Наука и культура. Различие между естественными и гуманитарными науками

Наука и культура Conceptio (понимание) – концепция:             1) способ понимания явлений;             2) основная точка зрения, руководящая идея деятельности. Задачи курса:             1) показать, как устроен мир с точки зрения современной цивилизации;             2) показать методы и средства его изучения. В основе любой деятельности, любого знания лежит материальное производство, основанное на научных знаниях о природе. Эти знания даются комплексом естественных наук. Кроме того, имеются объективные закономерности, связанные с выделенным положением человека в мире. Прежняя традиция исторического материализма сводила все проявления жизни общества непосредственно к развитию производства и производственных отношений. Под культурой понимался исторически определенный уровень развития общества, а наука как ее часть представляла собой производительную силу. Однако такое определение слишком широко и неопределенно, поэтому целесообразно дать более узкое определение культуры. Культура – область, в которой развертывается духовная и творческая деятельность человека. Она включает:                  1) предметные результаты деятельности;             2) силы и способности человека, реализованные в ней. Наука – одна из частей культуры, функция которой – выработка и систематизация объективных знаний о действительности. Включает:      1) научную деятельность; 2) ее результат – сумму знаний. Наряду с искусством, религией, философией, моралью, правом и т.д. наука выражает все стороны человеческого взаимоотношения с миром. Однако, для современной науки характерно определяющее положение в этом ряду. Можно сказать, что современная наука – это теория действительного. Мир предстает перед нами как потенциальный объект наших действий. Реальность совпадает с тем, что действует на нас. Научное познание создает некую структуру, технический мир, совокупность приемов, методов воздействия. Различие между естественными и гуманитарными науками всегда сводилось к различию методов. Физика, химия, биология имеют во многом сходную методологию и непосредственную связь с практикой, в то время как в рамках истории, социологии или психологии имеется множество подходов и методов, основанных на философских позициях и установках их авторов. Специфика гуманитарного знания состоит еще и в том, что его уровень зависит от развития общества в целом. По-существу, гуманитарные науки появляются только в XIX веке, после определенных общественных преобразований и под влиянием различных философских систем того времени. Для них пытались приспособить индуктивно-логический метод естественных наук (Милль), потом стали дополнять его психологическими поправками (Гельмгольц), затем перешли на язык ценностей (Риккерт). Однако, если вспомнить, что ценность есть просто точка зрения на что-либо (Ницше), система ценностей есть в своем роде тоже технический мир, совокупность приемов и способов воздействия. Таким образом, естественные и гуманитарные науки обладают своей спецификой, но могут быть объединены в единое понятие науки. Научное знание подчиняется общим критериям: 1)      объективность; 2)      систематичность; 3)      непротиворечивость; 4)      подтверждаемость; 5)      эффективность, что также говорит о возможности объединения наук.   История естествознания Имеющиеся сведения о древних цивилизациях позволяют заключить, что их знания об окружающем мире были фрагментарны и мифологичны. Поэтому науки в современном понимании не существовало ни в Египте, ни в Вавилоне, ни в Древней Греции. Человек того времени чувствовал себя частью природы, бытия, и его деятельность была органически включена в жизнь окружающего мира. Поэтому практические нужды могли привести к развитию знаний по конкретным областям без общего системного подхода. Столь же естественным было представление знаний в виде мифов-преданий. Греческие мифы, записанные в VIII-VII вв. до н.э., дают связную картину бытия в виде жизни богов и героев. Изучение мира велось посредством наблюдения. Замеченные факты сопоставлялись, сравнивались между собой, обобщались с тем, чтобы получить закономерности. Характерно разделение теории и практики в познавательной деятельности древних. Натурфилософия в Древней Греции (VI-IV вв. до н.э.) занималась устройством и происхождением мира, пытаясь объяснить их естественными причинами. Однако она не выделялась из общего философского знания и была чисто теоретической дисциплиной. Практика приравнивалась к ремеслу, искусству, технике и поэтому не могла дать сведений о природе вещей. Сущность вещей или явлений доступна лишь философии, она постигается в ходе умственного созерцания, теоретически. В древнегреческой философии выражены две основные методологические тенденции изучения мира, которые в своем классическом варианте прослеживаются вплоть до XVIII века, а концептуально присутствуют и в современной науке: 1)      тенденция Демокрита – атомизм (сведение многообразия мира к сочетаниям элементов – атомов); 2)      тенденция Платона – идеализм (сведение явлений мира к параллельному миру высших сущностей – идей). В Средние века теоретическая и практическая деятельности по изучению мира и человека так же, как и в древности были разделены, но не на философской, а, скорее, исторической почве. В период раннего Средневековья античные знания в Европе были утрачены, а на Востоке они были восприняты арабами и снова попали в Европу в VIII-IX веках. Схоластика или академическая философия в университетах Европы, достигшая расцвета в XIII-XIV веках, занималась систематизацией и уяснением материала из готовых источников(Аристотеля и других). Герметические науки или искусства (магия, алхимия, астрология) – подобие практических методов и знаний, связанных с ремеслами и др. – возникли в эпоху эллинизма и поздней античности. Авторство герметических трактатов II-III веков приписывалось Гермесу Трисмегисту, которого греки отождествляли с Тотом Древнего Египта – богом мудрости, книг, письма, счета и т.п. Согласно философии герметизма, Единое мира предстает в соединении двух: мира телесного и мира духовного. Существует подобие между земными и небесными вещами, поэтому можно воздействовать на земные вещи, влиять тем самым на духовные и достигнуть совершенства во всем, в том числе и совершенного знания о Едином. По-видимому, эксперимент выдвинулся в Средние века как метод изучения природы в практических науках. Появление машинной техники потребовало формализации полученных знаний, представления их в удобной для применения форме, что неизбежно привело к математизации самого естествознания и становлению количественного эксперимента. С другой стороны, накопление фактических сведений вело к необходимости их обобщения, систематизации, экспериментальной проверки, представления в некоем стандартном виде. Поэтому новый методический идеал познания мира, выдвинутый в эпоху Возрождения (XIV-XVI вв.), т.н. субъект-объектное отношение, быстро вошел в методологию естествознания. Действительно, ведь этот идеал предполагает активность познающего субъекта и пассивность, независимость от него объекта, в данном случае, природы, возможность его экспериментального изучения и обобщения знаний. В Новое время (XVII-XIX вв.) формируется наука в современном понимании. Ее существо – в исследовании, а основной метод – эксперимент. Благодаря математизации становится возможной общая схема природы. Теперь наука объясняет природу в рамках этой общей схемы, а научное исследование подготавливает свои объекты для технического применения. Наука вселяет уверенность человека в своих силах, создает определенность, устойчивость окружающего мира, так сказать, гуманизирует бытие человека. Эта тенденция гуманизма характерна для всей поствозрожденческой культуры. Например, в эстетике субъект анализирует объекты по законам красоты, общей эстетической схемы. Искусство посвящено выражению жизни человека, политика заботится о его благах, удобстве и т.д. Физическая картина мира Сущность бытия человека заключается в его деятельности. В ходе деятельности осуществляется понимание человеком себя и окружающего мира. Структуру понимания можно представить следующим образом. Человек встречается с неизвестным сущим, воздействует на него, получает новые сведения, пытается найти в нем известные, знакомые элементы. В результате неизвестное сущее переводится в формы, адекватные человеческому сознанию, и может быть в принципе истолковано, а человеческие возможности познания становятся более широкими.  Полученные знания об окружающем мире могут быть обобщены в соответствующую картину мира. Однако значимость такого обобщения будет зависеть от степени универсальностиданного вида деятельности. Наука достаточно универсальна для того, чтобы предложить собственную картину мира. Наиболее значимой картиной среди естественных наук обладает физика. Среди причин можно назвать следующие. 1) Ясная философская обоснованность физики. В основе ее лежит представление о материальности окружающего мира, согласно которому этот мир объективно реален, един и воспринимаем нашими органами чувств. Физика изучает наиболее общие свойства материальных объектов, в отличие от химии, биологии и др., и поэтому реализует философию материализма в наиболее чистом виде. 2) Высокая степень теоретической разработанности физики. Физика тесно связана с математикой и логикой, которые придают ей систематичность и формализм человеческого мышления. Более того, некоторые ее основные разделы, например, механика, вызвали развитие соответствующих разделов математики, например, дифференциального и интегрального исчисления. 3) Сравнительно легкая верификация физических теорий.  Эти теории могут быть быстро проверены экспериментально и даже внедрены в техническую практику. Следовательно, развиваются те разделы физики, которые обеспечивают актуальные нужды техники в данный момент. Эволюция физической картины мира определяется эволюцией самой физики. Если считать, что физика становится наукой в XVI-XVII веках, то можно выделить три различные картины мира: механическую, электромагнитную, квантово-полевую. 1. Механическая картина мира (Галилей, Декарт, Ньютон, Лаплас, XVII-XIX вв.) Мир – совокупность элементарных неделимых частиц вещества – атомов, составляющих материальные объекты – физические тела. Взаимодействие тел вызывает их движение, причем три закона Ньютона охватывают все возможные случаи этого движения. Взаимодействие тел происходит мгновенно, и поэтому пространство и время существуют отдельно от самих тел. Впоследствии Кант в своей философии объявил их формами восприятия, необходимо предшествующими любому опыту. Материальный мир может быть в принципе описан огромным числом уравнений движения для всех физических тел. 2. Электромагнитная картина мира (Фарадей, Максвелл, 1860-1900 гг.) Материальные объекты – непрерывные поля, в которых имеются точечные силовые центры – заряды. Движение понималось как распространение изменений полей соответствующей природы (волны). Взаимодействие передается полем от точки к точке с конечной скоростью. Уравнения Максвелла описывают любые явления, связанные с электромагнитными полями. Пространство фактически отождествлялось с полем, а время было фактором его изменения. 3. Квантово-полевая картина мира (Бор, де Бройль, Гейзенберг, 1910-1920-е гг.) Материальный объект принципиально двойственен по своей природе. В одних явлениях он ведет себя подобно частице вещества, в других – подобно волне (корпускулярно-волновой дуализм). Движение – частный случай физического взаимодействия. Существует четыре вида фундаментальных физических взаимодействий, к которым может быть сведено любое наблюдаемое взаимодействие в природе. Любое взаимодействие распространяется со скоростью ≤ 300000 км/с. Пространство и время связаны друг с другом и зависимы от движения или состояния материи. В настоящее время применяются все три физические картины мира в зависимости от рассматриваемого круга природных явлений.  Структурная иерархия материального мира В современном естествознании принят системный подход. Это методологическое направление в науке предполагает, что любой материальный объект может быть рассмотрен как сложноорганизованное образование, называемое системой. Система (systema – соединение, состоящее из частей) – совокупность элементов, определенным образом связанных между собой и образующих некоторую целостность. Вообще говоря, в качестве системы можно рассматривать любой объект действительности, лишь бы он был целостным множеством элементов, например, коробку с карандашами. В науке же под системами обычно понимают объекты с устойчивыми и упорядоченными связями элементов между собой, способные относительно самостоятельно существовать в окружающей среде, например, биологический организм. Эти связи образуют структуру объекта. Структура (structura – строение) – относительно устойчивый способ организации элементов системы. Если сохраняется структура, то сохраняется и система в целом. По мере развития естествознания расширялся горизонт человеческого опыта. В настоящее время наблюдениям доступны объекты с пространственными размерами примерно от 10-18 до 1026 м. По отношению к человеку как субъекту познания выделяют три основных уровня структурной организации материального мира: 1)   макромир – объекты, соразмерные повседневному человеческому опыту, то есть имеющие размеры в интервале 10-4 – 102 м; 2)   микромир – малые, непосредственно не наблюдаемые объекты размерами        10-18 – 10-4 м; 3)   мегамир – объекты космоса размерами 104 – 1026 м. Объекты  мегамира. Основная структурная единица – звезда. Звезды – это природные термоядерные реакторы, в которых происходят превращения вещества на ядерном уровне. В зависимости от размеров и плотности звезды можно разделить на два класса: обыкновенные и компактные. Обыкновенные имеют размеры в интервале 108 – 1011 м. Компактные – в интервале 103 – 104 м. К компактным звездам относятся белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. По современным представлениям, эти объекты возникают в результате эволюции обыкновенных звезд. Например, сейчас Солнце является обыкновенной звездой, а примерно через 5 млрд. лет физические процессы приведут его в состояние белого карлика. Космические тела – объекты размерами 104 – 108 м, входящие в состав планетных систем. На основании наблюдений предполагается существование таких систем у сотен ближайших звезд. Космические тела в Солнечной системе представлены планетами, астероидами и кометами, которые движутся по определенным траекториям вокруг Солнца. Звездные скопления (1017 – 1019 м) можно разделить на два вида: шаровые и рассеянные. Шаровые имеют правильную сферическую форму и могут состоять из сотен тысяч и даже миллионов звезд. Возраст шаровых скоплений достигает 15 млрд. лет. Это  самые старые образования в нашей Галактике. Рассеянные содержат десятки, сотни, тысячи звезд. Эти скопления группируются исключительно вдоль Млечного Пути. Существование скоплений наводит на мысль, что, видимо, звезды рождаются группами. Галактики или звездные системы имеют размеры 1020 – 1021 м. Всего известно 125 млрд. галактик. По форме их классифицируют на спиральные, эллиптические и неправильные. Наша Галактика является спиральной. Видимое или светлое вещество составляет лишь 10% массы галактики. Оно представлено миллиардами звезд, а также межзвездным газом и пылью. 90% массы галактик – это темное вещество в составе слабо светящегося газа, потухших звезд и планет. Оно практически не видимо и может быть обнаружено в основном по его гравитационному воздействию на светлое вещество. Скопления галактик (1022 – 1023 м) бывают трех видов: скопления сферической формы, содержащие сотни и тысячи галактик; галактические облака, включающие до 20 тысяч галактик; группы, состоящие из десятков галактик.  Ячеистая структура. Правильное чередование галактик и пустот между ними образует шестигранную структуру с размером ячеек 1024 м. Вдоль стенок шестигранников расположены галактики и их скопления. Мегагалактика – это вся доступная наблюдениям часть Вселенной. Граница ее называется космологическим горизонтом и находится на расстоянии 1026 м, соответствующем  возрасту Вселенной, оцениваемому в 13-15 млрд. лет. Этот возраст можно оценить, например, так: лет. Числитель – расстояние до светящегося объекта на космологическом горизонте в метрах; Знаменатель – произведение следующих сомножителей: - скорость света в м/с; - число секунд в часе; - число часов в сутках; - число суток в году. Объекты микромира 1. Молекула – наименьшая устойчивая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов. Размеры молекул зависят от их структуры и числа атомов (10-10 – 10-4 м). Неорганические молекулы Н2, О2, N2, Ne, As2O5 и др. Органические молекулы CH4, CH3COOH, C2H6, ДНК, РНК и др. 2. Микроскопические тела представляют собой объединения молекул, имеющие определенную структуру, размером 10-7 – 10-4 м. Они могут относиться как к живой, так и к неживой природе. Клетка – элементарная живая система, состоящая из органов (органоидов), которые являются также микроскопическими телами. Может существовать автономно (бактерии) и в составе организма. Размер самых маленьких бактерий 10-7 м, размеры большинства ядерных клеток 10-5 – 10-4 м. Кристаллические зерна в поликристаллах (10-7 – 10-6 м) – могут расти или уменьшаться в размерах при определенных условиях. Магнитные домены (10-5 – 10-4 м) – области ферромагнитного вещества (Fe, Co, Ni), обладающие самопроизвольной намагниченностью. Внешнее магнитное поле вызывает рост одних доменов и уменьшение других. Нагревание вещества приводит к исчезновению доменной структуры. 3. Атом – наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро имеет положительный электрический заряд, электронная оболочка – отрицательный. Она состоит из электронов (e-) – частиц, движущихся вокруг ядра. Заряд и масса электронов соответственно равны: qе= -1,6·10-19 Кл, me = 9,1·10-31 кг Так как по модулю заряды ядра и электронной оболочки равны, то атом представляет собой в целом электрически нейтральную систему. Между зарядами в атоме существует электромагнитное взаимодействие, которое и обеспечивает его устойчивость. Размеры атома зависят от его энергетического состояния. Наиболее устойчивым является состояние с минимальной энергией. При этом поперечники атомов составляют (1-6)·10-10 м. Получив энергию извне, атом переходит в состояние с большей энергией, и его размеры увеличиваются. Однако в достаточно плотных средах эти размеры ограничены взаимодействием с соседними атомами. В условиях космоса плотность частиц очень мала (плотность межзвездного газа ~10-21 кг/м3) и размер атома может возрастать до 10-4 м. Наблюдения спектров газовых облаков свидетельствуют о существовании в них атомов углерода такого размера. 4. Атомное ядро состоит из частиц, называемых протонами (р) и нейтронами (n). Эти частицы считаются двумя различными знаковыми состояниями одной и той же частицы, называемой нуклоном.  протон (qp = 1,60·10-19 Кл; mp ≈ 1,6726·10-27 кг) нуклон нейтрон (qn = 0; mn = 1,6749·10-27 кг) Устойчивость ядра обеспечивается ядерными силами, действующими между нуклонами. Размеры ядер 10-15 – 10-14 м. 5. Элементарные частицы – это первичные, неделимые частицы, из которых предположительно состоит материальный мир. По мере развития экспериментальной техники открываются новые частицы, а прежние оказываются составными, поэтому список элементарных частиц все время пополняется. Современная классификация охватывает более трехсот их наименований. Она содержит два основных класса – адроны и лептоны. Адроны – участвуют в сильных (ядерных) взаимодействиях. Лептоны – в слабых и электромагнитных (электрон, нейтрино). Адроны делятся на два семейства (барионы и мезоны). Барионы – могут превращаться в p или получаться из него (р и n). Размеры ядер и частиц определяются по результатам их столкновений. Размеры некоторых из них < 10-15 м и точно неизвестны. Здесь пролегает горизонт человеческого опыта в микромире. Далее следуют лишь гипотезы и предположения. Например, в кварковой модели строения вещества (1964 г., Гелл-Манн и Цвейг) предполагается, что любой адрон можно представить в виде набора кварков – частиц, имеющих дробныйэлектрический заряд. Лептон непредставим. Хотя в свободном виде кварки не обнаружены и считается, что они существуют только в составе адронов, эта теория позволила объяснить некоторые эксперименты, а также открыть новые частицы. Природа физического взаимодействия Структура любой материальной системы определяется взаимодействиями между ее элементами. Физика занимается наиболее общими из них, которые она сводит к четырем фундаментальным типам: гравитационному, электромагнитному, сильному (или ядерному) и слабому. Изучение взаимодействий материальных объектов приводит к необходимости разделять эти объекты на два вида: вещественные (физические тела) и полевые (физические поля). Физические тела – материальные объекты, характеризуемые собственной массой или массой покоя. Физические поля – материальные объекты, характеризуемые энергией и массы покоя не имеющие. В макромире это разделение кажется естественным, поскольку выражает противопоставление дискретности и непрерывности. Действительно, физические тела локализованы в пространстве, а масса является характеристикой их инертных свойств. Факт наличия полей признан со времен Фарадея. Это, прежде всего, электрическое и магнитное поля, непрерывно распределенные в пространстве. Например, энергия электрического поля , где – постоянная, Е – модуль напряженности поля, а интегрирование производится по всему объему V, занимаемому полем. Энергия поля есть мера его воздействия на заряженные тела. Таким образом, физическое поле представляет собой область пространства, каждая точка которого обладает силовым действием. Однако, и в макромире можно указать ситуации, когда локализация физических тел становится условной, например, течение жидкости рассматривается как движение непрерывно распределенной сплошной среды, характеризуемое полем плотности, скорости и т.п.:  …, где – радиус-вектор точки поля. Дискретность поля проявляется в его поглощении веществом; при этом его энергия может быть представлена в виде конечного целого числа (N) дискретных поглощенных порций , называемых квантами энергии поля: . Эти примеры убеждают, что дискретность или непрерывность материального мира является относительной и предполагается присущей ему при рассмотрении тех или иных его свойств. Изучение микромира показывает, что как вещественный объект, так и поле состоит из элементарных частиц. При этом их также можно разделить условно на собственно взаимодействующие частицы и частицы-переносчики взаимодействия или микрополя. Последние, как правило, испускаются самими взаимодействующими частицами. Чем массивнее частица-переносчик, тем меньше радиус действия данного типа взаимодействия. Рассмотрим механизмы фундаментальных взаимодействий. 1) Радиус действия сильного взаимодействия ~10-15 м (ограничен размерами ядра).                                Рисунок 1   1-й нуклон испускает частицу-переносчик – π-мезон, поглощаемую 2-ым нуклоном. При этом энергия 1-го нуклона уменьшается, а 2-го увеличивается. π-мезон – массивная частица: его масса в  200 раз больше массы электрона. Эта схема не учитывает предполагаемую кварковую структуру нуклонов. Современная теория сильного взаимодействия – квантовая хромодинамика – рассматривает его как процесс испускания и поглощения кварками глюонов, электрически нейтральных и не имеющих массы частиц-переносчиков. 2) Электромагнитное взаимодействие слабее ядерного в ~ 137 раз. Заряженные частицы обмениваются фотонами , испуская и поглощая их непрерывно. Так как фотоны имеют нулевую массу покоя, то они могут, в принципе, передавать взаимодействие на бесконечно большое расстояние.           Рисунок 2   Например, электрическая сила взаимодействия двух частиц с зарядами  и : , где k – коэффициент, проявляется на любых расстояниях между частицами .             Теория электромагнитного взаимодействия – квантовая электродинамика – достаточно хорошо подтверждена экспериментально. Ее предсказания совпадают с результатами измерений с точностью до десяти значащих цифр. 3) Слабое взаимодействие слабее ядерного в ~ 105 раз, действует на расстояниях  ~ 10-18 м в ядерных реакциях. Его переносчиками являются промежуточные бозоны , и . Эти частицы были обнаружены и изучены экспериментально. Оказалось, что они имеют электрический заряд и массу, почти в 200000 раз превосходящую массу электрона. Практически все частицы могут испускать и поглощать промежуточные бозоны, и поэтому слабое взаимодействие в природе представлено множеством разнообразных процессов.             Рисунок 3   Пример: β-распад нейтрона  происходит следующим образом:  n испускает промежуточный бозон , распадающийся на три более устойчивые частицы: протон (р), электрон (), электронное антинейтрино ().               4) Гравитационное взаимодействие слабее ядерного в 1039 раз. Частицы-переносчики – гравитоны – гипотетические частицы с нулевой массой покоя. Сила взаимодействия (в соответствии с законом всемирного тяготения): , где G – постоянная, m1 и m2 – гравитационные массы частиц, r – расстояние между ними.       Рисунок 4   Таким образом, все фундаментальные взаимодействия имеют обменный характер. Их механизм одинаков и сводится к обмену частицами-переносчиками, которые испускаются и поглощаются взаимодействующими частицами. Естественны попытки объединить все четыре типа взаимодействия в единую теорию. Например, теория электрослабого взаимодействия рассматривает электромагнитное и слабое как две стороны одного взаимодействия, различия между которыми проявляются только при достаточно низких энергиях. Грин и Шварц предложили теорию суперструн – протяженных объектов размером 10-35 м, различные состояния которых образуют известные частицы. В ней предсказывается существование тахионов – частиц, движущихся со скоростями, большими световой, из которых, предположительно, состоит теневой мир галактик.   Пространство и время в механической картине мира Материальный мир существует в двух основных формах – пространстве и времени. Пространство выражает протяженность и  порядок расположения материальных объектов. Время выражает последовательность протекания явлений и их длительность.  Представления о пространстве и времени всегда формировались практическими потребностями человеческого опыта. В древности, по-видимому, не существовало разделения наук, и знания того времени часто оказывались просто обобщением наблюдений. Явление считалось полностью изученным, если в нем удавалось выделить один или несколько существенных моментов. Например, падение камня Аристотель считал естественным движением тела, стремлением к Земле, так как он выделял в этом явлении существенный момент, когда камень лежит на Земле. Камень стремится к своему естественному положению – к конечной цели явления. Грекам казалось очевидным искать в процессе любого изменения неизменное – форму, сущность или цель, одним словом, идею явления. Например, философы Элейской школы (Ксенофан, Зенон, Парменид) (VI-V вв. до н.э.) вообще объявили всякое изменение иллюзией. Парменид утверждал, что существует только то, что мыслимо и выразимо в словах, т.е. бытие. Следовательно, оно не возникло и не исчезнет, неизменно и непротиворечиво. Поэтому в мире царит неподвижность, законченность и совершенство. Согласно Зенону, мы наблюдаем не реальное движение тела, а ряд его положений в последовательных точках пространства.  Платон называл время движущимся образом вечности. Реально существуют только неизменные сущности или идеи. Они образуют логический порядок. В материальном мире им соответствуют вещи или явления, которые обречены на непрерывное изменение и движение. Они образуют физический порядок в пространстве и времени. Таким образом, пространство и время выражают только образ реальности. Идеал древнегреческой науки – это наука об идеях. В Новое время была произведена систематизация физики по древнегреческому образцу. Наука отказалась от выделения существенных моментов в явлениях и стала принимать время за независимую переменную. Галилей ввел в механику количественный эксперимент и математическое описание явлений. Процесс падения камня на землю можно было теперь описать уравнением   где h – высота, h0 – начальная высота, g – ускорение, t – время. Движение тела по-прежнему представлялось как ряд последовательных положений h, однако такое описание более точно соответствовало реальности изменения. Уменьшая промежуток Δt между двумя моментами времени t, можно было добиться желаемой непрерывности движения и проконтролировать ее на опыте. Так как математически оказалось возможным описать только количественную сторону явлений, возникла двойственность в физической картине мира. Декарт признавал как механический характер материального мира, так и свободную волю человека. Механическое движение относительно, оно имеет некую длительность, воспринимаемую нашим мышлением. Мышление свободно и осуществляется в истинном времени, которое связано с абсолютной реальностью и потому абсолютно. Материальный мир Декарта представал в виде протяженности, наделенной геометрическими свойствами, и длительности. Для описания движения Декарт ввел координатную систему трех пространственных переменных x, y, z и независимой временной t.  Эта система математически обосновала физическое пространство и время. Система мира Ньютона опирается на открытый им закон всемирного тяготения, универсальный для всего материального мира. Чтобы теоретически описать его структуру и возможное развитие, Ньютон ввел понятие абсолютного пространства и абсолютного времени. Абсолютное пространство существует независимо от времени, остается всегда одинаковым и неподвижным. Его наполняют материальные объекты. Абсолютное время (математическое) само по себе течет равномерно. Относительное пространство и время – кажущиеся понятия, определяемые нашими чувствами в обыденной жизни. Таким образом, в науке укрепилась методология, позволяющая рассматривать только определенный тип материальных систем. Таких, которые можно представить в виде механической системы, подчиняющейся уравнениям движения классической механики. Лейбниц считал концепцию абсолютного пространства и времени неправильной, так как понимал пространство как порядок сосуществования элементов; время – как порядок последовательностей; следовательно, пространство и время связаны с самими вещами. Однако идеи Лейбница не годились для математического обоснования законов движения. Итак, в механической картине мира: Пространство – бесконечно, описывается геометрией Евклида, абсолютно пустое, однородное и изотропное, независимое от материальных объектов. Время – абсолютно однородное, равномерно текущее, независимое от материальных объектов. Законы сохранения механических величин Механика ставит перед собой две основные задачи: 1.      Изучение различных движений и обобщение полученных результатов в виде законов движения. 2.      Поиск общих свойств, присущих любой механической системе независимо от вида взаимодействий между ее телами. Решение первой задачи привело к установлению динамических законов, которые позволяют в принципе вычислить положение тела в любой момент времени при его конкретном движении. Например, для того чтобы определить координату материальной точки х в любой момент времени, надо проинтегрировать уравнение 2-го закона Ньютона . Если известен закон действия силы Fx и положение точки в начальный момент времени, т.е. то эта задача может быть решена. Трудности возникают, главным образом, в следующих случаях: 1)      законы действия сил могут быть неизвестны; 2)      уравнения могут не иметь методов решения; 3)      существуют задачи, в которых нет смысла рассматривать движение отдельных тел системы (например, молекул газа). В этих случаях актуальна вторая задача механики. Ее решение привело к обнаружению законов сохранения энергии, импульса и момента импульса. Эти законы позволяют рассмотреть общие свойства движения без решения уравнений и детальной информации о развитии процессов во времени. Математически они сводятся к постоянству численного значения определенной физической величины или комбинации величин. Поэтому фактически они дают дополнительные и, как правило, более простые уравнения, чем уравнения движения, облегчающие решение задачи. Закон сохранения механической энергии , где , для замкнутой консервативной системы N тел можно получить из 2-го закона Ньютона, если при этом учесть свойство однородности времени. Однородность времени означает, что если в любые два момента времени все тела замкнутой системы поставить в одинаковые условия, то, начиная с этих моментов времени, все явления в ней будут протекать одинаково. Пример. На работу механических часов влияют различные факторы, зависящие от времени. Поэтому, вообще говоря, время для часов неоднородно. Например, период колебаний маятника будет меняться вследствие изменения атмосферного давления, влажности воздуха, времени суток и т.п. Однако, как правило, притяжение к Земле является основным фактором, обеспечивающим колебание маятника. Если пренебречь всеми прочими влияниями и считать систему часов с маятником замкнутой системой, время для них будет однородным. В конечном счете, это позволяет независимо от других явлений измерять время часами. Закон сохранения импульса , где , для замкнутой механической системы N тел можно получить из 2-го закона Ньютона, если при этом учесть свойство однородности пространства. Однородность пространства означает, что если замкнутую систему, как целое, перенести из одного места в другое, то это не отразится на ходе всех последующих явлений в ней.                                                                                           Пример. Падение камня на Землю.   Рисунок 5   Вдоль оси х на камень действует сила тяжести , где m – масса камня, – ускорение свободного падения. По 2-му закону Ньютона . Следовательно, . Пространство для камня вдоль оси х неоднородно, т.к. начальные положения х1 и х2 камня неэквивалентны в отношении последующего движения. Вдоль осей у и z силы не действуют, , следовательно,  . Пространство вдоль этих осей однородно, т.к. в отношении последующего движения камня ничего не изменится, если точку его бросания перенести по оси  z (из z1 в z2) или по оси у. Закон сохранения момента импульса , где , для замкнутой механической системы N тел можно получить из 2-го закона Ньютона, если при этом учесть свойство изотропности пространства. Изотропность пространства означает, что если замкнутую систему, как целое, повернуть на любой угол, то это не отразится на ходе всех последующих явлений в ней. Пример. Вращение волчка в плоскости ху под действием постоянного момента сил . Согласно уравнению динамики вращательного движения  ,. Следовательно, ,. Вдоль осей x и y пространство изотропно, т.к. поворот волчка на любой угол вокруг этих осей никак не повлияет на характер дальнейшего движения. Вдоль оси z пространство неизотропно, т.к., если в некоторый момент времени повернуть волчок на угол α относительно этой оси, его новое положение не будет эквивалентно положению до поворота в отношении последующего движения.   Рисунок 6   В рамках механики законы сохранения являются следствиями законов Ньютона, однако, как показывает опыт, если расширить понятие энергии, импульса и момента импульса, законы их сохранения становятся универсальными принципами для всей физики и естествознания. Расширение понятия энергии за пределы механики привело к универсальному закону сохранения полной энергии для изолированных систем: W = const. В таком виде он уже не может быть выведен из законов Ньютона, а должен рассматриваться как наиболее широкое обобщение опытных фактов. Аналогично, законы сохранения импульса и момента импульса тоже оказываются применимыми для любых материальных объектов. Например, взаимодействие электромагнитных волн с веществом подчиняется закону сохранения импульса, если наблюдаемые при этом свойства волн описать при помощи обобщенного понятия импульса. Соответственно, свойства однородности и изотропности пространства и времени следует при этом понимать уже не только в механическом смысле, и они связаны с новыми аспектами движения материальных объектов.   Теория относительности Эта теория окончательно сформировала относительный или релятивистский подход к законам физики. В основе этого подхода лежит представление о том, что любое понятие в сфере человеческого опыта имеет вполне определенное значение только в рамках некоторой системы взглядов, с некоторой точки зрения. В средневековой схоластике человек считался абсолютным центром мироздания, поскольку во всем мировоззрении выделялся духовно-нравственный аспект. Поэтому мир представляли в виде абсолютных структур пространства и времени, а законы природы могли существовать только в связи с выделенным положением абсолютного центра. Например, геоцентрическая модель Птолемея (I-II вв. н.э.), принятая в Средние века, основана на идее Аристотеля о понимании Земли как естественного центра, к которому стремятся все падающие тела. Возрождение выдвинуло идеал гуманизма о ценности каждого конкретного человеческого бытия. Тем самым была признана множественная структура мира, в которой уже не было выделенной точки зрения. Поставив вместо Земли Солнце, Коперник фактически показал, что в качестве центра мира можно поставить одну из звезд и что вообще нет абсолютного центра. Николай Кузанский (XV в.) представлял мир как бесконечное развертывание Единого во множественное. Бруно соединил эти идеи в своей концепции бесконечной Вселенной. Она состояла из множества планетных систем, совершенно равноправных между собой. Таким образом, раз нет абсолютных выделенных положений в пространстве и моментов времени, то законы природы можно, по-видимому, отнести к любой точке, и из них будут следовать одни и те же выводы. В классической механике эта релятивистская идея выражена в принципе относительности Галилея. Законы механики имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета. Действительно, если система инерциальна, то система , связанная с объектом, движущимся относительно K со скоростью , где , также будет инерциальной. Очевидно, что координаты любой материальной точки в этих системах связаны преобразованиями Галилея (ПГ):  ;  ;  ; . Скорости складываются:  ;  ; ; ускорения , ,  ;   . Сила описывает взаимодействие тел, поэтому она зависит от расстояний между ними, т.е. в конечном счете от разницы координат (), (), (). Очевидно, что , ,  ,  . Следовательно, в обеих инерциальных системах имеется один и тот же вид закона механики . Тем не менее, релятивистский подход здесь ограничен только теми системами отсчета, которые связаны преобразованиями Галилея, и само понятие инерциальности системы условно, так как требует экспериментальной проверки.  Эксперименты по проверке теории электромагнитного поля Максвелла и изучению электромагнитных волн показали, что: 1)                 Скорость света конечна и совпадает с предсказанной Максвеллом, с погрешностью + 5 км/с. 2)                 Она также не зависит от движения источника света или приемника, что не согласуется с законом сложения скоростей Галилея. 3)                 Кроме того, магнитное поле проявляется только в системе отсчета, в которой имеется движение заряда, поэтому если две системы отсчета связаны преобразованиями Галилея, то уравнения Максвелла должны иметь различный вид в этих системах. Лоренц показал, что для того, чтобы эти уравнения имели одинаковый вид, координаты систем отсчета должны быть связаны следующими соотношениями. Преобразования Лоренца (ПЛ):  ;  ;  ; . Все эти факты нашли объяснение в теории относительности Эйнштейна (ТО). Она состоит из двух частей – специальной (СТО) и общей (ОТО) теории относительности.                         СТО (релятивистская механика, электродинамика) (1905 г.) ТО                         ОТО (теория тяготения или гравитации) (1916 г.) СТО основана на двух постулатах: 1)                 специальный принцип относительности: законы физики имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета; 2)                 скорость света в вакууме (м/с) постоянна и не зависит от движения источника или приемника света. Этим постулатам удовлетворяют только преобразования Лоренца, из которых следует, что существует связь между физическим пространством и временем. Эйнштейн вывел также практически важные следствия: а) Если , то ПЛ → ПГ; б) при необходим другой закон сложения скоростей; в) длина движущегося тела ↓ в  раз в направлении движения,  где u – скорость тела (сокращение длины); г) течение времени в движущейся системе отсчета ↓ в  раз (замедление времени); д) m движущегося тела ↑ в  раз. Соответствующие механические эффекты допускают экспериментальную проверку в микромире. ОТО основана на общем принципе относительности: Законы физики имеют одинаковый вид в любых системах отсчета. Эйнштейн выдвинул принцип из следующих соображений: 1)                 если тело движется под действием силы тяжести, то , где mи - инертная масса, mгр – гравитационная, g – ускорение свободного падения. Так как опыт показывает, что  независимо от материала или физического состояния тела, то (эквивалентность масс); 2)                 следовательно, гравитационное поле в принципе может быть устранено выбором системы отсчета; 3)                 так как гравитационное взаимодействие охватывает весь материальный мир, то можно считать, что оно эквивалентно движению тел в особом искаженном пространстве; 4)                 геометрия этого пространства отличается от геометрии Евклида. Она определяется распределением и характером движения материи в нем. Если нет других типов взаимодействий, то тело в таком, неевклидовом, пространстве движется по инерции, т.е. равномерно вдоль некоторой кривой. Однако, гравитационное взаимодействие очень слабое, и поэтому пространство заметно отличается от Евклидова, по-видимому, только вблизи очень массивных тел. Известно около  20 эффектов в мегамире, объяснимых с помощью ОТО. Вот два из них: а) Световые лучи, проходя вблизи Солнца, отклоняются от прямой линии, следуя геометрии пространства вокруг него. Это впервые было проверено во время солнечного затмения в 1919 г. Результаты: α = 1,75" (ОТО), α = 1,98" + 0,30" (наблюдения).   Рисунок 7   б) Смещение орбиты Меркурия (М) вследствие его движения в пространстве вблизи Солнца (С). Результаты: β = 43,03" (ОТО); β = 42,56 + 0,94" (наблюдения 1795-1895 гг.).     Рисунок 8   Таким образом, возникнув на основе разработки электродинамики и теории тяготения, теория относительности переросла рамки этих наук и в настоящее время представляет собой фундаментальную теорию пространства и времени. Одним из ее достижений является вывод о том, что свойства пространства и времени определяются структурой материи и состоянием ее движения. Основные положения квантовой механики Исследования атомных и субатомных явлений в ХХ веке показали, что свойства микрообъектов существенно отличаются от привычных свойств макроскопических тел и что для их понимания нельзя пользоваться классическими физическими теориями. Уже в экспериментах начала ХХ века выявились, прежде всего, следующие две стороны физической реальности микромира, непонятные с точки зрения классической механики. 1) Ряд механических величин, например, энергия или момент импульса микрочастицы, могут иметь только определенные дискретные значения W1, W2, …, Wn, в то время как в классической механике эти величины всегда имели непрерывное множество в принципе любых значений. 2) Существует взаимодействие между объектом измерения и измерительным прибором, которое приводит к тому, что при измерении одной физической характеристики может возникнуть изменение другой, измеренной ранее. Следовательно, мы не можем одновременно точно знать все характеристики микрообъекта. Классическая теория предполагает, что взаимодействие объекта и прибора в принципе можно исключить. Таким образом, классическая механика пригодна, по-видимому, для рассмотрения движения тел большой массы, а в области малых масштабов необходима более общая механика. Квантовая механика изучает движение частиц в области микромира на расстояниях менее 10-8 м, т.е. движение атомов, молекул, элементарных частиц и частиц кристаллов.  В основе квантовой механики лежат представления о квантах энергии, дискретности физических величин и гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц вещества. Предшественницей квантовой механики была квантовая теория света Планка и Эйнштейна. Свет, да и вообще любое электромагнитное излучение имеет как волновые, так и квантовые свойства, проявляющиеся в разной степени. Волновые свойства более заметны для низкочастотного диапазона (радиоволны, инфракрасный (ИК) и видимый свет), а квантовые – для высокочастотного (ультрафиолет (УФ), рентген, γ-лучи). Вещество – тоже материальный объект, как и электромагнитное поле, и поэтому естественно предположить наличие волновых свойств у вещества, проявляющихся в разной степени. Кванты света или фотоны в теории Эйнштейна, кроме энергии , имеют также импульс . Поскольку импульс характерен, прежде всего, для движущихся тел (), де Бройль (1924) выдвинул следующую гипотезу: Любой движущейся частице вещества можно поставить в соответствие волну с длиной , где  – импульс частицы. Так как h = 6,62∙10-34 Дж∙с, то λ достаточно велика только у частиц малой массы. Поэтому волновые свойства движущихся микрочастиц уверенно наблюдаются, а макрообъекты их не проявляют. Например, при скорости  ~ 106 м/с длина волны электрона λе ~ 7∙10-10 м. Следовательно, его дифракцию можно наблюдать практически на любой кристаллической структуре с периодом d ~ 10-10 м. Длина волны пули массой 10 г, летящей со скоростью 300 м/с, составляет  примерно 2∙10-34 м, и ее дифракцию пронаблюдать нельзя, так как такие маленькие структуры экспериментально недоступны. Никакие известные виды волн не подходят для описания природы волн де Бройля. Эти волны имеют смысл волн вероятности. Плоская волна свободной частицы соответствует равной вероятности ее нахождения в любом месте пространства. Взаимодействие частицы с кристаллической решеткой трактуется как рассеяние этой волны на трехмерной структуре, и в результате этого вероятность попадания частицы в разные точки становится неодинаковой. Волновая природа движения микрочастиц приводит к тому, что если к ним применяются понятия классической механики, например, координаты или импульса, то возникают неустранимые неточности при определении соответствующих величин. Они выражаются соотношениями неопределенностей Гейзенберга (1927). Наибольшее практическое значение имеют два соотношения. 1) Для неопределенностей координат и импульсов: т.е. если х известно с точностью Δх (), то импульс рх можно измерить только с точностью до .  2) Для неопределенностей энергии и времени: ;        т.е. если частица пребывает в течение времени Δt в состоянии с энергией W, то эта энергия в принципе может быть определена только с точностью до ΔW, и, наоборот, энергия может быть определена точно (ΔW = 0) только для бесконечно большого промежутка времени (Δt →∞). Для описания движения микрочастиц Шрёдингер (1926) предложил уравнение: , где ,  – потенциальная энергия частицы, m – ее масса, . Решением этого уравнения при заданных начальных и граничных условиях является волновая функция . Она характеризует вероятность нахождения частицы в точке  в момент времени t  и позволяет найти наблюдаемые значения ее параметров. Современная теория атома использует квантовую механику. Решение уравнения Шрёдингера для электронов в поле ядра дает соответствующие параметры атомов и атомных систем. Результаты теории: 1)      физические величины, характеризующие свойства атома, имеют дискретные значения (квантованы); 2)      эти значения определяются в общем случае четырьмя квантовыми числами; 3)      электроны следует представлять в виде облака отрицательного заряда различной формы, радиус орбиты представляет собой наиболее вероятное положение электрона относительно ядра. Одинаковые частицы в микромире принципиально неразличимы (если поменять местами два электрона в атоме, то ничего не изменится). Основываясь на этом факте, Паули (1925) выдвинул принцип: В атоме в одном состоянии может находиться только один электрон. Этот принцип обосновывает построение таблицы Менделеева. Каждое электронное состояние в атоме характеризуется определенными значениями квантовых чисел. Общее количество этих значений для каждой электронной оболочки ограничено. Поэтому с ростом порядкового номера элемента электроны последовательно заполняют состояния сначала самых близких к ядру электронных оболочек, размеры электронных облаков которых самые маленькие из возможных. Если электронная оболочка полностью заполнена, то у следующих далее в таблице элементов электроны заполняют состояния новой, более удаленной от ядра оболочки, которой соответствуют бóльшие размеры электронных облаков. Таким образом, в атоме не может быть двух электронов, у которых квантовые числа были бы одинаковы. В целом, электронная структура атомов каждого химического элемента строго индивидуальна, хотя отдельные электронные оболочки могут быть одинаковы. Например, сходство электронных оболочек на периферии атомов обуславливает сходство их химических свойств. Космологические модели Вселенной Вселенная – весь материальный мир в целом. Астрономическая вселенная (космос) – Метагалактика (доступная наблюдениям часть Вселенной). Космология – физическое учение о Вселенной как целом. Космогония – раздел астрономии о происхождении и развитии объектов космоса. В древности, по-видимому, преобладали именно космологические представления о мире, т.к. какие-либо теории его происхождения были либо чисто философскими, либо мифологическими. Например, космогония древних греков была, по существу, иллюстрацией истории их богов и героев. Гесиод (VIII-VII вв. до н.э.) в поэме «Теогония» рассказывает о том, что мир произошел из четырех первоначал: Хаоса, Геи, Эрота и Тартара. Эти мифические первоначала возникли сами по себе. Хаос – первичное бесформенное состояние мира, от которого происходят Эреб (Мрак) и Ночь. Гея (Земля) породила Урана (Небо), затем от них рождаются титаны, и, наконец, главный бог Олимпа – Зевс. Эрот (Любовь) – представляет собой мировую силу, действующую как на богов, так и на людей. Тартар – своего рода подземное царство для богов, туманное и ужасное. Известная в то время часть Вселенной ограничивалась телами Солнечной системы, причем, в космологических теориях присутствовали все основные концепции последующих веков. Например, Аристарх Самосский (IV-III вв. до н.э.) был сторонником гелиоцентризма, а Демокрит (V-IV вв. до н.э.) высказывал идею множественности миров во Вселенной. В I-II вв. н.э. утвердилась геоцентрическая система Птолемея. В последующие века она неоднократно подправлялась и усложнялась, пока не сменилась гелиоцентрической системой Коперника (XVI в.). Коперник сохранил античные идеи кругового движения планет и сферы неподвижных звезд как границы Вселенной, но использовал результаты астрономических измерений относительных расстояний планет от Солнца и расширил радиус сферы звезд. В дальнейшем в систему Коперника проникли идеи множественности звездных систем и бесконечности Вселенной, высказанные Бруно, Диггсом и др. Наблюдения ближайших планет обнаружили их сходство с Землей и подтвердили статус Земли как рядовой планеты. Наконец, механика Ньютона (XVII в.) дала математическое описание классической модели Вселенной. Основные черты этой модели: 1)      Вселенная бесконечна в пространстве и времени, понимаемых в абсолютном смысле (по Ньютону). 2)      Движение и развитие небесных тел подчиняются закону всемирного тяготения. 3)      Количество тел во Вселенной бесконечно. 4)      Одни из них исчезают, другие возникают, сохраняя в целом неизменность Вселенной. Космология XVIII-XIX вв. пыталась получить фактические подтверждения классической модели и предсказать будущее Вселенной. Необъяснимыми казались только некоторые теоретические выводы, названные космологическими парадоксами. Фотометрический парадокс (Шезó-Óльберс): если число звезд во Вселенной бесконечно, то они должны давать огромную яркость звездного неба. Действительно, если звезды распределены в пространстве равномерно, то небо должно иметь везде одинаковую яркость, превосходящую яркость Солнца; а если они сосредоточены на отдельных направлениях, то должны быть видны яркие пятна на небе в этих направлениях. Гравитационный парадокс (Зéелигер): если число небесных тел бесконечно, то сила притяжения к ним любого данного тела должна быть бесконечно большой. Термодинамический парадокс вытекал из вывода Клаузиуса о «тепловой смерти» Вселенной: если Вселенная существует вечно, то в ней давно должны прекратиться все процессы и наступить состояние термодинамического равновесия. Космологические модели XX века основаны на решении уравнений общей теории относительности (ОТО), созданной Эйнштейном в 1916 году. Согласно ОТО, свойства пространства определяются распределением в нем гравитационных масс. Модель Эйнштейна (1917 г.) предполагает, что: 1)      Вселенная существует вечно, 2)      а пространство ее конечно по объему, но не имеет границ (подобно тому, как не имеет границ поверхность шара, хотя он и имеет конечный объем), 3)      такое пространство должно быть четырехмерным и описываться специальной геометрией. Развивая идеи Эйнштейна, Фридман в 1922 году показал, что Вселенная в его модели не может быть неизменной, а должна либо сжиматься, либо расширяться с течением времени. В настоящее время считается, что Вселенная расширяется. Модель расширяющейся Вселенной подтверждается в основном наблюдениями спектров излучения далеких галактик. Еще Хаббл в 1929 году открыл, что: 1)      галактики распределены в пространстве равномерно, образуя ячеистую структуру, что согласуется с исходным предположением Фридмана; 2)      существует закон  , где u – скорость удаления галактики, r – расстояние до нее, Н – постоянная Хаббла. Модель расширяющейся Вселенной разрешает фотометрический и гравитационный парадоксы. Число объектов в видимой части Вселенной конечно, и мы воспринимаем лишь их, по существу, испытываем лишь их влияние, объектов ближайшего к нам космоса; точно так же, как на поверхности Земли  мы ограничены линией горизонта и воспринимаем непосредственно лишь ближайшие к нам объекты. В этой модели эволюция Вселенной зависит от значения средней плотности вещества в ней, а также от скорости удаления галактик. Обе эти величины пока не имеют надежно измеренных значений, и поэтому теоретически возможно как расширение Вселенной, так и ее сжатие, а также чередование этих процессов. Закон Хаббла установлен в предположении о том, что смещение спектральных линий излучения галактик в область низких частот обусловлено их удалением. Вполне возможно, однако, что этот эффект красного смещения вызван гравитационным воздействием массивных объектов (ядер галактик или квазаров) на электромагнитные волны в процессе их распространения от своих источников к Земле. Наконец, неясен и механизм расширения Вселенной. Несмотря на перечисленные трудности и слабые места, модель расширяющейся Вселенной является общепризнанной современной космологической моделью.   Эволюция Вселенной Телескопические наблюдения Галилея в начале XVII века подтвердили идею Демокрита о том, что Млечный Путь представляет собой множество звезд. Большинство из них выглядели светящимися точками, но некоторые оказались светящимися туманными пятнами. К 1700 году было известно около 10 таких туманностей, а в каталоге Мессье-Мешена их уже 103. Галилей посчитал туманности следствием нерезкости изображения. Наблюдения XVIII-XIX вв. показали, что одни туманности являются звездными скоплениями, а другие не имеют видимой звездной структуры. Поэтому появились идеи о том, что эти последние значительно удалены от нас по сравнению с видимыми звездами и, вероятно, являются самостоятельными звездными системами. Позднее их стали называть Галактиками. Райт представлял Вселенную в виде совокупности Млечных путей сферической или круговой формы, подобных нашему. Кант выдвинул гипотезу о спиральном характере Млечного Пути, подобном туманности Андромеды. Гершель как астроном, располагавший крупнейшими телескопами, имел в распоряжении данные наблюдений двух тысяч туманностей. Он также считал, что мы находимся в отдельной звездной системе, за пределами которой существуют и другие. Разнообразие туманностей привело его к выводу, что одни звездные системы разрушаются, а другие возникают, поддерживая постоянство Вселенной. Причины этих превращений Гершель видел только в действии гравитационных сил между частицами вещества. Природа туманностей оставалась неизвестной.   Таким образом, космогония Нового времени XVII-XIX вв. в конечном итоге сводилась к классической эволюции небес Ньютона. Ньютон теоретически распространил закон всемирного тяготения на всю Вселенную. Поскольку Вселенная в классической модели считалась бесконечной, то вещество должно было сгущаться в бесконечное количество массивных объектов, образуя звездные системы. В ХХ веке эта идея получила дальнейшее развитие в теории гравитационной неустойчивости Вселенной Джинса. Если принять современные представления о расширении Вселенной, то неизбежен вывод о том, что в прошлом она была собрана в точку. Это начальное состояние, называемое сингулярностью, характеризуется бесконечно большой плотностью и близким к нулю размером Вселенной.  Очевидно, что понятия пространства и времени при этом теряют смысл, и применимость ОТО для таких малых масштабов тоже становится сомнительной. С другой стороны, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, вещество невозможно стянуть в точку и плотность сингулярности, оцениваемая по современной массе Вселенной, равна ~1094 кг/м3 при радиусе 10-14м. Наконец, существует трактовка сингулярности как особого состояния вакуума. Вакуум – это пространство, в котором нет частиц вещества, а есть только колебания полей с определенной энергией, способные в дальнейшем породить частицы. По-видимому, существующие физические теории к состоянию сингулярности неприменимы, и правильнее всего назвать его состоянием хаоса, в смысле отсутствия привычного нам порядка вещей. Вполне естественно, что для Фридмана это начальное состояние Вселенной было всего лишь понятием, логическим пределом. Леметр (1927) выдвинул идею Большого взрыва как скачкообразного перехода к расширению Вселенной. Эта же идея содержалась в концепции горячей Вселенной Гамова. Гамов предположил, что на раннем этапе эволюции Вселенная должна была иметь высокую температуру, при которой возможны ядерные превращения легких элементов в более тяжелые. В современном варианте теория Большого взрыва выглядит так. 1) Справедливы следующие зависимости: , где Т – температура (К), t – время с начала расширения после Большого взрыва (с); , где ρ – плотность (кг/м3). 2) Общее время эволюции Вселенной 15-20 млрд. лет. 3) Так как элементарные частицы экспериментально изучены до энергий частиц  10-8 Дж и температур 1015 К, то физические представления возможны лишь начиная с момента времени 10-10 c после Большого взрыва. На этом этапе существовали лишь лептоны и антилептоны, фотоны, кварки и антикварки. 4) По прошествии 10-6 с после Большого взрыва температура снизилась до 1013 К и началось образование адронов и антиадронов из кварков и антикварков. 5) Примерно через 1 с после Большого взрыва произошла аннигиляция частиц и античастиц с испусканием фотонов. Так как число частиц было больше числа античастиц, то античастиц практически не осталось. Поэтому современная Вселенная состоит преимущественно из вещества, а не из антивещества. 6) Когда после Большого взрыва прошло уже 100 с, температура упала до 109 К и стал возможен синтез ядер Н+, Не+, Li+ из адронов. 7) По истечении 105-106 лет после Большого взрыва температура составляла тысячи градусов. На этом этапе шло образование нейтральных атомов Н, Не из атомных ядер и лептонов. 8) Наконец, примерно через миллиард лет после Большого взрыва началось формирование структур мегамира – галактик и звезд –  вследствие сгущения неоднородностей вещества под действием гравитационных сил. Теория Большого взрыва в настоящее время является общепризнанной, так как ее подтверждают следующие экспериментальные факты: 1)      пространственная однородность Вселенной (ячеистая структура); 2)      удаление (взаимное) Галактик; 3)      преобладание во Вселенной легких химических элементов (Н, Не, Li); 4)      реликтовое электромагнитное излучение (его температура 3 К, а длина волны 10-3-10-2 м), состоящее из фотонов, предположительно образовавшихся в результате аннигиляции частиц и античастиц.  Происхождение Солнечной системы Солнечная система находится к нам гораздо ближе, чем прочие объекты мегамира, однако ее теоретическое описание оказывается более сложным, т.к. 1) это единственная известная нам планетная система; 2) имеется большое количество данных о ней, в том числе и мелких подробностей. В частности, космогония Солнечной системы должна объяснять следующие факты: 1)      орбиты планет и астероидов находятся практически в одной плоскости (солнечного экватора); 2)      форма их орбит близка к круговой; 3)      направление движения планет за редкими исключениями совпадает с направлением вращения Солнца и планет вокруг собственных осей; 4)      99% массы приходится на Солнце, а 99% момента импульса системы – на остальные тела; 5)      выделяются два класса планет, существенно отличающихся по плотности:   планеты земной группы (4000–5500 кг/м3) и планеты-гиганты (700–1600 кг/м3). Некоторые факты были известны уже в XVII веке, и к этому же времени относятся первые гипотезы. Декарт (1644) предположил, что мировое пространство заполнено эфиром, частицы которого находятся в вихреобразном движении. Планеты захвачены вихрем, который вращается вокруг Солнца, увлекая их за собой. Сведенборг (XVIII век) развил эту идею в своеобразную космогонию. Вращение вихря Солнца ускорилось, внешние слои сжались и затвердели, а затем разрушились, и из обломков образовались планеты. Ньютон теоретически показал, что для устойчивости орбиты любой из планет необходимо, чтобы плотность вихря была равна плотности планеты, следовательно, солнечный вихрь Декарта должен иметь везде разную плотность. Кроме того, движение вихрей должно подчиняться строгим законам движения планет.  Ньютон не смог объяснить устойчивость солнечной системы только механическими причинами. По его мнению, каждая планета подвергается воздействию всех остальных, и эти случайные воздействия могут изменить с течением времени ее орбиту. Бюффон (1745) предположил, что часть вещества Солнца была выброшена при встрече с кометой, и из этого вещества образовались планеты. Кант (1755) полагал, что Солнце и планеты образовались из одного космического облака в результате действия сил притяжения между частицами облака и сил отталкивания между формирующимися планетами в процессе их движения. Классическая космогония Солнечной системы сложилась только после труда Лапласа «Изложение системы мира» (1796). Лаплас предложил конкретный механизм образования планет. Первоначально Солнце представляло собой раскаленную туманность, которая вращалась вокруг своей оси. Силы гравитации сжимали Солнце, скорость вращения увеличивалась, туманность сплющивалась, от нее отделялись кольца вещества, охлаждались и распадались на частицы, из которых образовались планеты путем слипания. Лаплас объяснил устойчивость Солнечной системы чисто механическими причинами, а также почти все известные факты наблюдений. Не согласовывались с выводами теории только некоторые детали, например, медленное вращение Солнца (2 км/с) вокруг своей оси. Наконец, как у Бюффона, так и у Лапласа оставалось непонятным образование планеты из горячего вещества, так как это вещество должно быть газообразным и быстро расширяться. В XX веке появились новые идеи, оживившие классическую космогонию. Шмидт (1940) предположил, что туманное облако было захвачено Солнцем при его движении вокруг центра Галактики, и планеты образовались из холодного вещества. При этом туманность разделилась на несколько кольцеобразных зон, в каждой из которых сформировалась планета. Современная схема происхождения Солнечной системы подтверждена геологическими, астрономическими и космическими исследованиями. Вот как она выглядит. Около 5 млрд. лет назад в космическом облаке возникло сгущение – Солнце. Оно сжималось, при этом 0,1 часть его массы вращалась вокруг него, сплющиваясь в диск. Слипание частиц происходило медленно, образуя сначала твердые зародыши планет. Диск распался на зоны, слипание в земной зоне шло около 10 тыс. лет, в зоне Юпитера – миллион  лет. Между Марсом и Юпитером планета не образовалась – остался реликтовый пояс 5000 астероидов. Солнечное излучение вызывало следующие процессы: 1)      нагрев вещества вблизи Солнца и улетучивание легких газов на периферию; 2)      торможение более тяжелых пылинок. Поэтому планеты земной группы содержат более тяжелые вещества, чем планеты-гиганты. Рост Земли от зародыша диаметром 10 км до современных размеров (~12800 км) продолжался в течение 108 лет за счет притяжения к ней вещества земной зоны. Земля сформировалась в основном около 4,56∙109 лет назад. Затем рост продолжался еще      (120-150)∙106 лет за счет падения метеоритов. Они разогрели поверхность Земли, а радиоактивные превращения и гравитационное сжатие увеличили температуру недр. В течение 109 лет происходило перераспределение тяжелых и легких элементов в недрах Земли. Поверхность представляла собой жидкую магму глубиной 200-400 км, затем (4,44 – 4,41)∙109 лет назад сформировались атмосфера, ядро и континенты. Древнейшие породы:          (4,2 – 4,3) ∙109 лет (Австралия),                                                3,96∙109 лет (Канада),                                                (3,7 – 3,8) ∙109 лет (Гренландия). Наконец, из спутникового облака вокруг Земли радиусом до 100 км образовалась Луна на расстоянии 60000 км, которая затем удалилась на современное расстояние (~390000 км). Возраст горных пород можно оценить по относительному содержанию в них радиоактивных элементов и продуктов их распада. Например, период полураспада урана составляет лет, что сравнимо с возрастом Земли. Цепочка его радиоактивных превращений заканчивается стабильным изотопом свинца: . Пусть порода содержит 36% свинца по отношению к урану (по массе), т.е. . Тогда в соответствии с законом радиоактивного распада , где – число атомных ядер урана в породе, – число атомных ядер свинца, образовавшихся из атомных ядер урана за время t. Число ядер пропорционально массе: , , где – число Авогадро, = 238 г/моль, = 206 г/моль – молярные массы элементов. Окончательно, предполагая время распада t  равным возрасту породы и  выражая его из закона радиоактивного распада, можно получить:  лет.     Химическая картина мира Химия – наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и строения. Явления, при которых из одних веществ образуются другие, называются химическими. Естественно, что, с одной стороны, в этих явлениях можно обнаружить чисто физическиеизменения, а, с другой стороны, химические явления всегда присутствуют во всех биологических процессах. Таким образом, очевидна связь химии с физикой и биологией. Эта связь, по-видимому, была одной из причин того, почему химия долго не могла стать самостоятельной наукой. Хотя уже Аристотель разделял вещества на простые и сложные, чистые и смешанные и пытался объяснить возможность одних превращений и невозможность других, химические явления в целом он считал качественными изменениями и потому относил к одному из родов движения. Химия Аристотеля была частью его физики – знания о природе (). Другая причина несамостоятельности античной химии связана с теоретичностью, созерцательностью всей древнегреческой науки в целом. В вещах и явлениях искали неизменное – идею. Теория химических явлений приводила к идее элемента () как некоего начала природы или к идее атома как неделимой частицы вещества. Согласно атомистической концепции, особенности форм атомов во множестве их сочетаний обуславливают  разнообразие качеств тел макромира. Эмпирический опыт относился в Древней Греции к области искусств и ремесел. Он включал также и практические знания о химических процессах: выплавке металлов из руд, крашении тканей, выделке кожи. Вероятно, из этих древних ремесел, известных еще в Египте и Вавилоне, возникло «тайное» герметическое искусство Средневековья – алхимия, наиболее распространенное в Европе в IX-XVI веках. Зародившись в Египте в III-IV веках, это направление практической химии было связано с магией и астрологией. Целью ее было разработать способы и средства превращения менее благородных веществ в более благородные, чтобы достичь реального совершенства, как материального, так и духовного. В ходе поисков универсальных средств таких превращений арабские и европейские алхимики получили много новых и ценных продуктов, а также усовершенствовали лабораторную технику. Если считать, что химия становится наукой в XVII-XVIII веках, то можно выделить три периода формирования современной химической картины мира. 1. Период зарождения научной химии (XVII – конец XVIII в.; Парацельс, Бойль, Кавендиш, Шталь, Лавуазье, Ломоносов). Характеризуется тем, что химия выделяется из естествознания в качестве самостоятельной науки. Ее цели определяются развитием промышленности в Новое время. Однако, теории этого периода, как правило, используют либо античные, либо алхимические представления о химических явлениях. Завершился период открытием закона сохранения массы при химических реакциях. Например, ятрохимия Парацельса (XVI в.) была посвящена приготовлению лекарств и лечению болезней. Парацельс объяснял причины болезней нарушением химических процессов в организме. Как и алхимики, он сводил разнообразие веществ к нескольким элементам – носителям основных свойств материи. Следовательно, восстановление их нормального соотношения приемом лекарств излечивает болезнь. Теория флогистона Шталя (XVII-XVIII вв.) обобщала множество химических реакций окисления, связанных с горением. Шталь предположил существование во всех веществах элемента «флогистон» – начала горючести. Тогда реакция горения выглядит так: горючее тело → остаток + флогистон; возможен и обратный процесс: если остаток насытить флогистоном, т.е. смешать, например, с углем, то снова можно получить металл. 2. Период открытия основных законов химии (1800-1860 гг.; Дальтон, Авогадро, Берцелиус). Итогом периода стала атомно-молекулярная теория: а) все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном хаотическом движении; б) все молекулы состоят из атомов; в) атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части молекул. 3. Современный период (начался в 1860 гг.; Бутлеров, Менделеев, Аррениус, Кекуле, Семенов). Характеризуется выделением разделов химии в качестве самостоятельных наук, а также развитием смежных дисциплин, например, биохимии. В этот период были предложены периодическая система элементов, теории валентности, ароматических соединений, электрохимической диссоциации, стереохимия, электронная теория материи. Современная химическая картина мира выглядит так: 1.      Вещества в газообразном состоянии состоят из молекул. В твердом и жидком состоянии из молекул состоят только вещества с молекулярной кристаллической решеткой (СО2, H2O). Большинство твердых тел имеет структуру либо атомную, либо ионную и существует в виде макроскопических тел (NaCl, CaO, S). 2.      Химический элемент – определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Химические свойства элемента определяются строением его атома. 3.      Простые вещества образованы из атомов одного элемента (N2, Fe). Сложные вещества или химические соединения образованы атомами разных элементов (CuO, H2O). 4.      Химические явления или реакции – это процессы, в которых одни вещества превращаются в другие по строению и свойствам без изменения состава ядер атомов. 5.      Масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции (закон сохранения массы). 6.      Всякое чистое вещество независимо от способа получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав (закон постоянства состава). Основная задача химии – получение веществ с заранее заданными свойствами и выявление способов управления свойствами вещества.       Происхождение жизни Биология – наука, изучающая живые организмы. Исторически в биологии имели место два подхода: 1)      редукционистский (направленный на изучение структурно-функциональных особенностей отдельных организмов); 2)      виталистический (направленный на изучение жизни в целом, как уникального явления, не сводимого только к физическим или химическим закономерностям). Основная задача биологии – истолковывать все явления живой природы, исходя из научных законов, не забывая при этом, что организму как целому присущи свойства, отличные от свойств его частей. Например: сознание возникает в результате коллективной работы миллионов нейронов. Хотя работу отдельного нейрона можно описать языком физики и химии, феномен сознания в целом так описать нельзя. Поэтому нет представления о возникновении мысли и ее химических основах. В рамках современной науки жизни нельзя дать строгого определения, а можно только перечислить признаки, отличающие живой объект: 1) питание (создание живым организмом своих органических веществ): - автотрофное: а) фотосинтез органики из СО2, Н2О под действием света; б) хемосинтез органики из неорганических веществ в ходе химических реакций; - гетеротрофное (органические вещества синтезируются в результате химических превращений органики, созданной автотрофами); 2) дыхание (окисление веществ с целью получения энергии для процессов жизнедеятельности): - аэробное (с участием О2); - анаэробное (без участия О2); 3) раздражимость (реакция на изменение внешней и внутренней среды); 4) подвижность (характерна для животных, менее заметна у растений); 5) выделение (продуктов обмена веществ); 6) размножение (воспроизведение себе подобных, обеспечивающее непрерывность и преемственность жизни): - половое (развитие организма в результате слияния половых клеток); - бесполое (без участия половых клеток); - вегетативное (развитие нового организма из части материнского); 7) рост (живых организмов изнутри за счет питательных веществ, в отличие от неживых объектов, присоединяющих вещество к наружной поверхности). Эти семь главных признаков любого живого организма характеризуют его как систему саморегуляции (устойчивую). Нельзя также сказать, как и когда возникла жизнь на Земле, т.к. воспроизвести эти события в наглядном виде невозможно. Поэтому любые теории происхождения жизни в настоящий момент могут быть только совокупностью гипотез, в той или иной мере поддающихся проверке. Рассмотрим эти теории. 1. Теория креационизма предполагает, что жизнь создана сверхъестественным образом в определенное время. Эта идея присутствует почти во всех религиозных учениях. Процесс сотворения имел место только один раз и поэтому недоступен наблюдению. Следовательно, наука не может ни доказать, ни опровергнуть концепцию креационизма. 2. Теория самопроизвольного зарождения жизни считает, что жизнь возникала неоднократно из неживого вещества. Эта теория существовала еще в Китае, Вавилоне и Египте как альтернатива креационизму. Аристотель на основе собственных наблюдений составил лестницу природы – ряд организмов от неживых до живых существ – и тем самым выделил предмет биологии. Он считал, что есть частицы вещества, содержащие активное начало, которое при подходящих условиях может создавать живой организм. Теория зарождения была опровергнута только микробиологическими исследованиями Пастера в XIX веке. Пастер доказал справедливость концепции биогенеза, т.е. то, что жизнь может возникнуть только из ранее существовавшей жизни. 3. Теория стационарного состояния – жизнь существовала всегда. Земля тоже существовала всегда и всегда была способна поддерживать жизнь. Аргументы этой теории, как правило, связаны с неясностями в экспериментальных данных. Например, для возраста Земли даются все более высокие оценки (4,5-5)·109 лет. Или обнаруживаются ископаемые остатки вида, считавшегося вымершим. 4. Теория панспермии (Рихтер, 1865 г.; Аррениус, 1895 г.) – жизнь занесена на Землю извне. Т.к. по данным космической разведки в Солнечной системе обнаружены только некоторые органические соединения, утверждается, что жизнь могла возникнуть в разное время в разных частях Вселенной. Тем самым проблема ее возникновения просто туда переносится. 5. Теория биохимической эволюции утверждает, что жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам. В 1871 году Дарвин высказал следующую идею. Условия первичного возникновения жизни, вероятно, отличались от современных условий на Земле хотя бы потому, что они должны были обеспечить накопление органического материала в течение длительного времени. В 1923 году Опарин разработал теорию, в которой предполагалось, что такие условия появились на Земле после образования ее внешних оболочек. Атмосфера содержала Н2О, NН3, СН4, Н2, в ней не было О2. Органические вещества образовались в океане под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. Затем образовались коацерваты – сгустки белковых молекул и молекул Н2О, способные избирательно накапливать различные соединения, и из них – примитивные клетки. Несмотря на экспериментальное подтверждение возможности синтеза первичного органического материала Миллером (1953), Орджелом и другими, эта теория содержит ряд темных мест, например, о переходе от коацерватов к клеткам, появлении у них способности к самовоспроизведению. Теория эволюции живых организмов В настоящее время эта теория является фундаментальной биологической теорией. Эволюция живых организмов означает постепенное, упорядоченное развитие сложных организмов из предсуществующих более простых с течением времени. Еще в древности было замечено, что разнообразные живые организмы имеют черты структурного и функционального сходства между собой. Чтобы объяснить это сходство, выдвигались различные эволюционные гипотезы. Рассмотрим их на примере древнегреческой философии. Ионийская школа (Фалéс,VII-VI вв. до н.э., Анаксимандр, VI в. до н.э.) утверждала, что всё живое происходит из воды. Анаксимандр создал развернутое учение о возникновении из ила растений и животных. По мере высыхания земли жизнь вышла из морей на сушу. Люди произошли от особого вида рыб. Эмпедокл (V в. до н.э.) считал, что живой мир образован сочетанием четырех первичных элементов – воздуха, земли, огня и воды под действием двух нематериальных сил – Любви и Ненависти. Любовь смешивает элементы, а Ненависть их разделяет, и т.к. сами элементы вечны и неизменны, то нет ни рождения, ни смерти, а есть постоянная борьба Любви и Ненависти. Эта борьба идет с переменных успехом, и поэтому развитие мира повторяется периодически, образуя круг времени. Таким образом, изменчивость существ, а следовательно, и органическая эволюция возможна только внутри круга времени. Аристотель на основе своей теории развития живого из неживой материи расположил все организмы в ряд (непрерывный) – «лестницу природы» (scala naturae).  Предлагались и различные классификации, но все они были построены по какому-то одному или нескольким признакам (например, те, кто плавают, относятся к рыбам и т.п.). Накопление данных об органическом мире в последующие века привело к новому принципу классификации живых организмов на основе понятия вида в системе растений (Рей, XVII в.) и системе природы (Линней, XVIII в.). Линней был убежден в постоянстве видов, а Бюффон (XVIII в.) допускал их изменчивость под влиянием внешней среды. В XIX веке эволюционные теории стали содержать гипотезы о механизме эволюции. Ламарк (1809 г.) предположил, что изменения среды могут привести к изменению форм поведения и изменению соответствующих органов. Эти приобретенные признаки организма передаются потомству. Например, предки жирафа питались листьями высоких деревьев, им приходилось тянуться все выше и выше за ними, поэтому в каждом поколении происходило удлинение шеи и ног, передающееся по наследству. Плоское тело камбалы возникло из-за лежания на мелководье. Кювье (1812 г.) выдвинул теорию катастроф, чтобы объяснить смену фаун и флор на Земле в прошлом. Анализ ископаемых останков в пластах Земли приводит к выводу, что эпохи покоя заканчивались стихийными бедствиями, гибелью одних видов и приходом других. Д’Орбиньи насчитывал 27 таких катастроф в истории Земли. Дарвин (1859 г.) и независимо от него Уоллес пришли к выводу о том, что эволюция осуществляется путем естественного отбора. Эта гипотеза основана на трех наблюдениях и двух выводах. Наблюдение 1. Особи в составе популяции обладают большой способностью к размножению. Наблюдение 2. Число особей в популяции примерно постоянно. Вывод 1. Многим особям не удается выжить и оставить потомство. Происходит борьба за существование. Наблюдение 3. Во всех популяциях существует изменчивость. Вывод 2. В борьбе за существование особи, лучше приспособленные к условиям жизни, произведут больше потомков (естественный отбор). Таким образом, любое даже самое незначительное изменение, но благоприятное для выживания организма, должно передаваться следующим поколениям и может привести к изменению вида. Дарвинизм оказался недостаточным для исчерпывающего объяснения все новых и новых биологических фактов. Поэтому в ХХ веке появились новые идеи, которые привели к формированию в 1930-40 гг. синтетической теории эволюции (СТЭ). Это современная эволюционная теория, которая является синтезом различных дисциплин, прежде всего, генетики и дарвинизма. Она также опирается на палеонтологию, систематику, молекулярную биологию и др. Вот некоторые сведения, подтверждающие теорию эволюции. 1.   Ископаемые остатки можно распределить по тем же типам и классам, что и ныне живущие виды. Изменения в строении организмов можно связать с изменениями условий жизни в соответствующие эпохи. Разрывы палеонтологической летописи объясняются неполнотой данных или внезапным появлением некоторых видов. 2.   Современное географическое распространение видов позволяет проследить их адаптацию и пути расселения. Разные группы возникали в разное время и в разных областях. 3.   Существует структурное сходство между организмами в пределах рода, класса. В этом можно убедиться, сравнивая соответствующие признаки. 4.   Селекция может рассматриваться как искусственный отбор, во многом аналогичный естественному отбору. 5.   Сравнительная анатомия животных и растений выявляет сходство строения разных организмов, что указывает на их происхождение от общего предка (гомологичные органы). Например, пятипалая конечность – гомологичный орган, наличествующий у многих животных от амфибий до млекопитающих. Рудиментарные органы не имеют соответствующей функции, но она, видимо, была у предков. 6.   Адаптивная радиация – это развитие гомологичной структуры в соответствии с функциями. Насекомые способны к разной пище, и их рот одинаков по структуре. 7.   Сравнительная эмбриология показывает на целом ряде примеров, что развитие организма повторяет историю развития группы. Или согласно закону Геккеля (XIX в.): онтогенез повторяет филогенез. 8.   Сравнительная биохимия позволяет сделать вывод о том, что все живое на Земле состоит из практически одинаковых химических веществ, например, белковые молекулы разных живых организмов построены из ограниченного числа одних и тех же аминокислот.   Биосфера Земли К концу ХХ века установился взгляд на Землю, как самоорганизующуюся систему, подобную живому организму. Строение Земли представляется в виде сферических оболочек. При этом кроме вещественных оболочек (атмосферы, литосферы, гидросферы) выделяют биосферу, охватывающую область распространения живых организмов. Границы биосферы определяются условиями существования организмов. По-видимому, в атмосфере она простирается до 7 км над поверхностью Земли, уходит на 2-3 км вглубь литосферы и включает всю гидросферу. Представление об «области жизни» как геологической оболочке можно найти у Ламарка (XIX в.), в 1875 году Зюсс вводит для нее термин «биосфера». Согласно Зюссу, биосфера – это тонкая пленка жизни на земной поверхности. Географические концепции XIX века рассматривают биосферу как совокупность природных зон, определяемых теплом и влагой, получаемых землей. Решающую роль при этом играют: согласно Гумбольдту – климат, а согласно Докучаеву – почва. Наконец, в 1926 году Вернадский предлагает биогеохимическую концепцию и создает целостное учение о биосфере. Согласно Вернадскому, биосфера – это область распространения жизни, включающая живые организмы и среду их обитания. Разнообразие объектов природы сводится к семи геологически взаимосвязанным типам вещества: 1)      живое вещество (в составе живых организмов); 2)      биогенное вещество (создаваемое и перерабатываемое живыми организмами); 3)      косное (в его производстве не участвуют живые организмы); 4)      биокосное (почва, создаваемая одновременно и живыми организмами, и неорганическими процессами); 5)      радиоактивное вещество; 6)      рассеянные атомы (редкие и редкоземельные элементы); 7)      вещество космического происхождения. Основу биосферы составляет живое вещество. Оно непрерывно изменяет свое окружение путем питания, дыхания и размножения особей. Соответственно геохимическая функция живого вещества представляет собой совокупность концентрационной, газовой и транспортной функций. Живое вещество составляет только одну миллионную часть массы биосферы (1012-1013 т), но благодаря ему биосфера является активным началом в формировании других геооболочек. Более 90% живого вещества составляет наземная растительность. Основной источник активности живых организмов – солнечная энергия (электромагнитные волны), используемая в процессе фотосинтеза зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества, обеспечивающего пищей и энергией все остальные организмы. Спектральный состав солнечного излучения определяет характер синтезируемых веществ, их структуру и в конечном итоге – виды организмов в геооболочках. Структурно биосфера состоит из биогеоценозов (Сукачев, 1942 г.). Биогеоценоз – комплекс взаимосвязанных популяций, образующих конкретное сообщество, занимающее определенную пространственную область (биотоп). В биогеоценозе существует внутреннее динамическое равновесие, обеспечивающее его устойчивость. Поэтому конкуренция видов и внутривидовая конкуренция не уничтожают, а поддерживают жизнь. Очевидно, что состояние живого мира на Земле определяется эволюцией биосферы. Изучение истории Земли показывает, что: 1.      Геологические процессы устойчивы во времени. 2.      Активным началом является живое вещество. На основе этих фактов Вернадский формулирует следующие принципы эволюции биосферы: 1.      Биогенная миграция химических элементов стремится к своему максимальному выражению. 2.      Эволюция видов идет в направлении, усиливающем эту биогенную миграцию. 3.      Заселенность Земли в каждую геологическую эпоху была максимально возможной для существовавшего в данный момент времени живого вещества. Однако закономерности эволюции биосферы изучены пока недостаточно. По-видимому, они носят вероятностный характер. Учение о биосфере развивается вследствие того, что антропогенное воздействие в течение последних 150-200 лет приняло глобальный характер и превосходит воздействие даже наиболее активных организмов.