэтика/ Природа, 1991, 10

9. Немцов А.В. Потребление алкоголя как глобальная проблема/ Природа, 1990, 1

10. Плюснин Ю.М. Каких друзей мы себе выбираем. Социобиология дружбы. Природа, 1993, 9

11. Савельев С.В. Парадокс формы мозга/ Природа. 1992. 3

12. Савельев С.В. Монстры. Природа, 1993, 10

13. Савельев С.В. Природа индивидуальности мозга человека/ Природа, 1995,9

14. Титов С.А. Системный и молекулярный подходы к проблемам памяти/ Природа, 1990, 6

Тема 2.3. Биосфера и цивилизация

Популяции, сообщества, экосистемы. Принципы их организации. Формы биотических отношений в сообществах. Популяция - структурная единица вида. Она представляет собой совокупность особей одного вида, населяющую определенное местообитание с однородными условиями (пруд, озеро, реку, луг, лес, болото и пр.), в пределах которого происходит свободное скрещивание (панмиксия) особей (в случае полового размножения с перекрестным оплодотворением). Популяция - это совокупность совместно проживающих и постоянно контактирующих (взаимодействующих) особей одного вида.

Структура популяции включает: половые (самцы и самки), возрастные, генетические, территориальные (семьи, стада, колонии) и др. группы особей. Взаимоотношения особей в популяции выражаются в половом поведении, заботе о потомстве, территориальном поведении, в активной и пассивной конкуренции, сотрудничестве и взаимопомощи (кооперации).

Важнейшими свойствами популяции являются: численность, плотность, рождаемость и смертность, прирост и темп роста.

Численность популяции является величиной переменной, которая зависит от многих факторов. Численность популяции в благоприятных условиях способна к неограниченному росту, который описывается экспоненциальной кривой. Обычно это явление называется геометрической прогрессией размножения. В результате численность популяции может достигнуть любых значений, но обычно это не наблюдается, так как максимально возможная численность популяции ограничивается экологической емкостью территории, и как правило, не достигает этого уровня под влиянием регулирующих факторов.

К факторам, регулирующим численность популяции, относятся: конкуренция, голод, каннибализм, стресс, болезни, хищники, которые снижают численность, если она превышает оптимальное значение. Увеличение численности популяции приводит к усилению действия этих факторов, в результате чего снижается рождаемость, повышается смертность и численность снижается.

Сообщество - система совместно живущих автотрофных и гетеротрофных организмов, объединенных общим местообитанием и связанных определенной совокупностью биотических отношений. Биотические отношения выражаются в трофических (пищевых) связях, хищничестве и паразитизме, межвидовой конкуренции и кооперации, антибиозе и симбиозе.

Обычно сообщество понимается как синоним биоценоза. Биоценоз состоит из популяций многих видов, которые можно подразделить на три основные группы: продуцентов (зеленые растения, водоросли, хемосинтезирующие и фотосинтезирующие бактерии), консументов (животные растительноядные и хищники, паразиты) и редуцентов (грибы и большинство бактерий).

Продуценты производят органическое вещество из неорганического, используя солнечную энергию, или энергию, выделяющуюся в результате окислительно-восстановительных реакций. Консументы являются потребителями органического вещества, которое служит для них источником энергии и строительного материала. Однако термин “потребители” неполно характеризует роль животных в сообществе. Животные являются регуляторами численности растений, способствуют их распространению, рассеивая семена, некоторые группы животных (насекомых, птиц, млекопитающих) - важные опылители цветковых растений. В целом животные играют важную роль в круговороте веществ в экосистемах.

Редуценты разлагают органическое вещество (растительный опад, трупы животных и их экскременты) на минеральные компоненты: воду, углекислый газ, минеральные соли, которые снова используются растениями. Отсюда понятно, что без редуцентов существование сообщества было бы невозможным.

Круговороты вещества и энергии

Наличие всех трех групп для нормального функционирования сообщества обязательно. Их совместная жизнедеятельность обеспечивает устойчивый биотический круговорот веществ и превращения энергии, которую зеленые растения получают от Солнца. Используя энергию Солнца, зеленые растения в процессе фотосинтеза производят углеводы из углекислого газа и атомов водорода, отнимаемых у молекул воды. Побочным продуктом фотосинтеза является свободный кислород, выделяемый растениями в окружающую среду. И растения, и животные в процессе дыхания окисляют углеводы до воды и углекислого газа, используя свободный кислород, содержащийся в воздухе или воде. В результате они синтезируют АТФ (аденозинтрифосфорную кислоту), в которой запасается энергия, используемая живыми существами в процессе жизнедеятельности.

Вне этого круговорота не может существовать ни один вид, в том числе человек.

Сообщества различаются по количеству и разнообразию составляющих их видов. От этого зависит сложность структуры сообщества и степень его устойчивости (способность к саморегуляции). Обеднение видового состава сообщества под влиянием деятельности человека ведет к снижению его устойчивости, что может привести к разрушению сообщества и замене его другим, как правило, с более простой структурой.

Биосфера

Биосфера - геологическая оболочка, населенная живыми организмами. Ее можно рассматривать как глобальную экологическую систему, состоящую из всех биогеоценозов Земли.

Следовательно, биосфера, как всякая экологическая система, - открытая саморегулирующаяся система, функционирование которой обусловливается притоком космической, главным образом, солнечной, энергии.

Биосфера во внешней части создает газовую оболочку, соприкасающуюся со Вселенной, а внутри планеты - оболочки осадочных пород. Жидкое и твердое топливо, которое мы добываем из недр Земли, кремнистые, железистые, марганцевые и другие породы образовались благодаря дыханию, питанию, жизни и смерти живших когда-то организмов. Они “законсервировали” солнечные лучи, “запасли” для нас полезные ископаемые.

Вследствие жизнедеятельности организмов происходит непрерывный глобальный круговорот веществ и трансформация энергии в биосфере.

Растения при помощи солнечной энергии создают органические вещества.

Грибы разлагают мертвую органику и подготавливают вещества для повторного использования их организмами.

Животные расселяют растения, регулируют их численность, перемещают живое вещество против направления стока.

Многоклеточные животные - это транспорт биосферы, ее регулирующее и оздоровительное устройство. Среди них нет никого лишнего или незначительного: биосфера - тонко сбалансированная система.

В неживой природе каждая замкнутая система сама по себе приходит в равновесное состояние: реки текут к морю, камни скатываются с гор, выравниваются вследствие диффузии концентрации веществ...

Живые организмы поддерживают биосферу в неравновесном состоянии. Они выполняют работу против силы тяжести, переносят вещества против направления стока и против градиента концентрации. Только живые организмы способны улавливать рассеянную в окружающем пространстве энергию электромагнитного поля и консервировать ее в виде внутренней энергии веществ самих организмов.

Эволюция биосферы

Структура биосферы, характер и интенсивность биотического круговорота изменялись в ходе эволюции. Учитывая принципиальную важность круговорота, В.И.Вернадский утверждал, что на Земле с самого начала могло существовать лишь некоторое сообщество различающихся функционально организмов.

Только сообщество, состоящее из функционально разнообразных организмов, может осуществлять циклические процессы, необходимые для того, чтобы оставаться стабильным в биогеохимическом смысле.

Выживание сообщества возможно лишь в том случае, если его деятельность в течение достаточно продолжительного времени не приводит к нарушению внешних условий. Иначе это ведет к сукцессии, последовательной смене стадий в развитии. Нечто подобное наблюдается в истории биосферы, которую можно сопоставить с термодинамически ориентированной сукцессией.

Сбалансированный цикл может существовать лишь в трофически организованном сообществе, которое создается кооперативной деятельностью разнородных организмов и подчиняется, как в целом, так и в частях, термодинамической необходимости.

Кооперативное микробное сообщество было первоначальным и обеспечило устойчивость биосферы. Растительный и животный мир встроились в систему, созданную микроорганизмами.

Саморазвитие происходило внутри трофической пирамиды с появлением все новых возможностей. В уже сложившиеся системы включались новые.

Таким образом, кооперация лежит в основе трофической пирамиды сообществ, а конкуренция служит механизмом тонкой регулировки в системе (Заварзин Г.А. Анти-Рынок в природе. Природа, 1995, 3).

В качестве первичных продуцентов на Земле выступали одноклеточные прокариоты, осуществлявшие фотосинтез и хемосинтез. В течение примерно 2 млрд. лет прокариоты изменили состав атмосферы - снизилось содержание углекислого газа и возросло кислорода и азота.

С этого момента в составе биосферы возникают эукариоты - водоросли, грибы и простейшие животные, сначала одноклеточные и колониальные, а затем и многоклеточные высшие растения и животные.

Ресурсы биосферы

Природные ресурсы - компоненты окружающей человека естественно среды, используемые для удовлетворения материальных и культурных потребностей общества. Растительные и животные ресурсы, почва, пресная вода, чистый воздух относятся к возобновимым ресурсам. Их возобновляемость обусловлена деятельностью биосферы и, следовательно, объем или интенсивность их использования зависит от скорости их возобновления, что зависит от состояния биосферы. Ресурсы биосферы являются ограниченными.

Пределы устойчивости биосферы

Использование ресурсов биосферы приводит к нарушению ее структуры и изменению процессов, в ней протекающих. Поскольку биосфера способна к саморегуляции, она до известных пределов сохраняет устойчивость. Выход за эти пределы приводит к необратимым изменениям, которые в некоторых случаях могут быть желательны для человека, но большей частью опасны. Особенно опасны необратимые изменения глобального характера, которые могут привести к экологической катастрофе. В этом случае существование человечества может оказаться невозможным, либо оно может протекать в крайне неблагоприятных условиях.

Биопродуктивность биосферы

Продуктивность биосферы представляет собой биомассу, производимую различными экосистемами, составляющими биосферу.

Продуктивность суши в сухом органическом веществе составляет: -171,54 млрд. т/год, морей и океанов - 60 млрд. т/год.

На материках большую часть продукции дают леса, в океанах - зоны апвеллинга (подъема глубинных вод) и материковые отмели холодных морей.

Питание людей в основном обеспечивается сельскохозяйственными культурами, выращиваемыми лишь на 10 процентах площади суши. На этой площади выращивается 8,7 млрд. т органического вещества, которое содержит около 3,5 х1016 ккал, из них на питание расходуется 2,29 х 1015 ккал.

Пастбища обеспечивают кормом около 3 млрд. голов скота, и годовая продуктивность оценивается в 0,29 х 1015 ккал.

По данным 1963 г. (Дювиньо и Танг, 1973), реальные запасы продовольствия достигали 2,6 х 1015 ккал; на Земле насчитывалось 3,11 млрд. людей, потребность которых в питании составляла 2,7 х1015 ккал, что превышает продуктивность биосферы.

Ресурсы биосферы и демографические проблемы

Рост населения существенно влияет на рост загрязнения природной среды и истощение природных ресурсов. С 1650 года численность населения Земли растет по экспоненциальному закону (1650 г. - 545 млн., 1840 г. - 1 млрд., 1930 г. - 2 млрд., 1962 г. - 3 млрд., 1971 г. - 4 млрд., 1987 г. - 5 млрд.)

На 1994 год на Земле проживало 5,5 млрд. человек. К 2000 году ожидается 6 млрд., из них 56% - в Азии, 25% - в Африке, 11% - в Латинской Америке, 8% - в Европе и 3% - в Северной Америке. В результате можно ожидать усиления экологических противоречий в странах Азии, Африки и Южной Америки. Но это не значит, что Европа будет свободна от экологических проблем. В большинстве европейских стран либо уже наблюдается перенаселенность, либо они близки к этому состоянию.

В сентябре 1994 г. в Египте состоялась международная конференция по проблеме перенаселенности планеты. Конференция показала, что восточные религии и католичество по-прежнему выступают против регуляции численности населения.

Большинство религий - если не все - дают изначальную установку на многодетность. Эта традиция уходит в доисторические времена, когда высокая плодовитость была призвана компенсировать высокую смертность.

Наиболее “спокойно” к проблеме регуляции относится буддизм с его проповедью отречения от земных соблазнов и поощрением безбрачия; в то же время его осуждение противозачаточных средств косвенно содействует высокой рождаемости.

Индуизм поощряет высокую плодовитость, но особенно усердствует в этом ислам, официально разрешающий полигинию. В христианстве высокая плодовитость была в большей степени свойственна католикам, в меньшей - протестантам. В настоящее время среди христианских народов демогра фическое поведение определяется другими факторами.

В истории известны случаи, когда демографическая политика была средством борьбы различных религиозных или этнических общностей за свое самоопределение. Например, в 16 веке в Нидерландах протестантов было больше, чем католиков. В 19 и особенно в 20 веке среди католиков велась кампания за высокую рождаемость, и перед второй мировой войной они стали крупнейшей религиозной общиной.

Можно ли стабилизировать численность населения? (Алаев, Природа, 1991, 4).

Единственная радикальная мера стабилизации численности - сокращение рождаемости - входит в противоречие не только с большинством религий и традиций; вторжение в интимную жизнь часто рассматривается как ущемление прав личности. Другой деликатный аспект проблемы заключается в том, что на всякого, кто выступает за сокращение рождаемости, навешивается ярлык неомальтузианца.

Ж.Дорст (1965): Демографический взрыв ХХ столетия по своему размаху и последствиям сравним с великими геологическими катастрофами, которые потрясали поверхность планеты в прошлом. Увеличение численности населения, сопровождающееся ростом промышленности - основной фактор деградации биосферы.

Согласно последним данным, число жителей Земли, допустимое для экосферы - 10 млрд. Существует точка зрения, согласно которой мы находимся в фазе логистического роста, и численность стабилизируется на уровне 7,5 млрд.

Антропогенные воздействия на биосферу

1) Разрушение растительного покрова - строительство, пастбища, пашня, топливо, бумага, сырье для химической промышленности, пожары.

2) Деградация почв - эрозия, засоление. 3) Снижение биологического разнообразия - вымирание видов. 4) Загрязнение - тепловое, акустическое (шум), химическое, радиационное, электромагнитное.

5) Изменение биогеохимических циклов - минеральные удобрения (изменение круговорота азота, фосфора, калия), пестициды и гербициды, ископаемое топливо (изменение круговорота углерода, насыщение атмосферы углекислым газом, выброс сернистого газа), кислотные дожди, разрушение озонового экрана, парниковый эффект.

6) Урбанизация, промышленные объекты, дороги, аэродромы - уменьшение площадей под естественными сообществами.

7) Туризм - прямое и косвенное уничтожение видов, фактор беспокойства.

Экологический кризис и пути его преодоления

Под экологическим кризисом понимается та стадия взаимодействия между обществом и природой, на которой до предела обостряются противоречия между экономикой и экологией, экономическими интересами общества в потреблении и использовании природной среды и экологическими требованиями обеспечения охраны окружающей природной среды.

Экологический кризис распространяется на все страны, ставшие на путь научно-технического прогресса.

По своей структуре экологический кризис подразделяется на два компонента: естественный и социальный.

Естественный компонент выражается в деградации окружающей человека природной среды. Социальный компонент - выражается в неспособности государственных и общественных структур остановить деградацию окружающей среды, стабилизировать положение и оздоровить окружающую природную среду. Обе стороны тесно связаны.

Кризис государственных и общественных структур проявляется: 1) в недостаточно эффективной работе специальных органов, которые практически потеряли нити управления охраной окружающей природной среды, 2) в неспособности правоохранительных органов обеспечить надежный контроль и надзор за выполнением законов об охране окружающей среды и 3) в массовом эколого-правовом нигилизме, неуважении эколого-правовых требований, в нарушении или невыполнении их.

Причины экологического кризиса в бывшем СССР: 1) монополия государства в сферах эксплуатации природных ресурсов, в контроля за охраной природы и в области права; 2) направленность политики государства на военное противостояние, создание гигантского военно-промышленного комплекса, неограниченные военные расходы, расходование гигантских средств на поддержку прокоммунистических режимов и пр.

Деградация природной среды может быть остановлена в результате экстренных мер экологической защиты.

Пять направлений выхода из экологического кризиса: 1) создание экологически чистой технологии, внедрение безотходных или малоотходных производств, совершенствование технологических процессов - таково магистральное направление;

2) развитие и совершенствование экономического механизма охраны окружающей среды (стимулирование, налоги и пр.), задача - сделать охрану окружающей среды частью производственно-коммерческой деятельности, чтобы предприниматель или хозяйственник был заинтересован в охране окружающей среды;

3) административно-правовое воздействие с целью повышения экологической дисциплины;

4) экологическое просвещение - развитие системы экологического образования, воспитания, перестройка потребительского отношения к природе, экологическая революция в мышлении человека;

5) международно-правовое направление. Препятствия на пути выхода из экологического кризиса: слабость экономики, ее кризисное состояние; отсутствие экономических рычагов воздействия на охрану природной среды;

низкий уровень нравственности в сфере принятия решений.

Принципы рационального природопользования

Рациональное природопользование есть система деятельности, призванная обеспечить экономную эксплуатацию природных ресурсов и условий и наиболее эффективный режим их воспроизводства с учетом перспективных интересов развивающегося хозяйства и сохранения здоровья людей. Такое природопользование не приводит к резким изменениям природно-ресурсного потенциала и не ведет к глубоким переменам в окружающей человека природной среде, наносящим урон его здоровью или угрожающим самой его жизни. Оно предполагает максимально полное извлечение из природного ресурса всех полезных продуктов с нанесением наименьшего вреда отраслям хозяйства, базирующимся на том же ресурсе, и состоянию природной среды, необходимой для жизни и поддержания здоровья человека.

Охрана природы

Охрана природы - мероприятия по сохранению глобальной системы жизнеобеспечения че ловечества на условно бесконечный срок.

1) совокупность международных, государственных, региональных и местных административно-хозяйственных, технологических, политических, юридических и общественных мероприятий, направленных на сохранение, рациональное использование и воспроизводство природы Земли и ближайшего к ней космического пространства в интересах существующих и будущих поколений людей;

2) система мер, направленных на поддержание взаимодействия между деятельностью человека и окружающей природной средой, обеспечивающих сохранение и восстановление природных ресурсов, предупреждающих прямое и косвенное результатов деятельности общества на природу и здоровье человека.

Основными принципами охраны окружающей природной среды являются: приоритет охраны жизни и здоровья; научно обоснованное сочетание экологических и экономических интересов;

рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов; законность и неотвратимость наступления ответственности за экологические правонарушения;

гласность в работе экологических организаций и тесная связь их с общественными объединениями и населением в решении природоохранительных задач;

международное сотрудничество в сфере охраны окружающей природной среды.

Экология человека

1) комплексная дисциплина, исследующая общие законы взаимоотношения биосферы и ее компонентов и антропосистемы, влияние природной (а в ряде случае и социальной) среды на человека и группы людей;

2) экология человеческой личности;

3) экология человеческих популяций, в том числе учение об этносах. Экология человека включает как социально-психологические и этологические отношения людей между собой, так и отношение людей к природе, т.е. представляет собой комплексную эколого-социально-экономическую отрасль знания, где все социальные, экономические и природные условия рассматриваются как одинаково важные составляющие среды жизни человека, обеспечивающие разные стороны его потребностей.

Социальная экология

1) научная дисциплина, рассматривающая взаимоотношения в системе “общество- природа”: изучающая взаимодействия и взаимосвязи человеческого общества с природной средой и разрабатывающая научные основы рационального природопользования, которые предполагают охрану природы т оптимизацию жизненной среды человека.

Главная задача социальной экологии - изучение закономерностей взаимодействия человеческого общества и его отдельных территориальных групп с природой и проектирование на этой основе новой природно-окультуренной среды.

2) исследование поступков людей и воздействия этих поступков на других людей через их восприятие и социально-психологическую личностную и коллективную оценку человеческих взаимоотношений на фоне объективных свойств среды жизни и реактивности человеческого организма, например, уклада жизни в районе новостроек, реакций их жителей в сравнении гигиенических условий прежнего жительства с рассматриваемой новостройкой.

Факторы экологического риска и здоровье человека. Фактор риска - 1) любое воздействие, способствующее возникновению заболевания (например, курение по отношению к раку легкого), вообще отклонению от состояния здоровья (мед.); 2) мера несоответствия между разными возможными результатами принятого решения (при условии, что вероятность совокупности результатов известна или может быть определена).

Следует учитывать, что в природопользовании фактически нет детерминированных задач с единственным результатом выбранной стратегии и очень велико количество неопределенных задач, где результаты избранной стратегии непредсказуемы (лишь вероятны).

При выборе стратегии с минимумом фактора риска следует стремиться к максимальной вероятности получения тех или иных результатов и наивысшей степени их полезности. Эти сведения можно получить из прошлого опыта, научного эксперимента, многовариантного моделирования или знания хода процесса (например, сукцессии).

Лишь сочетание максимальной вероятности полезного эффекта при уверенности в отсутствии иной, лучшей стратегии достижения той же цели с экспериментальным доказательством оптимальности принятого решения дает право пренебречь фактором риска. В силу принципа неопределенности он неустраним полностью. Фактор риска очень высок в экологическом планировании, экологическом обосновании проектов и экологической экспертизе.

Деградация окружающей природной среды прежде всего сказывается на здоровье человека и состоянии генофонда человечества.

Более 20% территории России находится в критическом экологическом состоянии, в районе зон экологического бедствия. Более 70 млн. людей дышит воздухом, опасным для здоровья. Сокращается рождаемость и увеличивается смертность населения. Средняя продолжительность жизни менее 70 лет, что на 8-10 лет меньше, чем в 44 развитых капиталистических странах. Каждый 10-й ребенок рождается генетически неполноценным. У 45% призывников выявлены нарушения психики. Каждая четвертая женщина не может родить здорового ребенка по генетическим причинам. Каждый четвертый мужчина - импотент.

Антропоцентризм, биоцентризм и решение социальных проблем

“И сказал Бог: сотворим человека по образу Нашему (и) по подобию Нашему, и да владычествуют они над рыбами морскими, и над птицами небесными, (и над зверями), и над скотом, и над всею землею... И благословил их Бог, и сказал им Бог: плодитесь и размножайтесь, и наполняйте землю, и обладайте ею...” (Бытие, I: 26, 28).

В строках из Библии - суть и обоснование антропоцентризма. Сущность биоцентризма заключается в следующем. Человек есть часть Живой Природы, которая является условием Его существования. Он - один из результатов ее эволюции. Его дальнейшее развитие возможно лишь при условии, что это развитие не угрожает существованию Живой Природы, которой, таким образом, принадлежит приоритет.

Решение социальных проблем должно быть основано на принципе гармоничного сосуществования Социума и Биосферы, или иначе - осуществляться на принципах коэволюции.

Пути развития экономики, не разрушающей природу

Экологизация научно-технического прогресса должна обеспечить возможность согласованной эволюции природы и общества (принцип коэволюции).

Вхождение человечества и его хозяйства в глобальные и региональные биогеохимические циклы с поддержанием баланса на всех уровнях строения биосферы Земли.

Экономное использование энергетических ресурсов, уменьшение расходов энергии на единицу прироста продукции, получение энергии только от “чистых” источников, главным образом, солнечных, переход к мелким энергоустановкам - солнечным домам, малым ГЭС, транспортным средствам на солнечных батареях и пр.

Изменение системы коммуникаций, аудио- и видеосвязь вместо личных контактов, вместо автомобиля и самолета; способа накопления и передачи информации - миниатюрные носители вместо книг и газет (выпуск одной крупной газеты ежедневно требует уничтожения около 150 га леса).

Ресурсоэкономное производство, условно замкнутые и каскадные технологии, сводящие до минимума объем отходов.

Получение сельскохозяйственной продукции индустриальными методами, главным образом, в закрытом грунте; замена химических средств борьбы с вредителями биологическими методами. Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы). М.: Россия молодая, 1994 - 367 с.

Экологическое право

Развитие экологической функции государства и права приводит к формированию новой правовой общности, которая получает название экологического права.

Исторически система правового регулирования взаимодействия общества и природы подразделяется на четыре этапа: гражданско-правовой, земельный, земельно-ресурсный и экологический.

Экологическое право обладает всеми необходимыми признаками, которые характеризуют самостоятельные отрасли системы права.

Предметом экологического права являются общественные (экологические) отношения в области взаимодействия общества и природы.

Методы экологического права - способы воздействия на общественные отношения: административно-правовой (исходит из отношений власти и подчинения) и гражданско-правовой (основан на экономических инструментах регулирования).

При административном методе регулирования господствуют запретительные, предупредительные, управомочивающие нормы. Вместе с тем, в нынешних условиях все большее значение начинает приобретать экономический способ воздействия: влияние на охрану окружающей среды через материальный интерес. Содержание этого метода умещается в рамках гражданско-правового способа воздействия.

Таким образом, на современном этапе правовое регулирование со стороны экологического права представляет собой совокупность способов, сочетающих экономические методы с административно-правовыми средствами. Такое сочетание реализуется через систему нормативов, через экологизацию хозяйственно-правового и смежных отраслей законодательства, установление политических, экономических, юридических гарантий исполнения эколого-правовых требований. (Петров В.В. Экологическое право России. М., 1995).

Что мы можем сделать для сохранения жизни на Земле

Человечество - часть биосферы. Отступление от законов развития биосферы грозит гибелью человечеству. Чтобы выжить, нам следует изменить образ жизни, переоценить свои потребности. Нужно заменить стихийный процесс развития общества разумной общепланетарной стратегией выживания, в основе которой лежит принцип коэволюции (совместного и сопряженного развития) биосферы и цивилизации.

Разработка и реализация стратегии выживания потребуют создания соответствующей научной программы, объединяющей усилия естественных и гуманитарных наук. Сейчас - главное, чтобы люди осознали необходимость создания и осуществления такой программы.

Стратегия выживания должна перерасти в стратегию устойчивого развития. Эта стратегия будет касаться всех сфер жизни общества - технического развития, культуры, образования, формирования новой нравственности. Она потребует изменения системы общественных отношений с пересмотром шкалы ценностей. Потребуется создание также новой экономической науки, усиление роли государственного начала в управлении рыночной экономикой, пересмотр механизма ценообразования с учетом ущерба, наносимого последующим поколениям.

Основным элементом стратегии должен стать принцип планирования семьи. Если население планеты будет расти, то никакими мерами не удастся избежать экологической катастрофы.

Стратегия будет основываться на дальнейшем развитии науки и образования, так как только по настоящему интеллектуально развитое общество может выйти на режим коэволюции.

Процветание человечества возможно только в условиях процветающей биосферы. Человечество должно приспосабливать самое себя, свои потребности, свои общественные институты, социальную организацию к требованиям, которые предъявляет нам развивающаяся биосфера.

Человек, биосфера и космические циклы

Повторяемость в ходе и развитии природных процессов выражается в ритмичности приливов и отливов, смене дня и ночи, времен года, оледенений и отступлений ледников, колебаний уровня Мирового океана, горообразований, расцвете и вымирании видов, и цикличности Солнечной активности и колебаний урожая пшеницы, уловов сельди, интенсивности роста деревьев, эпидемий холеры, чумы, гриппа, смертности от инфарктов, нашествия грызунов, саранчи, появления комет, падения метеоритов, вспышек новых и сверхновых звезд.

Архивные материалы с точностью показали, что с 1735 по 1969 год наибольшее количество рысьих шкур и улова атлантического лосося повторяется через 9,6 года. Пик численности канадских сов, зайцев, куниц наблюдается с такой же периодичностью. Такие же интервалы характерны для урожая пшеницы в США и сердечных заболеваний в Новой Англии.

Оказалось, что в течение двухсот лет в США колебания цен на хлопок образуют регулярные циклы в 17,75 года.

Указатель крупных сражений свидетельствует о цикле в 11,2 года. Швейцарский астроном Р.Вольф нашел точное значение периода Солнечной активности - 11 и 1/9 года. Установлена связь этой периодичности с цикличность погодных явлений: температуры и давления воздуха, количества осадков и уровней рек и озер, динамика циклонов, ураганов, смерчей, бурь.

В большинстве районов мира особенно жестокие засухи повторяются с интервалом около 22 лет. (При переходе от одного 11-летнего цикла к другому полярность магнитного поля пятен в обоих полушариях Солнца меняется на противоположную, в связи с чем по изменению магнитного поля устанавливается 22-летний цикл.

Основатель гелиобиологии А.Л.Чижевский отмечал около трех десятков феноменов в органическом мире Земли, изменчивость которых во времени тесно связана с изменениями солнечной активности.

Возможной причиной солнечной циклов может быть влияние планет. Их обращение влияет на поверхность Солнца примерно так же, как притяжение Луны вызывает приливы и отливы не только в океане, но и в твердой оболочке Земли.

В 1965 году американский астроном П.Джозе отметил, что центр тяжести Солнечной системы не совпадает с центром Солнца. Следовательно, Солнце должно обращаться вокруг центра Солнечной системы с периодом 178,77 года. В результате вращения планет центр тяжести Солнечной системы непрерывно смещается, а Солнце неустанно стремится к нему. В результате несогласованных действий планет Солнце испытывает рывки, которые должны приводить к возникновению вспышек на Солнце и образованию пятен. Прогнозы, основанные на этой схеме, оказались поразительно точными.

Уже в глубокой древности было замечено, что время наступления приливов связано с положением Луны на небосводе, а их сила - с ее фазами.

Луне нужен почти месяц, чтобы совершить один оборот вокруг Земли. И дважды за это время Луна, Земля и Солнце оказываются почти на одно прямой. Тогда приливные волны от Солнца и Луны складываются и приливы бывают максимальными. А дважды в месяц, когда Солнце и Луна расположены по отношению к Земле почти под прямым углом, приливы минимальны, так как солнечный прилив вычитается из лунного, как бы частично его гасит.

Но Луна и Земля вращаются не по круговым, а по эллиптическим орбитам. Когда Луна находится в Земле ближе всего, в точке перигея, лунный прилив усиливается на 40 процентов.

Наклон плоскости лунной орбиты по отношению к плоскости орбиты Земли изменяется, и каждые 18,6 года эти плоскости совпадают, а прилив усиливается. При таком положении солнечные и лунные затмения случаются гораздо чаще. В Древнем Египте тайна цикличности солнечных затмений была разгадана и период 18,6 года был назва “Сарос”. Это позволило египетским жрецам предсказывать наступление затмений с большой точностью.

Через каждые 1800-1900 лет Луна, Земля и Солнце входят в полосу “свехсароса”. В это время не только совпадаюторбиты Луны и Земли, но Луна находится на своей орбите ближе всего к Земле, а Земля ближе всего к Солнцу. И тогда наступает эпоха наиболее сильных приливов.

Таким образом, приливы дают пример многослойной ритмичности с полусуточным, двух недельным, 18,6-летним и с 1850-летним периодами. Но что любопытно, с такими же периодами на Земле происходит множество других повторяющихся природных процессов.

С 1850-летним периодом наступают и отступают горные ледники в связи с изменением увлажненности, цветущие оазисы превращались в пустыни, а другие погребались ледниками.

Показано, что гораздо более часто землетрясения происходят в дни новолуния или полнолуния, когда Луна, Земля и Солнце находятся на одной прямой.

Ритмичность изменяется: На протяжении года Земля вращается неравномерно - в августе сутки самые короткие, в марте - самые длинные.

Продолжительность года возрастает, так скорость вращения Земли вокруг оси постепенно замедляется вследствие приливных эффектов.

Луна движется по слегка раскручивающейся спирали, все более удаляясь от Земли.

Чем все это закончится? Ответ на этот вопрос дал сын Ч.Дарвина -Д.Дарвин. Он рассчитал, что “раскручивание” Луны Землей будет продолжаться до тех пор, пока период оборота Земли вокруг оси не сравняется с периодом вращения Луны вокруг Земли. Произойдет это через много миллионов лет и тогда сутки на Земле будут длиться 1320 часов (или 1200 часов - по уточненным расчетам) - столько же, сколько и лунный месяц, а Луна станет видна только одному полушарию Земли.

Солнце находится недалеко от плоскости симметрии нашей Галактики и, двигаясь со скоростью 240 км/сек, совершает один оборот вокруг центра Галактики примерно за 200 млн лет. Этот период называется галактическим годом.

В ходе галактического года Солнце попадает в области с разной концентрацией звезд и, кроме того, находится то ближе, то дальше от центра Галактики. Все это должно сильно отражаться на активности Солнца, создавая мегаритмы, которую мы непосредственно заметить не можем.

Геологи установили, что наиболее серьезные изменения на Земле происходили с периодом 180-200 млн лет: крупнейшие эпохи горообразования, вымирание больших групп фауны и флоры, трансгрессии и регрессии океана, резкие климатические изменения.

Таким образом, от осознания и изучения механизмов глобальной взаимосвязи природных процессов мы переходим к пониманию взаимосвязей в космических, галактических масштабах. Изучение ритмичности природных процессов позволит прогнозировать события катастрофического характера.

Литература

1. Аксенов Г.П. Мир по Вернадскому/ Природа, 1992, 5

2. Алаев Э.Б. Решение демографической проблемы, или бег на месте/ Приро да, 1991, 4

3. Беккер А.А. Воздух Москвы. Природа, 1993, 8

4. Бибиков Д.И. Волк: и хищник, и жертва. Природа, 1996, 10

5. Биосфера, климат, ресурсы - что нас ждет?/ Природа, 1990, 7

6. Василенко И.Я. Биологическая опасность продуктов ядерного деления/Природа, 1995, 5

7. Виноградов М.Е., Шушкина Э.А. Биологическая продуктивность океана. Природа, 1996, 7

8. Воздействие человека на космос/ Природа, 1992, 8

9. Н.Н.Воронцов, Л.Н.Сухорукова. Эволюция органического мира. М.: Наука, 1996

10. В поисках глобальной стратегии выживания (Встреча за круглым столом в

11. Совете Федерации). Природа, 1996, 1

12. География экологических ситуаций. Природа, 1993, 11

13. Глазовский Н.Ф. Аральский кризис/ Природа, 1990, 10, 11

14. Дайсон Ф. Век двадцать первый/ Природа, 1991, 4

15. Добровольский Г.В., Куст Г.С. Деградация почвы - “тихий кризис плане ты”. Природа, 1996, 10

16. Дольник В.Р. Существуют ли биологические механизмы регуляции числен ности людей?/ Природа, 1992, 6

17. И вновь об Арале/ Природа, 1991, 10

18. Кароль И.Л. Атмосферный озон: современное состояние проблемы. Природа, 1993,5

19. Константинов В.М., Хохлов А.Н. Птицы на городских свалках/ Природа, 1991, 6

20. Корякин Ю.И. Сколько стоит Чернобыль/ Природа, 1990, 10

21. Красилов В.А. Всемирная стратегия охраны природы на 90-е годы/ Приро да. 1992

22. Международные экологические конвенции/ Природа, 1992, 12

23. Миркин Б.М. Устойчивые агросистемы: мечта или реальность. Природа, 1994, 10

24. Нельсон М. и др. “Биосфера-2”. Природа, 1993, 10

25. Никитин А.И. Современная репродуктивная стратегия/ Природа, 1991, 5

26. Ничипорович А.А. Человек как участник жизни на Земле/ Природа, Паршенков С.А. Промышленные загрязнения/ Природа, 1991, 5

27. Последствия глобального потепления/ Природа, 1992, 12

28. Постнов К.А. Земное эхо космических катастроф. Природа, 1996, 6

29. Проблемы города. Природа, 1993, 2

30. Проблемы города. Природа, 1993, 6

31. Прохоров Б.Б. Жизненная среда горожан. Природа, 1993, 3

32. Прошлое для будущего. Международный симпозиум “Эволюция экосистем”. По страницам тезисов. Природа, 1996, 2

33. Пуляркин В.А., Власова Т.К. Агроресурсы и продовольственная проб лема/ Природа, 1991, 7

34. Ростоцкий С.Б. Экологические проблемы на карте мира/ Природа, 1992, 6

35. Рютов Д.Д. Солнечная энергетика и тепловое загрязнение атмосферы/ При рода, 1990, 2

36. Скворцов А.К. Многообразие живого мира Земли и проблемы его сохране ния. Природа, 1996, 6

37. Следы Чернобыля в природной среде/ Природа, 1991, 5

38. Солнце и Земля. Природа, 1994, 9

39. Сывороткин В.Л. Дегазация Земли и разрушение озонового слоя. Природа, 1993, 9

40. Федонкин М.А. Биосфера: четвертое измерение/ Природа, 1991, 9

41. Четыре года после взрыва (Чернобыль)/ Природа, 1990, 11

42. Эйнор Л.О. Экологическая очистка воды/ Природа, 1992, 9

Тема 2.4. Основные концепции и перспективы биологии

Представления о сущности жизни с древнейших времен до наших дней. По преданию первым стал вскрывать животных, чтобы описать увиденное, Алкмеон (VI в. до н.э.) и наблюдал за развитием куриного эмбриона.

В телах природы Аристотель выделяет две стороны: материю и форму. Форма - причина и цель превращений. Принцип развития есть душа. Существуют души трех родов:

1) питающая,

2) чувствующая и

3) разумная.

Аристотель выделил 4 царства природы:

1 - неодушевленное - существует

2 - растительное - существует, размножается

3 - мир животных - существует, размножается, двигается

4 - мир человека - существует, размножается, двигается и мыслит

Наблюдая за эмбриональным развитием животных, Аристотель обнаружил, что это развитие является направленным и целесообразным. В результате он формулирует принцип энтелехии, согласно которому природа есть “самореализующаяся целесообразность”, а причиной развития является внутренняя цель. Это вывод справедлив для процессов индивидуального развития живых существ и не противоречит современной генетике развития.

Энтелехия Аристотеля не бессмертна. Она не существует вне тела. Так как тело смертно, то и душа смертна.

Согласно Эпикуру, душа, как и все тела природы, тоже состоит из атомов и вне тела не существует. Нет мирового разума, все в природе происходит по естественным причинам. Счастье состоит в наслаждениях духовных и материальных и его следует искать в земной жизни, так как потусторонней жизни не существует.

Клавдий Гален (130-200), врач, анатом и физиолог полагал, что каждый орган человеческого тела был создан богом в наиболее совершенной форме и в предвидении той цели, для достижения которой этот орган предназначен. Таким образом, целесообразность живого получает теологическое объяснение.

Теология определяет и средневековые воззрения на природу. Мир создан богом, он - реальное воплощение его идей. Если для человека античной эпохи природа - действительность, то для средневекового - лишь символ божества. Помимо этого несовершенного мира вещей существует мир трансцендентный.

По Декарту (1596-1650) существуют две самостоятельные, независимые друг от друга субстанции: материальная с атрибутом протяженности, и духовная с атрибутом мышления. Оба начала подчинены третьему - богу. Природа, в том числе живая, огромный механизм. Организмы - автоматы, машины. Психические функции - реакции таких механизмов на внешние воздействия. Человек отличается наличием духовной субстанции, образующей разумную душу.

Лейбниц (1646-1716) также считал, что мир физический и мир психический автономны, но находятся в гармонии, причиной которой есть Бог.

Спиноза (1632-1677) утверждал, что Природа не знает цели. Она существует по необходимости. Нельзя спрашивать, для чего существуют вещи, можно спрашивать, почему они существуют так, а не иначе.

И все же для каждого думающего человека вопрос “для чего” актуален, интересен, имеет смысл и нуждается в ответе.

В 17-18 веках живые организмы рассматривались по аналогии с механизмами. У Ламеттри этот подход отражен в названии его книги “Человек-машина” (1747). Гораздо позднее В.Ру (1850-1924) в своей книге “Механика развития” утверждал: организм - механическая сумма его частей.

Так сформировалось направление в естествознании, которое получило название механицизм. Механицизм заключается в стремлении все явления жизни объяснить законами механики.

В 19 веке появляется критическое отношение к механицизму: жизнь не может быть понята с точки зрения действия механизмов. Организм есть целостность, а не конгломерат частей.

Кант (1724-1804) приходит к выводу, что жизнь и ее законы принципиально непознаваемы, специфичность явлений жизни дает опору телеологии, а следовательно, и религии; жизнь является прекрасным примером непознаваемой “вещи в себе”.

Гегель (1770-1831): природа есть продукт абсолютного духа, находящегося в процессе диалектического саморазвития. Развиваясь, абсолютный дух обнаруживает себя, становится природой. Поднявшись до той ступени развития, которая называется человеком, всемирный дух возвращается к самопознанию. Природа есть неполное отображение духа. Человек - высшая форма, в которой проявляется абсолютный дух. В организме идея полагает себя как цель, и только понятие цели раскрывает сущность органического.

По крайней мере три положения здесь не вызывают сомнения: саморазвитие, самопознание и целесообразность.

По Гете (1749-1832) вопрос о цели, вопрос “зачем” - не научен; значительно дальше продвигает нас вопрос как. Таким образом, Гете ставит вопрос о причинном объяснении и происхождении целесообразности органического мира.

Шеллинг (1775-1854) говорил о необходимости физико-химического объяснения жизни. Однако сущность жизни, по его мнению, необъяснима на этом пути.

Спенсер (1820-1903) : “...жизнь, как деятельное начало, неизвестна и не может быть познана... Хотя ее проявления и доступны нашему пониманию, но проявляющаяся в них сущность не может быть постигнута мыслью”. По мнению Спенсера, “жизнь можно определить как постоянное приспособление внутренних отношений к отношениям внешним”, причем живое отличается от неживого целесообразной реакцией на воздействия внешних условий.

В середине 19 века немецкий физик Р.Клаузиус пришел к выводу:”Энтропия Вселенной стремится к максимальному значению”. Это означает, что во Вселенной имеется тенденция к неупорядоченности, т.е. к состоянию равновесия, при котором все дальнейшие изменения устраняются.

В мире живых организмов этого не происходит. В течение миллиардов лет эволюции наблюдается постепенное усложнение организации. Живым существам присуща пространственная и функциональная организация, которую они способны поддерживать.

Г.Дриш (1908): органическое целое больше суммы его частей, после сложения частей обнаруживается некий остаток, в котором как раз и заключена сущность жизни, не улавливаемая путем рассмотрения организма как механической системы (Дриш использует понятие “энтелехии”, которая означает способность образовывать форму, которая отлична от материи).

В работах Дриша в наиболее полной форме проявился витализм, в основе которого лежит принцип несводимости явлений жизни к силам и законам неорганического мира. Витализм утверждает, что в живых телах присутствует особый фактор, которого нет в неживом, например, жизненная сила, душа и т.п.

Сильной стороной витализма была критика механистических представлений о биологической причинности. Ряд феноменов, которые витализм считал специфическими для биологических объектов (способность к саморегуляции, усложнение строения, достижение одного результата разными способами) рассматриваются в современном естествознании как типичные проявления процессов самоорганизации любых достаточно сложных систем, а не только живых.

Н.Бор: “ни один результат биологического исследования не может быть однозначно описан иначе как на основе понятий физики и химии”, но с другой стороны, жизнь есть “основной постулат биологии, не поддающийся дальнейшему анализу”. Физико-химические методы оказываются дополнительными по отношению к биологическим, они не противоречат друг другу, но оказываются принципиально несовместимыми, взаимоисключающими.

С этим согласен выдающийся генетик и эволюционист ХХ века Т.Добжанский: молекулярная и организменная биология дополнительны.

Э.Шредингер: “Что такое жизнь? С точки зрения физика” (1972) -предпринял попытку с помощью методов новой физики описать явления жизни. Г.Меллер и Дж.Б.С.Холдейн, критикуя ряд положений Шредингера, отмечают плодотворность его идей и подходов для биологии, изучения физико-химических основ жизни.

Л.Берталанфи (1901-1972) поставил задачу обосновать понимание жизни, которое - в противоположность механицизму - улавливает органическую целостность, однако - в противовес витализму - делает ее доступной естественнонаучному изучению (жизнь есть системное свойство).

И.Пригожин: постановка биологической проблемы подверглась изменению как в связи с собственным развитием биологии, так и в связи с нынешним обновлением физики. Цель: объяснить, каким образом закономерный и беспорядочный мир физики может создавать биологический порядок. В 1977 году Пригожин получил Нобелевскую премию за работы в области самоорганизации необратимых процессов.

(И.Т.Фролов. Жизнь и познание. М.: Мысль, 1981.) Вместе с теорией самоорганизации складывается новая парадигма в естествознании, которая предполагает выявление оснований нелинейных моделей и концепций не только в физике, но и в биологии. Нелинейные модели предполагают включение временных параметров в исследование.

Классическая физика основывалась на методологическом принципе суперпозиции, т.е. на предположении, согласно которому результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности и не влияющих друг на друга.

Современная физика все более и более имеет дело с нелинейными системами, где принцип суперпозиции уже не действует (например, в теории тяготения Эйнштейна, в теории колебаний, в нелинейной оптике, нелинейной акустике, в нелинейных теориях поля).

Биология же с самого начала имела дело с нелинейными системами, построенными совершенно иначе, чем суммативные системы, где каждый отдельный эффект опосредован целостностью организма, популяции, биосферы, а результирующий эффект не может быть представлен в качестве суммы эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности, поскольку каждое из них сопряжено с целым. (Биология в познании человека. М.: Наука, 1989).

Т.Уотермен: о необходимости синтеза “новой” и “старой” биологии. Если такой синтез удастся осуществить, то мы можем предсказать, что за веком физики в науке последует век биологии - век грандиозной революции в науке о живом, в котором понимание жизни, роста, эволюции и самого человека с его поведением...”

Раздел 3. ЭВОЛЮЦИОННО-СИНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПАРАДИГМА: ОТ ЦЕЛОСТНОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ К ЦЕЛОСТНОЙ КУЛЬТУРЕ

Тема 3.1. От “Бытия” к “Становлению”

Формирование эволюционного естествознания. Историко-философские аспекты современной естественно-научной картины мира

Огромен и разнообразен окружающий нас мир природы. Каждый человек пытается познать этот мир и осознать свое место в нем. Чтобы познать мир, мы из частных знаний пытаемся создать общее - научную картину мира. Содержанием ее являются основные идеи наук о природе, определяющие стиль научного мышления на данном этапе развития науки и культуры (!)

В каждый период развития человечества формируется научная картина мира, которая отражает объективный мир с той точностью и адэкватностью, которую позволяют достижения науки и практики. Кроме того, картина мира содержит гипотезы и предвидения.

Ядром естественно-научной картины мира служит картина мира лидирующей на данном этапе развития науки.

Начало развития научных представлений о мире восходит к VII-VI вв. до н.э. В это время природа исследовалась силой ума, а опыты игнорировались. Научные обобщения строились на начальных наблюдениях, в красочных картинах мира было много наивного, часто рядом с реальным отражением действительности в них уживался вымысел.

Основатель античной атомистики Демокрит полагал, что “начала Вселенной суть атомы и пустота”. Атомы Демокрит представлял как неделимые, плотные, непроницаемые, не содержащие в себе никакой пустоты частицы. Атомы “вихрем несутся во Вселенной и порождают все сложное -огонь, воду, воздух, землю. Демокрит и другие греческие атомисты считали, что движение - вечное свойство вечных атомов. Атомы бескачественны, т.е. лишены цвета, вкуса, запаха и т.д.

Мир в целом для атомистов - беспредельная пустота, наполненная многими мирами, число которых бесконечно. Земля одинаково удалена от всех точек области космоса, а поэтому неподвижна; вокруг нее движутся звезды.

Мир - это непрерывно движущиеся атомы и молекулы. Но как связать гармонию окружающего мира с хаотическим тепловым движением молекул? Как возникает красота?

Джон Холл (XVII): “Если то, что мы называем Вселенной, случайно зародилось из атомов, которые неутомимы в своем вихревом движении, то как случилось, что ты так прекрасна, а я влюблен?”

Для античных философов мир был подобен целостному организму, за многообразием его проявлений они видели некое упорядоченное начало. Слово “космос”, вошедшее в науку того времени, означало “упорядоченность”.

У Платона идея и материя в одинаковой мере суть начала, и, хотя материя по сравнению с идеей представляет низшую ступень бытия, обе равно необходимы для создания мира. Исходя из оппозиции “идея-тело”, Платон определяет материю как “то, в чем” возникает чувственное подобие умопостигаемого образца. В “Тимее” картина вечно сущего умопостигаемого космоса как парадигмы (образца) для вечно становящегося чувственно воспринимаемого космоса дополняется фигурой ума-демиурга, объединяющего оба мира с помощью мировой души (ФЭС, 1983).

Мир Аристотеля состоит из пяти стихий (+ эфир). Эфир заполняет все пространство, он вечен, не меняется и не превращается в другие элементы.

Вселенная Аристотеля конечна, ее ничто не объемлет, вне ее находится только перводвигатель - бог. Бог Аристотеля безличный, он есть чистый деятельный разум.

Основное положение механики Аристотеля: “Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие...” Аристотель не увидел проявления инерции в окружающем мире и заставил бога денно и нощно вращать небосвод.

Плотин (204/205-270) толкует Платона и на основе ряда платоновских текстов строит некое подобие системы. Чувственный космос противопоставляется умопостигаемому, посредствующим звеном между ними признается мировая душа. Новым у Плотина явилось учение о первоначале всего сущего, едином, которое само выше сущего. При этом последовательность ум -душа - космос, т.е. вся сфера бытия оказывалась только проявлением, осуществлением первоначала, тремя его ипостасями: ум и душа - осуществление единого в вечности, космос - во времени.

Материя у Плотина - бестелесный неаффицируемый субъект. Материя провоцирует высшее к переходу в низшее. Она - зеркало, отражаясь в котором высшее порождает низшее в качестве своего подобия.

Универсум Плотина статичен. Всякая низшая ступень в нем рождается от высшей, причем высшая вечно остается неизменной и, порождая, не терпит ущерба. Космос вечно вращается круговым вращением и в подлунной части его вечно чередуются возникновение и гибель.

Плотин оказал огромное влияние на последующее развитие философии. Рене Декарт первый после Аристотеля взялся за создание единой картины мира (“Начала философии”, 1644).

XIV-XVIII века - время расцвета механической картины мира, что связано с примитивным производством, которое имело дело в основном с механическим движением.

Вселенная Ньютона состоит из движущихся тел и пустоты. Пространство в ней только вместилище тел, а время - длительность процессов. Вселенная бесконечна в пространстве и времени и неизменна со дня творения. Как она образовалась? На этот вопрос Ньютон не отвечает. Чтобы привести Вселенную в движение, Ньютону понадобился “первый толчок”. Здесь сфера деятельности бога сужается. Ведь у Аристотеля бог должен был постоянно крутить небосвод.

Первый кирпичик в фундамент эволюционной картины мира был положен Иммануилом Кантом с выходом его “Всеобщей естественной истории и теории неба” в 1755 году. (Тезис Канта: “Имей мужество пользоваться своим умом”). Кант имел мужество выступить против царившего в науке представления о неизменности окружающего мира.

Лиссабонское землетрясение (1775 г., 60 000 погибших) способствовало крушению иллюзий о вечной гармонии природы, созданной творцом на вечные времена.

И.Кант (1781) в “Критике чистого разума”, пытаясь проникнуть в глубь истории с ее картинами ужасающей жестокости, бесчеловечности, глупости, ставит вопрос:”Как весь этот видимый хаос совместить с понятием прогресса?” - и приходит к выводу, что суетное на одном системном уровне оказывается закономерным на другом. Природные задатки человека, его разум развиваются не в индивиде, а в роде. Род людской развивается в направлении прогресса, несмотря на отдельные “вывихи”. Источником естественного развития Кант считает борьбу.

Кант: “...Дайте мне материю, и я покажу вам, как из нее должен образоваться мир. Но... в состоянии ли мы сказать: дайте мне материю, и я покажу вам, как можно было бы произвести гусеницу?”

Происхождение и развитие живых существ продолжали оставаться удивительными тайнами природы.

Каспар Вольф (1759) в диссертации “Теория генерации” доказал, что индивидуальное развитие живых существ происходит путем эпигенеза. Предшественником Вольфа можно считать Аристотеля. Аристотель первым увидел в эмбриональном развитии новообразование из “бесформенной” материи. Но он не мог ответить на вопрос, почему из эмбриона курицы всегда появляется курица, а не какое-либо другое существо.

Сторонники преформизма искали внутреннюю “модель”, вещественный чертеж организма, который сам способен к росту, и отрицали развитие с новообразованием. При этом они не могли объяснить явления регенерации, тератогенеза. Эпигенез мог ответить на эти вопросы, но он допускал существование некоей жизненной или формирующей организм силы, которую, однако, найти не могли.

Современная биология развития установила, что индивидуальное развитие представляет собой преформированный эпигенез: ход онтогенеза запрограммирован (предопределен) генотипом.

В 1809 году французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк (17441829) издал свой главный труд “Философия зоологии”, в которой изложил первую концепцию биологической эволюции. Согласно его концепции органический мир Земли является результатом длительного прогрессивного развития. Биологическая эволюция включает усложнение или повышение уровня организации (“развитие от простого к сложному” или принцип градации) и возникновение частных приспособлений к различным условиям среды в пределах каждой ступени градации в результате наследования “благоприобретенных признаков” (которые современной генетикой признаются ненаследуемыми).

Ламарк впервые в истории науки высказал предположение о происхождении человека от “четвероруких”, т.е. приматов. Общая характеристика биологической эволюции у Ламарка оказалась верной, но причины ее вскрыть ему не удалось.

С этой задачей справился позже английский естествоиспытатель Чарлз Дарвин (1809-1882) в своей главной книге “Происхождение видов” (1859). Основная заслуга Дарвина - концепция естественного отбора, основанного на наследственной изменчивости и борьбе за существование.

Книга Дарвина нанесла серьезный удар по креационизму и совершила настоящий переворот в области биологии. Однако ее значение вышло за пределы естествознания, так как она затрагивала многие морально-этические проблемы. В 1871 году Дарвин издал книгу “Происхождение человека и половой отбор”, в которой доказал родство человека с приматами и вскрыл причины и закономерности антропогенеза.

Позже Ф.Энгельс внес дополнения в теорию антропогенеза, сделав акцент на роли трудовой деятельности в процессе превращения обезьяны в человека. И, наконец, XX век принес неоспоримые и обильные палеонтологические данные, подтверждающие естественное происхождение человека от высших приматов.

Революция, совершенная Дарвином в 1859 г., - возможно, наиболее фундаментальная из всех интеллектуальных революций в истории человечества. Она не только уничтожила антропоцентризм, но и затронула все метафизические и этические понятия (Э.Майр. Смена представлений, вызванная дарвиновой революцией. Из истории биологии, вып. 5. М.: Наука, 1975, 3-25). Период с 1800 г. до середины столетия был свидетелем величайшего расцвета в Великобритании естественной теологии. Выискивать дополнительные доказательства мудрости и постоянного внимания Творца стало нравственным долгом ученого. (Агассис: “Наша задача ... завершается, как только мы доказали Его существование”).

Мир считался созданным в 4004 г. до н.э. и неизменным (современный пример - фильм “Происхождение”). Лестница существ - часть божественного плана - объясняла более высокую и более низкую организацию животных, а всемирный потоп - существование ископаемых форм. Все сделано согласно плану. Поскольку виды неизменны, то все, что их касается, -область распространения, приспособления против конкурентов и врагов и даже время вымирания - было заранее определено, т.е. предопределено.

В результате дарвиновой революции представление о мире, созданном в один миг, было заменено понятием о постепенно развивающемся мире, в котором человек является частью эволюционного потока.

Дарвинова революция потребовала не просто замены одной научной теории другой, а в сущности отказа от основных широко распространенных убеждений. Она вызвала значительно большие последствия за пределами науки, нежели любая революция в области физики.

Теория относительности Эйнштейна и теория Гейзенберга едва ли могли оказать какое-нибудь влияние на чьи-либо личные убеждения. Революция, совершенная Коперником, и взгляд Ньютона на мир требовали известной ревизии традиционных убеждений. Но ни одна из этих теорий не подняла так много вопросов, относящихся к религии и этике, как дарвинова теория эволюции посредством естественного отбора.

Дарвин, приступая к созданию своей эволюционной теории, был уже убежденным материалистом. Это доказано американцами Говардом Грубером и Полом Берретом в книге “Дарвин о человеке” (1974). Авторы в записных книжках Дарвина 1837-1839 г.г. нашли следующие высказывания:

“Чтобы избежать выяснения, насколько я убежден в материализме, скажу только, что чувства, инстинкты, степени таланта, которые наследственны, являются такими потому, что мозг ребенка похож на родительскую конструкцию. Дух есть функция тела”. В механической картине мира Вселенная представляется как механическое соединение частей. С именем Фарадея связано формирование электродинамической картины мира. А с 1910 года в науку начинают входить квантовые представления о корпускулярно-волновом дуализме элементарных частиц и наступает время новой, современной картины мира.

Для науки нашего времени мир, как и в древние времена, - это единое органическое целое.

Тема 3.2. Принципы синергетики, эволюционная триада и системный подход

Согласно общей теории систем (Л. фон Берталанффи): Система - совокупность взаимодействующих элементов, объединенных в целое выполнением некоторой общей функции, несводимой к функциям ее компонентов.

Система:

1) взаимодействует со средой как целое;

2) состоит из подсистем более низкого уровня;

3) сама является подсистемой для систем более высокого уровня;

4) сохраняет общую структуру взаимодействия элементов при изменении внешних условий и внутреннего состояния.

Редукционизм - стремление сложное свести к простому, сложное объяснить через простое, способ сведения сложного к анализу явлений более простых, который является мощным средством исследования.

Это - метод мышления. Идеология редукционизма столь глубоко пронизала все физическое мышление, что большинство физиков глубоко убеждены, что все свойства макроуровня уже закодированы в моделях микроуровня.

Редукционизм в физике порождает ряд важных исследовательских программ. Одна из них, может быть, самая важная в современной теоретической физике, способная открыть совершенно новые горизонты познания, посвящена единой теории поля и включения гравитации в общую систему взаимодействий.

К числу подобных программ относятся и исследования И.Пригожина и его школы, посвященные проблеме “стрелы времени”.

Необратимость времени - это экспериментальный факт, который мы фиксируем на макроуровне. Но является ли необратимость времени особым свойством макроуровня или она оказывается следствием свойств микроуровня, который описывается квантовой механикой? Этот вопрос затрагивает самые глубинные слои познания. Н.Моисеев полагает, что ответ должен быть отрицательным. Дело в том, что основное уравнение квантовой механики - уравнение Шредингера - инвариантно относительно направления времени. И у нас нет оснований сомневаться в его справедливости. Вполне допустима мысль о том, что на квантово-механическом уровне нет “стрелы времени”. Там царствует обратимость, и замена знака времени на обратный ничего не меняет в характере процессов, протекающих на этом уровне.

Интересна судьба редукционизма в биологии, который выразился в стремлении объяснить процессы, протекающие в живом веществе, только законами физики и химии. Многие факты действительно получили свое относительно простое объяснение в рамках редукционизма, например, явления наследственности, поэтому влияние редукционизма в биологии оказалось весьма значительным.

Бертран Рассел, кажется, сказал однажды, что, как это ни удивительно, но все свойства живого вещества можно будет предсказать однажды, ибо они однозначно определяются особенностями электронных оболочек атомов, в него входящих.

Работы М.Эйгена представляют собой попытку объяснить процессы, протекающие в живом организме, законами физики и химии.

Тем не менее, биология не принимает положения о том, что свойства системы однозначно определяются свойствами ее элементов и структурой их связей. Тем более это положение не может быть принято науками об обществе. Более верным является представление о том, что при объединении элементов происходит образование новой структуры, обладающей специфическими качествами. В процессе сборки возникают новые системные свойства, не выводимые из свойств объектов более низкого уровня.

Развитие нашего мира на всех его уровнях представляется в форме некоторого процесса непрерывного возникновения (и разрушения) новых систем с возникновением новых свойств, нового качества.

О направлении самопроизвольных процессов

Теория устойчивости термодинамических систем носит в основном качественный характер.

Положение монеты, лежащей на столе, устойчиво; стоящей на ребре -неустойчиво.

Каждая термодинамическая система подвержена самопроизвольным возмущениям, или флуктуациям. Если система устойчива, флуктуации затухнут, и энтропия примет первоначальное значение. Напротив, если первоначальное состояние неустойчиво, любая флуктуация приобретает макроскопические размеры и движет систему в совершенно новое состояние.

Неустойчивость может быть следствием флуктуаций любого термодинамического параметра.

Линейная область термодинамики необратимых процессов характеризует состояния, близкие к состоянию равновесия. Стационарные состояния таких процессов характеризуются минимальной скоростью производства энтропии, что обеспечивает устойчивость стационарных состояний вблизи равновесия.

В области линейности неравновесных состояний критерии устойчивости и эволюции тесно связаны. Судьба системы будет раз и навсегда предопределяться наложением не зависящих от времени граничных условий.

Для нелинейной термодинамической системы функция кинетического потенциала не может быть установлена. Неравновесные состояния не могут устоять перед натиском флуктуаций, поскольку они не имеют никакого механизма, который способствовал бы устранению этих флуктуаций. Они могут усиливаться и тем самым коренным образом изменять поведение системы.

Критерий устойчивости систем, далеких от равновесия

Об устойчивости неравновесных стационарных состояний вдали от равновесия можно судить по знаку избыточного производства энтропии: если знак отрицательный, система неустойчива, и, наоборот, положительный знак указывает на то, что стационарные состояния асимптотически устойчивы.

В настоящее время известно много примеров неустойчивых нелинейных систем, которые играют решающую роль в понимании динамических свойств материи, необычного характера протекания химических реакций, организации биологических систем и даже некоторых сторон жизни сообществ - от бактерий до человека.

Некоторые примеры неустойчивых, далеких от равновесия стационарных состояний:

Конвективная неустойчивость Бенара (1900). Слой жидкости между двумя горизонтальными пластинками с разной температурой. При пороговом значении разности температур появляются устойчивые конвективные ячейки, имеющие форму роликов. Соседние ролики вращаются в противоположных направлениях. При достижении нового порогового значения скорость образования и температура ячеек начинает периодически изменяться с постоянной частотой и предсказуемым образом.

Неустойчивость по Тейлору - жидкость между двумя концентрическими цилиндрами, причем внутренний вращается.

В обоих случаях бесформенная жидкость самопроизвольно организуется в форму роликов или шестигранников или же в слоистые структуры. Примечательно, что такая организация является следствием рассеяния энергии системы при сохранении неравновесности за счет постоянного притока притока энергии из внешней среды. Как только приток энергии прекращается, система возвращается к исходному состоянию.

Порядок и энтропия

Во многих отношениях классическое термодинамическое описание биологических явлений часто оказывалось несостоятельным. Самая существенная черта биологических систем - временной и пространственный порядок. Кроме того, биологическая упорядоченность, по-видимому, является внутренней сущностью данного организма, и он индивидуально и специфически отвечает на внешние раздражители, в то время как упорядоченность равновесного состояния неживых систем предопределена внешними условиями.

Открытие природы неустойчивости стационарных состояний систем, далеких от термодинамического равновесия, послужило основой понимания спонтанного возникновения процессов, которые приводили к ярко выраженной пространственно-временной организации физико-химической системы.

Таким образом, критерий устойчивости - это мост между физико-химическими системами и биологической организацией.

Большинство химических реакций протекает вдали от термодинамического равновесия и устойчивости стационарного состояния могут угрожать автокаталитические стадии. В этом случае срабатывает механизм обратной связи, когда продукт реакции участвует в синтезе самого себя.

Биохимические системы включают в себя длинную цепь из многих тысяч биохимических реакций. Их главная особенность состоит в наличии ферментативного катализа и механизмов обратной связи. Кроме того, живые организмы представляют собой открытые системы, они проявляют черты диссипативных структур.

Развитые П.Гленсдорфом и И.Пригожиным критерии эволюции и устойчивости неравновесных систем примирили живой мир с термодинамической теорией. Как только ученые убедились, что нет никакого противоречия между законами макроскопической физики, свойствами самоорганизации материи и биологическими функциями, для исследования этих процессов открылись новые пути.

Кооперация на молекулярном уровне лежит в основе нескольких типов надмолекулярной организации материи. Такая организация материи проявляется самопроизвольно как неотъемлемое свойство любой данной химической реакции в отсутствие каких бы то ни было организующих факторов. Таким образом, мы можем говорить о самоорганизации гомогенной материи. С другой стороны, для такой самоорганизации требуется постоянный приток и отток вещества и энергии, и поэтому мы также говорим о диссипативных структурах.

Описание процесса самоорганизации материи - эволюции Вселенной опирается на два постулата:

1) материя обладает свойством саморазвития -принцип синергизма и

2) Вселенная возникла 15-20 млрд лет назад -принцип начала.

Эволюция Вселенной представляет собой грандиозную панораму возникновения их хаоса все новых систем разной временной и пространственной протяженности. Эти образования далеки от равновесия, квазистабильны и, разрушаясь, снова возвращаются в хаос, давая материал для новых квазистабильных образований.

Для любых достаточно сложных систем, как и для общего мирового процесса развития характерны два свойства: 1) принципиальная неустойчивость - два близких начальных состояния могут порождать совершенно различные траектории развития; 2) принципиальная стохастичность - непредсказуемость внешних воздействий. Эти свойства характеризуют хаотичность.

Указанные свойства порождают закон дивергенции, следуя которому процессы развития приводят к фантастическому разнообразию форм организации материи.

Еще одно свойство развития - направленный характер: происходит непрерывное усложнение организации. Этот феномен развития, как и тесно с ним связанную ассиметрию времени, мы до сих пор не можем обосновать, принимая лишь как “эмпирическое обобщение”.

Еще одно эмпирическое обобщение - жизнь существует, во всяком случае на Земле, где она однажды возникла. Возникновение жизни - естественный этап саморазвития Земли.

Переход от неживого к живому - один из этапов процесса самоорганизации материи.

Появление жизни изменило характер эволюции географической оболочки Земли. Граниты, гнейсы, песчаники - результат взаимодействия биогеохимических и тектонических процессов. Изменился состав гидросферы и атмосферы.

Царство прокариотов продолжалось около 2 млрд лет. Они насытили атмосферу кислородом. Им на смену пришли эукариоты, которые отличались более эффективным использованием энергии, с чем связана их способность к более быстрой эволюции и к самосовершенствованию. Появление эукариотов - грандиозная перестройка биосферы.

Возникновение разума - столь же загадочная перестройка процесса развития мира, как и возникновение жизни. Наш мозг породил способность познавать самого себя, видеть себя со стороны, познавать окружающий мир и задумываться над тайной своего происхождения.

Благодаря появлению разума возникает общество как совокупность индивидуумов, личностей, способных к совместному труду и творчеству в материальной и духовной сфере.

История человека включена в историю биосферы. Развитие человеческого общества - такой же естественный процесс, как формирование галактик и развитие вируса.

Таков, по Н.Моисееву, эскиз единого процесса самоорганизации (процесса синергизма), протекающего в нашей Вселенной.

Механизмы эволюции

Единый процесс развития охватывает неживую природу, живое вещество и общество - три уровня организации материального мира - три звена единой цепи. Необходимо создание единого языка для описания этого единого процесса развития. В основу такого языка может быть положена дарвиновская триада: изменчивость, наследственность и отбор, но содержание этих понятий должно быть расширено.

Изменчивостью можно назвать любые проявления стохастичности и неопределенности. Неопределенность и стохастичность - объективная реальность нашего мира, которая проявляется в контексте необходимости, т.е. законов.

Случайность и неопределенность - характеристики всех процессов, протекающих в неживой природе (турбулентность, броуновское движение), в живой природе (мутагенез), в обществе (конфликты).

Изменчивость создает поле возможностей, из которого возникает многообразие процессов и организаций. Она вместе с тем служит и причиной их разрушения. Такова диалектика самоорганизации (синергетики).

Стохастичность и неопределенность в повседневной жизни людей проявляются в неоднозначности отображения реального мира в своем сознании, в неопределенности поведения и реакций на воздействия окружающего мира.

Второй фактор - наследственность. Этим термином можно обозначить не только способность сохранять свои особенности, но и изменяться от прошлого к будущему, способность будущего зависеть от прошлого. Наследственность отражает влияние прошлого на будущее. Будущее определяется прошлым в силу стохастичности неоднозначно.

Отбор - третье и самое трудное понятие триады. Недавно было открыто и изучено явление, получившее название “странный аттрактор”. Оказалось, что траектории многих детерминированных динамических систем могут полностью заполнять некоторый фазовый объем: в любой окрестности любой точки этого объема всегда будут находиться точки, принадлежащие траектории одной и той же системы, порожденные одним и тем же начальным состоянием. Более того, этот объем будет притягивать и остальные траектории системы.

Движения таких систем характеризуются высшей степенью неустойчивости: две любые сколь угодно близкие точки будут порождать совершенно различные траектории. Принцип Адамара “малым причинам должны отвечать малые следствия”, который долгое время играл важную роль в математической физике, теперь приходится пересматривать.

Траектории систем, обладающих “странным аттрактором”, несмотря на то, что они описываются вполне детерминированными уравнениями, подобны траекториям, порождаемым случайными причинами. Они хаотичны, их развитие невозможно прогнозировать.

Может быть, неустойчивости, порождающие хаос и неупорядоченность, -это естественное состояние материи, ее движения, на фоне которого лишь как исключения возникают более или менее стабильные образования? Может быть только эти образования мы и можем наблюдать, а все остальное происходит без свидетелей?

В этом случае принципами отбора можно назвать причины, которые приводят к существованию устойчивых образований в нашем нестабильном мире.

Наш опыт показывает, что кажущийся хаос случайностей рождает нечто определенное и закономерное. Законами природы мы называем те связи между явлениями природы, которые мы можем установить эмпирически или средствами логического мышления. Эти связи определяют процессы самоорганизации нашего мира.

В механике со времен Мопертюи и Лагранжа принято говорить о виртуальных движениях или множествах возможных движений, которые могут порождаться любыми произвольными, в том числе “случайными” причинами. Значит, уже в XVIII веке было понято, что изменчивость предоставляет природе целое поле возможностей, из которых отбирается лишь некоторая совокупность, удовлетворяющая некоторым специальным условиям (принципам отбора). Было установлено, что реальные движения отбираются из множества виртуальных с помощью законов Ньютона, которые и являются простейшими принципами отбора (концепция фильтра).

Принципами отбора являются все законы сохранения, законы физики и химии, второй закон термодинамики, в экономике - условия баланса.

Особую роль в мировом эволюционном процессе играет принцип минимума диссипации энергии: если допустимо не единственное состояние системы, а целая совокупность состояний, согласных с законами сохранения и связями, наложенными на систему, то реализуется то состояние, которому отвечает минимальное рассеивание энергии, или, что то же самое, минимальный рост энтропии.

Этот принцип следует рассматривать как эмпирическое обобщение. По своей формулировке он похож на принцип минимума потенциала рассеяния Л.Онсагера и принцип минимума производства энтропии И.Пригожина.

Н.Моисеев полагает, что принцип минимума диссипации энергии есть частный случай значительно более общего принципа “экономии энтропии”. Представляется справедливой следующая гипотеза. Если в данных условиях возможны несколько типов организации материи, согласующихся с другими принципами отбора, то реализуется та структура, которой отвечает минимальный рост (или максимальное убывание) энтропии. Поскольку убывание энтропии возможно только за счет поглощения внешней энергии и вещества, реализуются те из мысленно возможных (виртуальных) форм организации, которые способны в максимальной степени поглощать внешнюю энергию и вещество.

Этот принцип отбора Н.Моисеев называет обобщенным принципом диссипации.

Существует, по крайней мере, два класса механизмов эволюции. К первому можно отнести адаптационные механизмы - дарвиновские механизмы естественного отбора, действующие не только в биологии, но и в физике, химии, технике и обществе. Адаптация или самонастройка обеспечивает развивающейся системе стабильность в конкретных условиях. Изучая эти условия можно предвидеть тенденции в изменении параметров системы (пример - селекция). Пути развития системы ограничиваются каналом эволюции, установленным природой, и в этом случае путь развития предсказуем с некоторой точностью.

Другой тип механизмов эволюции справедлив для систем, обладающих пороговыми состояниями, переход через которые ведет к резкому, качественному изменению протекающих в них процессов - к изменению их организации (пример: переход ламинарного течения в турбулентное с ростом расхода жидкости).

Очень важно при этом следующее: переход системы в новое состояние в пороговой ситуации неоднозначен, так же как и характер ее новой организации, то есть после бифуркации существует целое множество возможных структур, в рамках которых будет в дальнейшем развиваться система. И предсказать заранее, какая из этих структур реализуется, нельзя в принципе, ибо это зависит от тех неизбежно присутствующих случайных воздействий - флуктуаций внешней среды, - которые в момент перехода через пороговое состояние и будут определять обор.

Эта особенность пороговых (бифуркационных или катастрофических) механизмов играет особую роль в развитии нашего мира. Неопределенность будущего и есть главная особенность второго типа механизмов эволюции. Она есть следствие того, что будущее состояние системы при переходе ее через пороговое значение определяется флуктуациями, которые присутствуют всегда.

При переходе через бифуркационное состояние система как бы забывает (или почти забывает) свое прошлое. И в силу вероятностного характера перехода через это пороговое состояние обратного хода эволюции уже нет. Время, как и эволюция, приобретает направленность и необратимость.

Механизмы бифуркационного типа заставляют реабилитировать, в известной степени, теорию катастроф Ж.Кювье. Не только дарвиновское постепенное изменение видов характерно для эволюции жизни, но и быстрые перестройки. Дарвин или Кювье - такой вопрос неправомочен. И Дарвин, и Кювье - так правильно.

Катастрофические состояния биосферы, порождавшие бифуркации, были столь же естественными элементами эволюционного процесса, как и постепенное видообразование.

Законы физики, химии и другие принципы отбора устанавливают определенные границы изменения состояний системы, канал, внутри которого могут протекать эволюционные процессы. Случайные факторы как бы пытаются вывести систему за эти границы. До поры до времени этого не происходит - поток внутри канала следует механизму адаптационного типа.

Со временем эволюционный поток выходит на пересечение нескольких каналов эволюции, и теперь вступают в действие бифуркационные механизмы А.Пуанкаре. На пересечении каналов возникает бифуркация или катастрофа по терминологии Уитни и Тома. Возникает несколько вариантов дальнейшего развития, и выбор нового канала случаен или непредсказуем, ибо он зависит от случайных факторов.

Из этого вытекает один из общих законов самоорганизации материи: развитие характеризуется усложнением и ростом разнообразия форм организации материи. Это закон дивергенции, справедливый для всех уровней материального мира. Стохастический характер причинности и действие бифуркационных механизмов может развести сколь угодно далеко даже самые близкие формы организации.

С увеличением размерности системы, что всегда происходит при увеличении ее сложности, количество состояний, в которых могут происходить катастрофы (бифуркации), быстро возрастает. Следовательно, с ростом сложности системы растет и вероятность увеличения числа возможных путей дальнейшего развития, то есть дивергенции, а вероятность появления двух развивающихся систем в одном и том же канале эволюции практически равна нулю. Это и означает, что процесс самоорганизации ведет к непрерывному росту числа организационных форм.

Теория бифуркаций была создана Пуанкаре и затем развита Андроновым, Хопфом и другими исследователями.

При удалении от равновесия термодинамическое состояние становится неустойчивым, и неожиданно могут появиться новые решения. Единственное решение, которое имеет система уравнений в непосредственной близости к равновесной области, при некотором критическом значении параметров достигает точки бифуркации, начиная от которой для системы открываются новые возможности, приводящие к нескольким решениям.

Определение параметров, при котором начинается ветвление решений, представляет собой задачу первостепенной важности как для аналитических, так и для числовых решений нелинейных дифференциальных уравнений. Самая первая задача любого поиска бифуркации решений заключается в определении точек неустойчивости однородной системы.

Литература

1. Сачков Ю.В. Вероятностная революция в естествознании/ Природа, 1991, 5

Тема 3.3. Качественные методы в эволюционных задачах

Начала нелинейного мышления. Пространства состояний системы и динамическая модель

Становление науки Нового времени неотделимо от выработки концепции механической причинности и ее абсолютизации в лапласовском детерминизме, который несовместим с идеей развития. Концепция однозначной причинности выражена в афоризме: “Одинаковые причины - одинаковые следствия”. Встречающиеся сплошь и рядом в обычных житейских ситуациях случаи, когда , казалось бы одинаковые причины приводят к разным следствиям, всегда легко и изящно объяснялись ссылкой на неполноту учета всех предшествующих обстоятельств.

Развитие квантовой физики привело к радикальному перевороту в этой области, суть которого заключается в утверждении объективного и фундаментального статуса вероятности и неопределенности.

Основное уравнение квантовой механики - уравнение Шредингера -столь же детерминистично и линейно, как и уравнения классической механики. Но уравнение Шредингера описывает не реальные наблюдаемые величины, а распределение потенциальных возможностей. Переход к реально наблюдаемым величинам связан с редукцией волновой функции, а следовательно, с нарушением однозначной причинности.

Идея однозначной причинности жестко связана с представлением о линейном характере причинных связей (цепей событий). Считалось, что эти линейные цепи причин и следствий простираются неограниченно далеко как в будущее, так и в прошлое. Причина всегда равна своему следствию, а изменение следствия пропорционально изменению причины.

Эти натурфилософские (Ахундов и Баженов, Природа, 1991, 4) представления о линейных цепочках причин и следствий находят в науке выражение в образе линейных систем, процессы в которых описываются линейными дифференциальными уравнениями, - свойства таких систем не меняются при изменении их состояния (принцип суперпозиции).

Мир классической механики был линеаризированным миром, законы которого формулировались на языке линейных дифференциальных уравнений. Эти уравнения служили не только мощным аппаратом исследования, но и теми “очками”, сквозь которые исследователь смотрел на мир.

Но реальная действительность не состоит из абсолютно твердых шаров, катящихся по абсолютно гладким поверхностям. Реальный “биллиард” характеризуется такими нелинейными особенностями, как трение, турбулентность и пр. Для описания реальных объектов вводились различные поправки. Но отступления от линейности рассматривались как незначительные и объяснялись не идеальностью объектов.

Однако в ходе научного познания объектами исследования стали такие явления и процессы, которые проявляют себя не просто как неидеальные, но именно как нелинейные. В XIX веке наука, сталкиваясь с такими объектами, вынуждена была отступать, ибо не было эффективных методов решения нелинейных уравнений. Да и господствовавшая картина мира не стимулировала интерес к изучению подобных объектов. Более того, само их существование могло показаться абсурдным. Например, кому могло прийти в голову исследовать процессы вдали от равновесия и стационарности: если вблизи этого положения исследование имеет смысл и может опираться на испытанные методы линеаризированной физики (плюс необходимы уточнения), то вдали от него такая работа представлялась бессмысленной, ибо задолго до ее завершения объект исследования будет просто разрушен.

Можно представить себе состояние ученых, когда выяснилось, что в этих “катастрофических” областях могут существовать устойчивые динамические структуры. Оказалось, что сугубо нелинейная область хаоса структурно богата и в ней возможны свои космосы (античные термины хаос и космос вновь активно заработали).

Структурная населенность нелинейного мира (хаоса): нелинейные периодические реакции В.П.Белоусова, получила объяснение в рамках неравновесной термодинамики И.Пригожина и синергетики Г.Хакена, а также теории катастроф Р.Тома, благодаря чему удалось совершить прорыв в той области математики, начало которой положено работами А.Пуанкаре прошлого века и была связан с теорией нелинейных уравнений.

Помимо синергетических объектов существуют многочисленные классы нелинейных систем (в оптике, акустике, радиоэлектронике и т.д.), чьи свойства зависят от их состояния.

В классической науке нелинейность характеризовала особый частный класс объектов, а в современной - нелинейность рассматривается как универсальная и фундаментальная черта окружающей реальности. Если коротко охарактеризовать новый класс объектов, то их следует назвать эволюционными объектами. С этими объектами связаны следующие понятия: 1) нелинейность, о которой шла речь выше; 2) самоорганизация, которая означает изменение своей организации под действием внутренних факторов; 3) необратимость времени, которая в классической науке рассматривалась как эмпирически имеющая место досадная черта реальности, причем задача теоретического знания заключалась в разработке приемов, как эту необратимость обойти.

В современных науках, как естественных, так и социогуманитарных, эволюционные процессы во все большей степени выходят на передний край исследований. И хотя в науках социогуманитарного цикла, как и в биологии, идея развития получила широкое выражение уже в прошлом веке, но и здесь радикально новым элементом оказывается идея нелинейности.

Диссипативные системы вдали от равновесия

Диссипативные структуры включают все типы самоорганизации: колебательные процессы, пространственную организацию, пространственно-временное структурирование, а также любую другую последовательность процессов, связанных с когерентными свойствами, наблюдаемыми в системе вне области устойчивости гомогенного состояния (А.Баблоянц, 1990).

Когерентность - согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении.

Для возникновения диссипативных структур необходимы следующие условия:

1. Система должна быть открытой и постоянно обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. Это означает, что химические, биохимические и гидродинамические системы должны находиться вдали от равновесия.

2. В системе должны протекать различные каталитические, кросс-каталитические процессы, а также регуляция по типу обратной связи. Такого рода процессы описываются нелинейными дифференциальными уравнениями.

3. После некоторого критического значения параметра системы или какого-либо внешнего воздействия однородное стационарное состояние становится неустойчивым, и тогда ничтожно малое возмущение в окружении системы может вызвать ее переход в новое стационарное состояние, режим которого также соответствует упорядоченному состоянию.

Наиболее важной характеристикой диссипативных структур является то, что они возникают и сохраняются только в неравновесных условиях. Под влиянием флуктуаций отдельные элементы системы кооперируются, обнаруживая при этом такое поведение, которое характеризует систему в целом и которое никак нельзя было бы ожидать или понять на основании свойств отдельных ее элементов.

Диссипативные структуры появляются всякий раз, когда система, способная к самоорганизации за счет своих кооперативных свойств, измеряет время и организует пространство для того, чтобы “выжить” при различных воздействиях, оказанных на нее, или для того, чтобы лучше использовать окружающую среду.

Идея диссипативных структур получила широкое распространение в тех областях знания, из которых она родилась. Особенно возродился интерес к теории нелинейных дифференциальных уравнений. Очень популярными стали математические модели для различных биологических процессов, протекающих в единичных клетках или в многоклеточных ансамблях. В различных химических реакторах было обнаружено много неожиданных типов осциллирующего поведения. В жидкостях были открыты разнообразные неожиданные упорядоченные, квазиколебательные и хаотические состояния.

На основе всех этих наблюдений возникла новая ветвь исследований, названная областью нелинейных явлений, которая стала наиболее многообещающей областью макроскопической физики.

Самоорганизация диссипативных структур может произойти только вдали от состояния термодинамического равновесия.

Когда характеризующие динамическую систему переменные изменяются во времени, они могут быть описаны в виде дифференциальных уравнений. Дифференциальные уравнения приобретают нелинейную форму, как только мы переходим к описанию процессов возможной конкуренции самоорганизации и самодеструкции каких-либо величин.

Можно ожидать, что такие системы буду самопроизвольно проявлять черты кооперативного поведения и различного рода пространственно-временную организацию. Вот почему в последние годы рамки диссипативных структур расширились и захватили даже такие области, как социобиология, социология, социальная экономика и экономическая наука.

Литература

1. Ахундов М.Д., Баженов Л.Б. Эволюция, нелинейность и марксизм/ Природа, 1991, 4

Тема 3.4. Динамический хаос - фундаментальное свойство реальности

И.Пригожин: В течение всей моей научной карьеры меня чрезвычайно интересовала проблема времени, точнее, то, что я предпочитаю называть парадоксом времени.

С одной стороны, различие между прошлым и будущим весьма важно для нашего существования. Это различие играет важную роль в космологии, химии и биологии. С другой стороны, фундаментальные законы классической и квантовой механики инвариантны относительно обращения времени. Прошлое и будущее играют одну и ту же роль.

Я пришел к убеждению, что следует обобщить динамику так, чтобы она включала в себя явления, отвечающие нарушению временной симметрии. В реализации этой программы фундаментальная роль принадлежит работам по неустойчивым динамическим системам, начатым Пуанкаре и продолженным блестящей русской школой. Вопрос сводится к тому, чтобы показать, какие законы управляют хаотическими системами.

Введение хаоса приводит к тому, что можно назвать третьей формой законов природы.

Первая форма этих законов оперирует с траекториями в классической механике и с волновыми функциями в квантовой механике.

Вторая форма - это статистическая формулировка законов природы (работы Гиббса и Эйнштейна). Но предложенная этими авторами статистическая формулировка оставалась приводимой или сводимой: в качестве частного случая она применима к траекториям и волновым функциям.

Новая формулировка не позволяет отойти от статистического уровня описания. Законы хаоса носят вероятностный, но не достоверный характер.

Законы, управляющие поведением устойчивых систем, детерминистичны и обратимы во времени. Наоборот, законы, описывающие хаотические системы, соответствуют вероятностям и включают в себя необратимость.

Необратимость возникает в результате неустойчивости “хаоса”.

(И.Пригожин. Природа, 1993, 12) Ю.Данилов (там же): Основной тезис Пригожина состоит в том, что необратимость во времени порождается хаосом на фундаментальном уровне. Под этим понимается следующее. В ньютоновой механике эволюция физической системы во времени описывается в терминах отдельных траекторий, в квантовой - в терминах отдельных волновых функций. Уравнения движения (Ньютона - в классической механике и Шредингера - в квантовой) оказываются обратимыми во времени: прошлое при таком описании равноправно с будущим. Несоответствие между между наблюдаемой необратимостью физических процессов (однонаправленностью времени) и обратимым характером уравнений движения Пригожин называет парадоксом времени.

Дж.Гиббс и А.Эйнштейн предложили перейти от описания в терминах траекторий к вероятностному описанию совокупностей, или ансамблей, траекторий. Однако парадокс времени оставался нерешенным, так как описание в терминах ансамблей допускало сведение к описанию в терминах отдельных траекторий.

Решение парадокса времени Пригожин видит во введении нового понимания в терминах ансамблей, отличающегося несводимостью к отдельным траекториям и волновым функциям.

Гармония в хаосе

...Природа даже в состоянии хаоса может

действовать только правильно и слаженно.

И.Кант

Наука всегда занималась в основном закономерной составляющей бытия. Турбулентное движение жидкости относили к царству полной неразберихи -хаосу. В древнегреческой мифологии хаосом называли зияющую бездну, наполненную туманом и мраком, из которых произошло все сущее. В Средние века даже возникла хаосология - ветвь богословия, выясняющая, что было до того, как Бог сотворил мир.

И вот оказалось, что в явлениях, на первый взгляд совершенно беспорядочных, есть своя необычная структура. Начала формироваться научная хаосология.

В математике фигуры, одинаковые по форме, но различающиеся размерами, называются подобными.

Похожесть процесса на самого себя при изменении масштаба называют самоподобием, масштабной инвариантностью, скейлингом (scale - масштаб, размер).

В последние десятилетия самоподобие начинают открывать всюду: в линиях берега, разряда молнии и трещин; поверхностях гор, облаков и кочанов цветной капусты; ветвлении деревьев и кровеносных сосудов.

В чем суть самоподобия? Общая картина не меняется или не зависит от масштаба. Объекты, обладающие таким свойством, американский математик Б.Мандельброт в 1975 г. предложил называть “фракталами”.

Фракталы обнаруживают в тех процессах и явлениях, о которых мы привыкли думать как о беспорядочных, хаотичных, потому что в них участвует множество случайных факторов. Поэтому говорят, что вероятностный, или стохастический хаос носит фрактальный характер. Там, где господствует случай, формы фрактальны. Это имеет не только умозрительный интерес: например, в Голливуде декорации, имитирующие горный пейзаж, разрабатывает компьютер на основе алгоритма, учитывающего фрактальность горной поверхности. В итоге на экране получается картинка, очень похожая на настоящие горы.

Фракталы - объекты с сильно извилистой, изрезанной или пересеченной границей. Обычные меры длины, площади и объема к фракталам неприменимы. Геометрию фракталов принято описывать другими характеристиками, например, размерностью Хаусдорфа-Безикевича. Для нефрактальных (гладких) объектов эта размерность совпадает с обычной (топологической) размерностью (равной 0 для точки, 1 - для линии, 2 - для плоской фигуры, 3 - для тела) и принимает целочисленные значения, но для фрактальных объектов размерность принимает дробные значения. Например, для очень извилистой линии она может бытьравна 1,03 (уже не линия, но еще не плоская фигура).

Мир бестелесный, слышный, но незримый,

Теперь роится в хаосе ночном...

Ф.Тютчев

Конечно, в природе самоподобие простирается лишь до какого-то предела - рано или поздно с изменением размеров происходит качественный скачок. Например, разглядывая кровеносные сосуды во все более сильный микроскоп, мы в конце концов увидим отдельные клетки. Но мысленно можно рассмотреть случай, когда скейлинг продолжается до бесконечности: примером может служить “ковер Серпинского”.

О, бурь заснувших не буди -

Под ними хаос шевелится!...

Ф.Тютчев

Успехи классической физики основывались на том, что многие явления, например, движение планет, описываются линейными дифференциальными уравнениями, для которых можно найти общее решение. Нужно только подставить в них начальные условия (координаты точки, из которой движение начиналось), и траектория полностью предсказывалась. Конечно, начальные условия желательно знать поточнее, но малые погрешности не страшны, так приведут к малым же отклонениям в решении.

Когда научились решать простые нелинейные уравнения (а большинству реальных процессов соответствуют именно они), то выяснили, что определяющее влияние начальных условий есть уже не исключение, а правило. Такой вывод сделал еще сто лет назад А.Пуанкаре, когда рассмотрел движение трех тел, связанных взаимным тяготением. И все эти решения были в определенном смысле просты: например тяготеющие тела или убегут в бесконечность, или остановятся, или вернутся в исходные положения, и все начнется сначала - траектории будут циклическими (состояние, к которому система в конце концов приходит, называют “аттрактором”).

Но когда с появлением ЭВМ стали изучать более сложные нелинейные уравнения, оказалось, что решения могут быть значительно сложнее: возможно, что траектории никогда себя не повторяют - они запутанны и нерегулярны (в этих случаях говорят о “странном аттракторе”).

Так, в 1963 г. американский метеоролог Э.Лоренц, занимаясь задачей о тепловой конвекции, показал, что ее решение выглядит как два сцепленных мотка, каждый из которых состоит из пучка траекторий. Начав движение из некоторой точки левого мотка, система сделает какое-то количество оборотов по этому мотку, затем перейдет на правый моток, совершит некоторое количество оборотов там, потом вернется обратно и так далее.

Получается, что, проходя место соединения двух мотков, она каждый раз как бы делает выбор - продолжить ли свой путь по тому же мотку, или перейти на другой.

Чтобы узнать результаты этого выбора, нужно указать координаты исходной точки. И вот здесь исследователя подстерегал сюрприз: оказалось, что траекторию нельзя предсказать в принципе, потому что для этого необходимо определить эти координаты с бесконечно большой точностью.

Иначе говоря, каждая начальная точка задает свою неповторимую последовательность переходов и малейшая неточность в ее задании изменит выбор пути, так что поведение системы станет совершенно иным. Что еще поразительно: странные аттракторы устроены наподобие ковра Серпинского, т.е. фрактальны.

Может случиться, что с изменением некоторого параметра, например скорости течения жидкости, развилки будут возникать все чаще, а промежутки предсказуемого движения между ними - сужаться. В конце концов, траектории станут совершенно “неисповедимыми” - хаотичными. Именно так объясняется турбулентность, и она тоже связана с фракталами.

Все это углубило наше понимание и атмосферных явлений, и “причуд” плазмы в токамаках. Но значение этих идей гораздо шире: они меняют представления об эволюции космоса и жизни. У Р.Брэдбери есть рассказ “И грянул гром” о том, как гибель одной-единственной бабочки повлияла на историю общества. Сейчас уже всерьез говорят, что взмах крыльев бабочки где-нибудь в Австралии может вызвать ураган в Европе - таково свойство нелинейных систем непредсказуемо изменять свое поведение в ответ на микроскопический сдвиг начальных условий.

Любопытно, что этот факт послужил основой для новой теологии. Роль Бога некоторые теперь усматривают во внесении в мир неуловимых управляющих воздействий. А так как воздействия эти могут быть, в принципе, сколь угодно слабыми - надо только знать, где и как их приложить, - то и человек своим внутренним усилием, молитвой, способен склонить ход вещей в нужную сторону.

Итак, хаос возникает и там, где вообще никакой случайности как будто нет - в области динамических систем, описываемых полностью детерминированными уравнениями. Создается теория динамического, или детерминированного, хаоса.

Арсенал нелинейного мышления включает неравновесную термодинамику, синергетику, теорию катастроф.

Наверное, в структуре хаоса, возникающего практически везде, проявляется еще не до конца понятое единство природы - ее простота, заключенная в сложном, и сложность, таящаяся в простом.

Как генетический код сам по себе еще не определяет возникновение из клетки целого организма (влияют и исходная клетка, и внешняя среда), так и основные уравнения не задают однозначно свойства и судьбу мира -важны начальные условия и та цепь выборов, которые уже сделаны и делаются постоянно.

Все это перекликается с идеями И.Пригожина: природа не только существует, но и становится, несет в себе свою историю; в ней не только необходимость, но и выбор, свобода, творчество - “миротворение”, по словам Н.Бердяева, продолжается. Так что физическая реальность и наш духовный мир имеют общие черты.

Этот междисциплинарный подход изменяет облик, которая делается менее сухой, более человечной. Она охватывает уже не один лишь логос, но и хаос - стихийность, непредсказуемость, что, видимо, близко самой сути природы, ибо, как гласит французская пословица, “если бы в мире господствовал разум, в нем бы ничего не происходило”.

Литература

1. Каховский Л. Постижение хаоса. Химия и жизнь, 1992, 8

2.Пригожин И.Р.От классического хаоса к квантовому.Природа,1993,12

Тема 3.5. Самоорганизация в живой и неживой природе

Самоорганизация означает изменение структуры системы под действием только внутренних факторов. Поэтому, в строгом смысле, этот термин применим только к Вселенной в целом. А все остальные системы - открытые и находятся под воздействием внешней энергии.

Термин самоорганизация употребляется также и тогда, когда изменения системы происходят без видимой цели.

Организация - это структура связей между элементами системы. Хотя всякая система обладает определенной организацией, эти понятия не тож дественны. С течением времени система и ее организация могут изменять ся под действием внешних или внутренних сил.

Изменение системы и ее организации может преследовать определенные цели и иметь внутренние, ей присущие возможности для следования этим целям. Подобную систему в теории управления и системном анализе приня то называть организмом. Всякий организм - система, но не наоборот.

Описание процесса самоорганизации материи опирается на два посту лата: 1) материя обладает свойством саморазвития (принцип синергизма) и 2) Вселенная возникла 15-20 млрд лет назад (принцип начала).

Эволюция Вселенной представляет собой грандиозную панораму воз никновения из хаоса все новых систем разной временной и пространствен ной протяженности. Эти образования далеки от равновесия, квазистабиль ны и, разрушаясь, снова возвращаются в хаос, давая материал для новых квазистабильных образований.

Совсем недавно была открыта возможность самоорганизации химических реакций в отсутствие каких-либо температурных воздействий. Подобные явления коренным образом изменили наш взгляд на физические науки и их связь с биосферой: материя стала рассматриваться не как инертный объ ект, изменяющийся в результате внешних воздействий, но наоборот, как объект, способный к самоорганизации, проявляющий при этом как бы свою “волю” и многосторонность (А.Баблоянц, 1990)

Сейчас в наших руках достаточно обнадеживающих данных, которые поз воляют предполагать, что возникновение живого из неживого в далеком прошлом обусловлено действием обычных физико-химических законов.

Энтропийная и эволюционная теория XIX века постулировали две совер шенно противоположные тенденции развития: первая - к максимальному беспорядку, простоте, спокойствию, неизменности, одинаковости и другая - к сложности, случайности и многообразию. Биологическим наукам приш лось постулировать наличие особых “жизненных сил”, не подчиняющихся законам физики и химии.

Разрыв между биологическими и физическими науками был преодолен только в середине 60-х годов нашего столетия.

Стала очевидной необходимость неравновесных условий для всех жиз ненных процессов. Клетка как единица живого может жить только в условиях постоянного притока питательных веществ. Биохимические процессы, как правило, подчиняются нелинейным кинетическим уравнениям. Поведение клетки как системы, имеющей сложную пространственно-временную органи зацию, невозможно объяснить в рамках редукционизма молекулярной биоло гии. Напротив, с помощью такого нового понятия, как диссипативные структуры, можно дать объяснение способности проявлять разнообразные сложные свойства, присущие живому.

Идея, предполагающая, что жизнь возникла в результате самоорганизации материи, выглядит как обоснованная гипотеза, которая должна получить экспериментальное обоснование. Свойства самоорганизации открытых систем, в которых протекают химические реакции, составляют недостающее звено в процессе молекулярной эволюции, приводящей к появлению живых организмов.

Вероятность таких событий в значительной степени подтверждается созданием теоретических моделей. Так, М.Эйген разработал модель, в ко торой в результате взаимодействия белков и нуклеиновых кислот возника ет примитивная клетка.

Принципы универсального эволюционизма. Возникновение жизни - естественный этап саморазвития Земли. Появление жизни изменило характер эволюции ее географической оболочки.

Возникновение разума - закономерный результат развития жизни на Земле. Наш мозг порождает способность познавать окружающий мир, видеть себя со стороны, познавать самого себя и задумываться над тайной своего происхождения.

Благодаря появлению разума возникает общество как совокупность индивидуумов, способных к совместному труду и творчеству в материальной и духовной сферах.

В основе самоорганизации лежит механизм РЫНКА. Термин РЫНОК включает в себя отбор по множеству критериев, который носит иерархический характер.

Одна из важнейших особенностей процессов самоорганизации нашего ми ра - существование механизмов кооперативности, т. е. объединения элементов в системы. Эта особенность присуща всем уровням организации материального мира - и неживой материи, и живому веществу, и процессам, протекающим в общественной сфере. При этом имеется в виду реализация потенциально возможных связей между элементами и законов нашего мира. Причем потенциально возможных кооперативных структур гораздо больше, чем реально наблюдаемых. Значит, проявление кооперативности - это тоже результата отбора, т.е. действия механизмов “универсального рынка”. И поскольку критерии отбора различны и их много, то процесс формирования систем тоже неоднозначен и приводит к многообразию различных форм ор ганизации систем.

Во многих случаях, зная свойства элементов, мы можем заранее предсказать свойства системы. Но она может обладать и специальными “системными свойствами”, которые не выводимы из свойств элементов.

Следовательно, объединение элементов в системы может приводить к появлению объектов, обладающих новыми непредсказуемыми свойствами, которые в свою очередь могут участвовать в отборе.

В результате объединения (кооперации) могут возникать объекты с не сопоставимыми свойствами, а значит, и не участвующими в последующих стадиях отбора.

Возникающие системы могут взаимно “дополнять” друг друга, т.е. слу жить кирпичиками для создания новых системных конструкций.

Таким образом, в процессе эволюции, т. е. действия механизма РЫНКА, возникают иерархически организованные кооперативные структуры, которые однажды снова начинают участвовать в отборе и формировании нового эта жа иерархии.

Вся эта “кооперативная деятельность” происходит на фоне стохастики, расширяющей палитру отбора (или “рыночного прилавка”). Мутагенез является одним из примеров подобного процесса, но он проявляется в похожих формах на всех этажах организации мира.

Кооперативность, т. е. объединение в системы, столь же естественная форма движения, как и движение планет: возникают все более и более сложно организованные структуры. Но нельзя говорить о том, что механизм РЫНКА приводит к более совершенным конструкциям, поскольку в силу множественности критериев они просто несопоставимы (прокариоты и эука риоты, человек и термит). По одним критериям РЫНОК расставляет произведения природы на одной шкале, а по другим критериям шкала выглядит совершенно иначе.

Необходимо более глубоко разобраться в том, как функционирует РЫНОК, как возникает “поле возможностей”, из которого происходит отбор, и как этот отбор происходит.

Отбор совершается по целому множеству критериев, и многие из них несопоставимы.

При объединении элементов в системы каждый из них что-то теряет во имя чего-то другого. Иными словами, всякое кооперативное образование является следствием некоторого компромисса.

У всякого сообщества живых существ есть одна ему присущая особенность - степень подчинения индивидуума общим правилам поведения сообщества (стада). Другими словами, поведению каждого живого существа присущи две тенденции (два интереса или две цели).

Одна из них - сохранение гомеостаза отдельного организма, другая - сообщества (или популяции). И эти два критерия не являются автоматически совместимыми, ибо цели по существу разные. Значит, для их совмещения необходим компромисс: каждому виду свойственно разрешение этого компромисса, он жертвует степенью одного ради другого. И эти компро миссы могут быть самыми разными, т. е. мы видим самые разные сочетания “личного” и “общественного”. Два примера.

Многие из головоногих моллюсков - каннибалы, и все “общественное” им абсолютно чуждо. Природа сохранила только те виды, у которых самцы немедленно погибают сразу после того, как совершат свои брачные обязанности. Конфликт между личным и общественным решен однозначно раз и навсегда в пользу личного.

Термиты: все личное оказалось полностью подчинено коллективным интересам. Отдельный термит даже не может рассматриваться в качестве от дельного организма: у них даже пищеварение общее, а стремление к сох ранению индивидуального гомеостаза, вероятно, практически отсутствует. Организмом является лишь термитник в целом.

РЫНОК с его сложнейшей иерархической системой отбора допускает са мые немыслимые сочетания разных уровней реализации тех или иных тенденций.

С аналогичной ситуацией мы сталкиваемся в человеческом обществе. Одна из важнейших характеристик цивилизаций - место личности в структуре общества.

На одном фланге (следуя М. Веберу) - цивилизации “протестантской этики” с ее крайним индивидуализмом. Здесь особо выделяются кальвинисты с их преклонением перед личным успехом, с верой в то, что именно он говорит об избранности. А рядом - русская цивилизация с ее соборностью и коллективизмом и тем особым духовным настроем, о котором писал Н.Я.Данилевский еще в 60-е годы прошлого века, а в начале 20-х годов нынешнего отметил А.Д.Тойнби. По мнению Н.Н.Моисеева, эти два человека особенно отчетливо увидели в России цивилизацию, глубоко отличную от той, которая возникла у народов Европейского полуострова.

А еще дальше по этой шкале расположена цивилизация Японии с ее принципом “забивания гвоздей”. Человека принимают на работу в фирму не потому, насколько он талантлив, а потому, насколько он способен при нять философию фирмы и не “высовываться”.

Очень важно понять, каким образом могло возникнуть такое многообразие цивилизаций, - объяснить его простыми законами конкуренции вряд ли возможно.

Когда экономисты используют слово “рынок”, они имеют в виду механизм конкуренции (главным образом). Я. Н. Моисеев, говоря о РЫНКЕ, имеет в виду механизмы, преодолевающие “противоречия”. Конкуренция, связан ная с понятием “антагонизм”, - лишь частный вид противоречия и в рафинированном виде почти не встречается ни обществе, ни в природе - даже хищник и жертва, строго говоря, не являются антагонистами.

Противоречия означают тот общий случай взаимодействия, когда у каж дого из некоторого множества взаимодействующих элементов существует много различных и несовпадающих целей. Их “интересы” не антагонистичны, но и не тождественны. Для их разрешения, т. е. обеспечения возможности взаимного существования, необходимы некоторые компромиссы, реализация которых и создает новую кооперативную конструкцию.

Систематическим анализом такой ситуации впервые начал заниматься в самом начале XX века итальянский экономист В.Парето. С его именем связано возникновение математической теории конфликтов, или игр с непро тивоположными интересами, впоследствии блестяще развитой ныне покойным профессором МГУ Ю.Б.Гермейером. В рамках этой теории возникло очень важное понятие “парето-оптимальность”.

Если по одним параметрам одна система лучше другой, а по другим - хуже, то РЫНОК отказывается делать свой выбор, и обе системы получают право на существование. Множество состояний (или организмов), в котором улучшение одной из

характеристик неизбежно сопровождается ухудшением хотя бы одной из других, и принято называть парето-оптимальным множеством (или парето-оптимальными компромиссами).

Таким образом, механизмы отбора в реальной жизни отбирают не от дельные организмы, структуры, формы, а целое множество парето-оптимальных структур. С этой точки зрения и термит, и человек, и любой другой процветающий вид реализовал свой парето-оптимальный компромисс, который может быть разрушен при изменении внешних условий, т. е. системы критериев

В человеческом обществе описанный процесс отбора усложняется тем, что в него включается Разум с присущей ему неоднозначной интерпретацией того, что человек наблюдает. Многие исследователи пытаются понять, какими мотивами пользуется человек, совершая тот или другой дополни тельный выбор или принимая решение в конфликтной ситуации.

О проблеме “устойчивости компромисса’’. Предположим, что несколько субъектов условились о содержании некоторого компромисса, т. е. приняли на себя определенные обязательства. Если субъекты достаточно разумны, то они сами выберут некий парето-оптимальный компромисс, поскольку в противном случае существует некоторый компромисс, который одновременно более выгоден всем субъектам (в природе роль Разума играет РЫНОК - он производит разумный отбор). Но такой выбор еще не означает, что ко му-либо из субъектов не придет в голову нарушить договоренности и по лучить для себя лично некое преимущество.

Значит, среди парето-оптимальных компромиссов имеют шанс реализоваться лишь такие, отступления от которых невыгодны никому из участников компромисса (или кооперации). Такие компромиссы называются устойчивыми.

Итак, в процессе эволюции (самоорганизации, развития) разрешаются разнообразные противоречия или конфликты. В результате возникают кооперативные взаимодействия; иными словами, утверждается некая система компромиссов, которая и есть основа кооперативной организации, т. е. объединения элементов в системы. И на этой возникающей совокупности систем снова начинает действовать отбор.

В результате отбора возникают системы, несравнимые по своим свойствам (по терминологии теории исследования операций - парето-оптимальные). Часто они обладают взаимодополняющими свойствами, что является основой для новой кооперации и т.д. Вот такой представляется схема интерпретации эволюции материального мира, которую Н. Моисеев и называет

универсальным эволюционизмом.

(Пример: прокариоты, эукариоты и биосфера, как результат кооперативного взаимодействия множества агентов).

Возникновение новых форм организации вещества - одна из самых сокровенных тайн мироздания. И один из решающих шагов в ее постижении сделал Ч. Дарвин. И как ни важен этот шаг, он лишь один из эпизодов познания грандиозного единого процесса эволюции Универсума.

В процессах развития важнейшую роль играет бифуркация. Открытием этого явления мы обязаны прежде всего Л. Эйлеру и А. Пуанкаре (и ряду других математиков и физиков, изучавших критические состояния систем, изменяющихся во времени). Явление бифуркации приводит не только к по явлению новых форм организации вещества, но, и это может быть еще важ нее, - к непредсказуемости эволюции.

При переходе через критическое состояние (катастрофу) система практически теряет “память”, и в становлении ее нового состояния резко возрастает роль тех случайных воздействий, той стохастики, которая органически присуща природе. Появление качественно новой формы организации всегда есть результат бифуркации. (Поэтому правы и Дарвин и Кювье - каждый по-своему!)

Верхняя оболочка Земли пережила по меньшей мере три грандиозные перестройки (бифуркации): появление живого вещества (биосферы), переход от прокариотов к эукариотам и становление Разума.

Основная задача фундаментальной науки - раскрыть процесс формирования новых организационных структур и описать те принципы отбора, которые сохраняют лишь отдельные формы кооперации.

Всю грандиозную систему создания многообразия различных форм и от бора тех структур, которые продолжали эволюционировать, Н. Моисеев и называет РЫНКОМ (основным, а может быть, и единственным механизмом самоорганизации).

Мутагенез, неточность редупликации, кооперативность - все это составляющие единого процесса действия РЫНКА.

Моисеев отмечает: тот язык, который он пытается ввести с помощью эмпирических обобщений, является естественным развитием языка эволюционной теории Дарвина.

Необходимым условием конкуренции служат “пределы роста” - концепция Римского клуба, берущая начало от Мальтуса, но совершенно очевидно следующая из конечности земного пространства. Математический анализ показывает, что конкуренция в условиях Рынка

и при достаточном времени неизбежно приводит к монополизму (выживание наиболее приспособленных).

Реально же выживает множество организмов, в том числе и, казалось бы, несовершенных. Это обстоятельство (выживание всех, кроме явно не приспособленных) и следует рассматривать как важное эмпирическое обобщение. Работает какое-то “антимонопольное законодательство”, механизм протекции для меньшинств. Те конечные состояния, к которым движутся изменяющиеся объекты природы, физик К. фон Вейцзеккер назвал главной загадкой эволюции. Загадка заключается в способе возникновения той суммы характеристик, которя определяет конечное состояние, необходимое для сбалансированности системы.

Редукционизм привел к неполному, если не искаженному, пониманию мира. Ощущается необходимость понять, каким образом возникает система, организация, организм, а не только какова природа элементов системы; како во соотношение между эволюцией элемента системы (в свою очередь являющегося системой) и эволюцией системы в целом.

Термодинамический подход не касается механизмов эволюции, будучи ориентирован на конечные состояния системы.

Следует обратить внимание на сходство понятий система, организм, организация, поскольку все они подразумевают присутствие элементов множества, целесообразно взаимодействующих между собой. Под целью здесь понимается устойчивость системы, предполагающая и устойчивость входящих в нее элементов, хотя каждый из этих элементов может быть заменен иным с аналогичными системными функциями. Всю это концепцию Н. Н. Моисеев называет Рынком с большой буквы.

Информационные аспекты синергетики

Задачей науки является выяснение места информации в общем процессе развития Природы Общества. Н.Н.Моисеев не согласен с мнением тех ученых, которые считают информацию всеобщим свойством материального мира. Строгого и достаточно универсального определения информации нет и оно вряд ли возможно.

Необходимость в этом понятии возникает лишь тогда, когда мы описываем свойства живого. Если описывать развитие материального мира, опираясь на принцип “лезвия Оккама”, то информация появится в нем лишь тогда, когда мы начнем изучать системы с целеполаганием, то есть объекты, способные к целенаправленным действиям. В этом случае нельзя описать процедуры принятия решений и изучать зависимость характера принимаемых решений от изменения внешних условий без термина “информация”.

(Уильям Оккам, 1285-1349, англ. философ-схоласт, логик и церковно-полит. писатель, францисканец, автор принципа, согласно которому понятия, несводимые к интуитивному и опытному знанию, должны удаляться из науки - “бритва Оккама”: сущности не следует умножать без необходимости).

Все процессы, протекающие в неживой природе, подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены и поняты без привлечения термина “информация”, а также и без понятия обратной связи.

В обычном, то есть житейском смысле слово “информация” означает сумму сведений, которую получает субъект (человек или животное) об окружающем мире или о самом себе, с помощью которых он может прогнозировать результаты своих действий и отбирать способы использования своих возможностей для обеспечения собственных интересов и для достижения поставленных целей.

В этой трактовке информации центральной фигурой оказывается субъект, который использует полученные сведения в своих интересах. Понятие субъект может быть распространено и на надорганизменные системы, обладающие целеполаганием.

Информация сама по себе ничего не стоит и не означает ничего. Ценности информации как ее абсолютной характеристики не существует. Качество информации оценивается прежде всего тем, насколько знания, полученные о предмете или окружающей обстановке, помогают в принятии решений. Только тогда, когда существует цель, раскрывается значение, ценность и смысл информации.

Понятие ценности информации обусловлена активностью сознания. Информация и ее оценка возникают и могут быть понятыми лишь в контексте отношений субъект — объект.

Понятие “память” также естественным образом связывается с представлением о субъекте, совершающем выбор. Живые существа всегда обладают хотя бы зачатком целеполагания - стремлением к сохранению собственного гомеостазиса. В этом случае применимо представление о памяти как о механизме хранения, накопления и извлечения информации в интересах организма. Таким образом, в мире живой материи память выступает в качестве некоторого элемента информационной службы организма.

По мере развития живой природы и общества, роста разнообразия и сложности их организационных форм изменяется место и значение информации, ее влияние на скорость и другие характеристики процесса самоорганизации.

Необходимость использования информации, ее накопления и хранения, то есть памяти, возникает лишь на определенном этапе саморазвития материального мира. В ходе развития появлялись качественно новые формы памяти, способные воспринимать, хранить и передавать новые типы информации. Вместе с развитием памяти изменялись и способы использования информации. Ее значение и влияние на характер развития возрастают по мере усложнения организации. Дальнейшее развитие материи, жизни и общества, требуют все больших объемов информации.

В ходе процесса самоорганизации возникают разные типы памяти: генетическая, подражание (“Делай, как я!), обучение (система “Учитель”). Вероятно, существуют формы памяти, нам неизвестные.

В первом случае речь идет о воспроизведении и наследовании материальных структур - макромолекул, которые подчиняются жестким правилам и могут быть объяснены без использования понятия информации. Ведь здесь еще нет субъекта - носителя определенных целей, и на этом уровне еще нет обратных связей, обеспечивающих гомеостазис.

Механизм генетической памяти, конечно, способствует совместно с мутациями и отбором совершенствованию популяций, их приспособлению к меняющимся условиям среды, но он не дает организму никакой свободы выбора. На этом уровне еще нельзя говорить о качестве передаваемой информации, ибо здесь еще не существует той естественной целевой функции, значение которой изменялось бы в зависимости от характера передаваемой информации.Говорить о качестве информации на этом уровне бессмысленно (как говорить о качестве законов Ньютона).

На организменном уровне появляется “субъективность”. Восприятия и реакции уже не являются однозначно определенными - они зависят и от качества рецепторов, и от способа распознавания сигналов, и многих других факторов, связанных с информационной службой организма.

Еще более сложным является механизм хранения и передачи информации в системе “Учитель”. Ценность информации, хранимой и передаваемой учителем, проявилась в рождении еще одного механизма отбора - морали и нравственности. Сама возможность передачи и использования информации с помощью системы “Учитель” диктовала и определенные нормы поведения.

На процесс формирования морали и нравственности ушло много времени, и нормы поведения не были однозначными и неизменными; они изменялись соответственно изменению условий. Однако их возникновение и изменение порождались не целесообразностью, а информацией.

В самом деле, если ценность информации определяется качеством поведения, вырабатываемого на ее основе, то это означает, что в игру вступает интеллект. Он сопоставляет, анализирует, делает выводы, принимает решения. Выводы и решения могут быть и ложными (например, суеверия). Таким образом, целесообразность связана с моралью и нормами поведения весьма опосредованно.

Здесь мы сталкиваемся еще с одним противоречием, еще с одной нетривиальной особенностью процесса самоорганизации. Бездумные действия безусловного или условного рефлексов, как правило, всегда целесообразны. А вот поступки весьма интеллектуального человека вполне могут быть и ошибочными. Они могут быть ложными, наносящими ущерб и самому организму, и его окружению. Другими словами, интеллект сам по себе еще не является гарантом целесообразности.

Возможное объяснение этого феномена заключается в следующем. Наблюдая рефлексы животных, мы обычно имеем дело с конечным результатом их формирования. Ошибочные варианты поведения к этому времени исключаются, мы их не наблюдаем (за исключением экспериментальных условий). Что касается интеллекта, то он дает людям возможность не только предвидеть результаты, но и осознавать противоречивость целей, их многокритериальность. Ситуация типа “буриданов осел” - это типично человеческая ситуация. Животный мир не знает подобных коллизий.

Объясняется это тем, что человек живет в условиях значительно большей неопределенности, нежели животные, которых не гложут сомнения. Этот уровень неопределенности и является источником не только нетривиальных решений, но и возможных ошибок, когда человек, не желая того, действует тем не менее во вред самому себе.

Обретя Разум, Человек приобрел вместе с ним не только новые возможности, но и новые трудности - трудности выбора. С одной стороны, вместе с интеллектом он получил удивительную способность предвидеть результаты собственных действий и поступков, возможность создавать и использовать в своих целях огромные массивы информации. С другой стороны, эта информация раскрывает перед Человеком сложную противоречивость окружающего мира, понимание которой и приводит его в плен неопределенности.

Наука возникла в одном из последних актов процесса развития разумной жизни, ее самоорганизации. Она представляет собой одно из наиболее ярких проявлений информационной сущности современного общества, в котором знания, то есть упорядоченная информация, начинает играть определяющую роль.

Возникшая из чисто практических нужд, наука сегодня поднялась до высочайшего уровня абстракции, и поэтому ее связи с конкретными потребностями общества становятся все более опосредованны.

Человечество, создавая научные знания, очень часто заранее ничего не может сказать об их полезности, предсказать дальнейшее развитие науки, объяснить причины, побудившие ученого заниматься теми или иными проблемами. Мы плохо представляем законы, которые управляют развитием науки. В результате знания обретают самостоятельную жизнь. Возникает самостоятельная ценность знаний, а каждая научная дисциплина обретает собственную логику развития. То есть каждая наука начинает жить собственной жизнью.

Знания накапливаются впрок. Они оттачивают интуицию, содействуют проявлению феномена открытия, порождают спонтанные скачки в нашем понимании окружающего мира. Открытия - это проявление крайней нелинейности процесса самоорганизации информационной базы цивилизации.

Среди различных кризисных явлений особое место занимает информационный кризис.

При недостатке информации процедурам принятия решений свойствен высокий уровень неопределенности. В этом случае на формирование решений оказывают большое влияние субъективные факторы. Однако избыточность информации также порождает трудности и в простых случаях оказывается просто бесполезной.

Наши знания, как и наша деятельность, непрерывно усложняются. Их объем и количество связей, которые приходится учитывать в практической деятельности, растут быстрее, чем экспонента. Если техника работы с информацией остается старой, то новые знания с какого-то момента перестают быть нужными.

Для того, чтобы сделать что-либо новое, приходится хорошо изучать старое, чтобы избежать повторов. При старой технике работы с информацией исследователь не располагает возможностью за обозримый срок изучить тот передний край научных знаний, за которым начинается путь в неведомое. Сегодня мы наблюдаем, что количество работ, повторяющих известные результаты, стремительно растет. Эффективность затрат на новые научные разработки начинает постепенно снижаться.

Другой пример - быстрый рост сложности управления деятельностью, которое требует изучения и учета всех связей. В управленческую сферу вовлекается все большее число людей, что порождает целый ряд новых трудностей: растет число согласований, ошибок и пр., в результате падает эффективность управления - растет мера хаоса.

Есть и еще одна сфера работы с информацией. Нам все чаще приходится иметь дело с объектами, с которыми экспериментировать невозможно в принципе. Единственную информацию о поведении подобных объектов могут дать лишь исследования их математических моделей, которые при старых методах работы требуют необозримых затрат времени.

Эта трудность в значительной степени преодолевается в связи с изобретением компьютеров. Это изобретение столь же эпохальное событие, как и овладение огнем на заре истории. ЭВМ тоже суждено изменить весь облик нашей цивилизации. Среди тех проблем, которые ЭВМ помогут разрешить людям, отметим главную проблему современности - конфликт между Человеком и Природой.

Для того, чтобы сформировать стратегию взаимоотношений между Человеком и Природой - стратегию Разума, недостаточно традиционных методов, основанных на исследовании локальных экологических ситуаций. Нам необходимо научиться изучать биосферу как единое целое, исследовать свойства этой сверхсистемы, законы ее развития, ее реакции на антропогенные нагрузки, то есть необходимо научиться оценивать влияние человеческой деятельности на изменение параметров биосферы и тенденций ее изменения как единой системы.

Биосфера - это уникальный объект, существующий в единственном экземпляре, объект, который находится в вечном движении. В этих условиях обычный, не машинный эксперимент становится ненадежным средством исследования. Но, самое важное, эксперименты с биосферой крайне опасны, ибо в силу какой-либо случайности могут поставить человечество на грань катастрофы. Поэтому экспериментирование с биосферой абсолютно недопустимо.

Располагая лишь теми методами работы с информацией, которые принято использовать в традиционном естествознании и истории, мы не сможем правильно оценить характер эволюции биосферы в условиях растущего влияния на нее цивилизации. Проблемы изучения биосферы и условий гармоничного развития биосферы и общества оказываются гораздо сложнее всех тех проблем, с которыми мы сталкивались до сих пор.

Объединение способностей человеческого интеллекта со способностями вычислительной машины - решающее достижение в разработке той инструментальной основы, которая необходима для теории развития ноосферы и решения возникающих при этом практических задач. Инструментарий, который возникает в результате симбиоза логики и интуиции, методов, возникших в точных и гуманитарных дисциплинах, можно будет назвать “коллективным” интеллектом. Создание подобного инструмента будет качественно новым шагом в развитии средств познания окружающего мира и цивилизации.

Литература

1. Горькавый Н.Н., Фридман А.М. Самоорганизация в кольцах планет/ Природа, 1991, 1

2. Заварзин Г.А. Анти-Рынок в природе/ Природа, 1995, 3, с. 46-60

3. Конкуренция в природе и обществе. Природа, 1993, 11, с. 3-19

4. Моисеев Н.Н. Универсальный эволюционизм. Вопросы философии, 1991, N 3

5. Моисеев Н.Н. Рынок и анти-рынок в природе и обществе/ Природа, 1996,5.

Заключение

Естествознание и христианство: новые возможности диалога.

Вопрос о взаимоотношении естествознания и христианства заслуживает серьезного внимания в связи с возрастающей ролью последнего в жизни общества.

Сложившееся в прошлые годы противостояние науки и религии сменяется терпимостью и даже вниманием к проблемам друг друга. Возможен ли продуктивный для культуры союз между ними?

Науку и религию часто рассматривают как противоположности, считают, что наука не совместима с религией. Между тем они не противостоят, а дополняют друг друга. Наука - это царство логики, религия - внелогического знания. К внелогическому знанию относится и поэзия, музыка, изобразительное искусство, многое без чего наша жизнь стала бы серой и скучной. Поэтому проповедовавшееся многие годы “научное мировоззрение” на самом деле было неполноценным и однобоким. Академик Б.В.Раушенбах (Природа, 1995, N 1, стр. 9-10).

Еще в начале XX века в России готов был начаться диалог между научной и церковной интеллигенцией. В 1909 году в Москве вышел сборник “Вехи”, где явно выражена мысль о непротиворечивости науки и религиозного сознания.

Вместе с тем Патриарх Московский и всея Руси Алексий II говорит: “... христианство никогда не согласится со сциентизмом - этой попыткой сделать науку верховным законодателем и судьей во всех сферах бытия человека, в первую очередь в духовной области. ... Сейчас увлечение сциентизмом проходит, но не бесследно. Мне же думается, что осознание тупика, в который способен привести этот взгляд, поможет светской науке и Церкви вести диалог, поможет сотрудничать в подлинном смысле этого слова, то есть со взаимным уважением, с пониманием особой роли и предназначения друг друга.” (Природа, 1, 1995, стр. 4).

Ныне обе стороны, вероятно, пришли к выводу о том, что доказать существование Бога или его отсутствие невозможно. Проблема эта - область веры.

Вера - центральная позиция и психологическая установка, любой религии, включающая а) принятие определенных догматов и б) решимость придерживаться этих догматов вопреки сомнениям, которые оцениваются как искушения.

Догматы веры предлагаются разуму как аксиомы, не подлежащие ни доказательству, ни критике. В этом всякое вероучение противоположно науке и научному методу.

Однако некоторые церковные проповедники изменяют этим принципам веры и пытаются использовать научные доказательства для обращения читателей в свою веру.

Алексий II: “... я не разделяю ни мнения о противоречивости религии и науки, ни попытки унифицировать их в некой неясной общности. И наука, и Церковь служат ближнему, служат народу. Мы можем сотрудничать ради создания общества, живущего во внутреннем согласии и в гармонии с окружающей природой, основанного на приоритете нравственности во всех поступках, словах и мыслях.” (Природа, 1, 1995, стр. 8).

Л.Н.Толстой: “...я смотрю на христианство, как на учение, дающее смысл жизни. ...пятидесяти лет от роду, спросив себя и всех мудрецов моей среды о том, что такое я и в чем смысл моей жизни, и получив ответ: ты случайное сцепление частиц, смысла в жизни нет, и сама жизнь есть зло... я пришел в отчаяние и хотел убить себя.

...я не знал света, думал, что нет истины в жизни, но убедившись в том, что люди живы только этим светом, я стал искать источник его и нашел его в Евангелиях.

...И, дойдя до этого источника света, я был ослеплен им и получил полные ответы на вопросы о смысле моей жизни и жизни других людей...”

К сожалению, принятие христианства как системы моральных ценностей, ведет к распространению креационизма (антинаучных представлений о мире и человеке, их происхождении, изложенных в Книге Бытия).

Является ли это неизбежным следствием принятия христианства именно как этической системы? Вероятно, нет.

Дело в том, что учение Иисуса Христа (Новый Завет) не касается основ мироздания, не затрагивает вопросов, связанных с происхождением мира и человека.

Акад. Раушенбах отмечает, что “ Ни в Священном Писании, ни в других авторитетных источниках, которые лежат в основе христианской религии, ничего не говорится о схеме мироздания”.

Принимая Новый завет, обязательно ли принимать все, что содержится в Ветхом завете как истину в последней инстанции?

Сам Иисус Христос показывает критическое отношение к некоторым положениям Ветхого Завета:

“Вы слышали, что сказано древним: “не убивай; кто же убьет, подлежит суду”. А Я говорю вам, что всякий, гневающийся на брата своего напрасно, подлежит суду...”

“Вы слышали, что сказано: “око за око, и зуб за зуб”. А Я говорю вам: не противься злому”.

“Вы слышали, что сказано: “люби ближнего твоего и ненавидь врага твоего”. А Я говорю вам: любите врагов ваших...”

Следовательно, ученый или просто образованный человек, являющийся материалистом, может принять христианство как морально-этическое учение, не принимая на веру картину творения мира и человека, описанные в книге Бытия.

Практика показывает, что многие ученые в прошлом были верующими христианами. Достаточно и сейчас среди них верующих. И тем не менее, вклад этих ученых в развитие научной картины мира от этого не становится менее значительным. Связано это с тем, что исследуя явления природы, ученый пользуется научным методом, который позволяет ему получать объективные знания о природе.

Раушенбах: Вера, религиозное чувство ни в коем случае не теория, они не ставят себе задачей истолковывать явления, объясняемые естественными науками, их задача - проповедь любви, этических норм и аналогичных ценностей. Поэтому искренняя религиозность многих выдающихся ученых ничуть не мешала им делать эпохальные научные открытия.

Оппозиция “наука-религия” в огромном большинстве случаев просто не имеет смысла.

И сегодня ученые должны заниматься своим делом - изучать строение и эволюцию Вселенной, а Церковь - пользоваться достижениями науки в тех случаях, когда ей это надо, но не вмешиваться в научную сторону вопроса по существу.

Эпикур: “Боги исчезнут, когда в них перестанут нуждаться люди. А нуждаться в богах люди перестанут тогда, когда разумом своим сравняются с богами. Люди сами должны стать богами. А мы всего лишь рабы, рабы невежества, рабы страстей, рабы денег и тиранов. Рабы страха”. (А.Домбровский. Сад Эпикура. М., 1983, стр. 186).

Литература

1. Алексий II, Патриарх Московский и всея Руси. И наука, и церковь служат ближнему, служат народу. Природа, 1995, 1

2. Бульдяев Г.А. Проблемы гуманизации в космонавтике/ Природа. 1992, 3

3. Гиляров А.М. Мифологическое в экологии/ Природа. 1992. 2

4. Гурштейн А.А. Заметки об опыте науки XX века/ Природа, 1992, 5

5. Карлов Н.В. Ведать - весть - совесть (о гуманизации технических умов)/ Природа, 1991, 6

6. Карпинская Р.С. Коэволюция: развитие темы/ Природа, 1992, 11

7. Корогодин В.И., Кутлахмедов Ю.А., Файси Ч. Информация, эволюция и тех ногенез/ Природа, 1991, 3

8. Крымский С.Б. Культурные архетипы, или знание до познания/ Природа, 1991, 11

9. Мей Ван Хо. Естественное бытие и гармоническое общество. Природа, 1993, 3

10.Мина М.В. Биосфера и техносфера: сходство и различие путей эволюции/ Природа, 1992, 9

11.Может ли наука познать мир?/ Природа, 1991, 2

12.Моисеев Н.Н., Поспелов И.Г. Направленность эволюции и разум/ Природа, 1990, 6

13.Раушенбах Б.В. Миф об антагонизме научного и религиозного мировоззре ния/ Природа, 1995, 1

14.Скворцов А.К. Механизмы органической эволюции и прогресса познания/ Природа, 1992, 7

15.Черносвитов П.Ю. Избыточность как главный фактор эволюции/ Природа, 1992, 4

16.Швырев В.С. Научная рациональность: проблемы критического осмысления/ Природа, 1992, 4