Законы, открытия, достижения физики, химии, биологии, лежащие в основе современной естественнонаучной картины мира.

Естественнонаучная картина мира  Модуль II. Законы, открытия, достижения физики, химии, биологии, лежащие в основе современной естественнонаучной картины мира. Лекция 2-1. Новое и Новейшее время в истории естествознания. Технический прогресс, достижения физики. 2-1.1. Возникновение физики. Античность. Фюзис (др.-греч. φύσις) — греческий теологический, философский и научный термин переводится как «природа». Ее основоположником считают греческого философа Аристотеля (384 - 322 до н. э.) разработавшего ряд физических теорий и гипотез, основываясь на знаниях того времени. Согласно современному определению - «физика - это наука о наиболее общих законах природы, о материи, её структуре, движении и правилах трансформации». После многих веков накопления знаний, больших открытий и заблуждений, с начала Нового времени, особенно, в Эпоху Возрождения, физика сделала резкий скачок вперед, оторвавшись от догм, надолго задерживавших ее развитие. Большое значение имело появление междисциплинарных дисциплин, взаимопроникновение и обогащение знаний разных наук. 2-1.2. Эпоха Возрождения. Механика Исаака Ньютона – классическая механика. К концу средних веков появляются важные открытия и изобретения. В 1440 году Иоганн Гуттенберг изобретает печатный станок, начинается книгопечатание как религиозной, так и научной и развлекательной тематики. В 1492 году Христофор Колумб открывает Америку, начинается европейская колонизация. Общество меняет взгляды и обращается к сути человеческой личности. Начинает развиваться наука, создаются первые научные сообщества: Королевское общество, Французская королевская армия наук. Изобретения нового времени с XVI: механический калькулятор, вакуумный насос, барометр, маятниковые часы. Галилео Галилей изобретает телескоп, Декарт создает систему координат. Появился микроскоп, подзорная труба и стеклянные очки. Механика – раздел физики, изучающий законы и причины вызывающие изменения положения тел в пространстве Становление классической механики было обусловлено необходимостью разрешения противоречий между существовавшей до середины XVI века идеей геоцентризма и реальными наблюдениями астрономов. Птолемей и его последователи, отрицая движение Земли, полагали, что центробежные силы, возникающие при вращении тела, могли привести к тому, что Земля либо разорвется на части, либо, улетит в космическое пространство. Кроме того, из-за вращения, воздух мог все сметать с поверхности Земли, превращая ее в безжизненную пустыню. К середине XVI века, Н.Коперник, в работе: «Об обращении небесных тел», математически обосновал движение Земли и планет вокруг Солнца. Иоганн Кеплер сформулировал законы движения планет (законы Кеплера), доказав, что 1) - все они вращаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца; 2) - каждая планета движется в плоскости, проходящей через ее центр; 3) – скорость движения планет по эллиптическим орбитам не может быть равномерной. И другие. Для объяснения этих законов потребовались новые теории. Первым шагом к их созданию, стал открытый Г. Галилеем принцип инерции (инерция – это стремление тела сохранить свое первоначальное положение). Например: тело стоит на неподвижной тележке, если ее толкнуть – тело упадет. И, наоборот, если тележка движется равномерно, то стоящее на ней тело при резкой остановке тоже упадет. Если бы трения между тележкой и телом не было, то оно бы не падало. Поэтому, согласно принципу инерции Г. Галилея, физическое движение невозможно без физического взаимодействия. Если представить, что трение отсутствует вообще, тележка и стоящее на ней тело, могли бы катиться вечно. Отсюда непрекращающееся движение небесных тел – следствие отсутствия в космическом пространстве силы трения. И. Ньютон (1646-1727) обобщил все известные законы механики и дополнил их своими открытиями и выводами. Первый закон Ньютона (закон инерции). Любое тело, при отсутствии воздействия на него сил или при их взаимной компенсации, находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Второй закон Ньютона (закон ускорения). Ускорение, которое получает тело, прямо пропорционально воздействующим на него силам и обратно пропорционально массе тела. Масса – количество вещества, содержащегося в теле. Третий закон Ньютона (закон противодействия). Тела взаимодействуют друг с другом с силами равными по модулю и противоположными по направлению (сила действия равна силе противодействия). Заслугой И. Ньютона является открытие закона всемирного тяготения, который был сформулирован им на основе вычисления центростремительного ускорения Луны при ее движении вокруг Земли. (Сила тяготения между телами прямо пропорциональна их массе и, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними). В соответствии с этим законом – человек, стоящий на Южном Полюсе Земли не падает с нее, хотя, если смотреть на глобус – стоит вверх ногами… На основе этого закона И. Ньютон сделал вывод, что всех планеты притягиваются к Солнцу – имеющему много большую массу, чем у них. Но, при этом они не падают на него, т.к. тяготеют и друг к другу с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Закон всемирного тяготения позволил объяснить причину орбитального движения (или движения по окружности) планет и их спутников. Потому, что, при движении планет по окружности сила тяготения направлена перпендикулярно скорости планеты и поэтому она не «толкает» планету вперед, а искривляет ее траекторию. Несмотря на фундаментальное значение, законы Ньютона применимы только в инерциальных системах отчета. Система отчета – это часть пространства или тело, относительно которого устанавливается наличие движения другого тела (системы тел) и его характер. Инерциальная система отчета (ИСО) – это тело, на которое ничего не начинает действовать. Если оно стояло – то продолжает стоять, если двигалось равномерно, то так и продолжает. Исходя из представления об ИСО, Г. Галилей выдвинул (механический) принцип относительности, согласно которому понятия «движение» и «покой» относительны и зависят от положения наблюдателя в пространстве. Например, железнодорожный перрон для стоящего на нем пассажира является покоящейся системой отсчета. А для пассажира, который в вагоне поезда едет мимо – перрон является движущейся системой отчета. Т.е., пассажир, глядя в окно, понимает, что, если перрон промелькнул быстро, значит, поезд идет быстро. И наоборот. Из принципа относительности следует принцип инвариантности – все инерциальные системы отчета, как движущиеся, так и покоящиеся, с позиций законов физики равноправны. Например (очень упрощенно) - длину и ширину поверхности стола, длину комнаты и другого неподвижного объекта можно измерить в метрах, мм, километрах и, даже, использовать скорость света…. Цифры будут отличаться, но размер поверхности и длина комнаты никак не изменятся! Поскольку все ИСО равноправны, в природе не существует предельных скоростей: любая скорость может быть превзойдена. При этом, абсолютного движения и абсолютного покоя не существует. (Принцип относительности объяснил отсутствие центробежных эффектов, возникающих при вращении Земли: движение и покой – суть понятия – равнозначные). Законы классической механики позволяют описать движение лишь массивных тел (не испытывающих на себе отклоняющих внешних воздействий) передвигающихся со скоростью, много меньшей скорости света. Общенаучное значение классической механики состояло в том, что она позволила объяснить закономерности движения планет, их естественных и искусственных спутников. Иначе говоря, позволяет предсказывать траектории движения планет, рассчитывать траектории космических кораблей, их координаты в любой заданный момент времени. Классическая механика способствовала становлению первой научной картины мира – механической. Основные черты механической картины мира Нового времени: - материя состоит из вещества, представленного в виде частиц (корпускул) и волн; - основной характеристикой частиц являются: масса, импульс (мера механического движения), скорость и координата; - законы природы имеют однозначный причинно-следственный характер - состояние материальной точки полностью определяется ее начальным состоянием; - все механические процессы характеризуются обратимостью (т.е. возможен возврат любой материальной точки в свое изначальное местоположение); - природа – это гигантская машина (часовой механизм). Сущность механической картины мира наглядно отражает высказывание Р. Декарта: «Дайте мне материю и движение, и я построю мир». 2-1.3. Изобретения Нового времени с XVIII века. К концу XVII века промышленная революция дает толчок к развитию капитализма и индустриального общества. Некоторые технические открытия и изобретения Нового времени были совершены случайно. Так, Джона Уатта посетила мысль о паровом двигателе, когда он смотрел на прыгающую крышку кипящего чайника. Томас Ньюкман построил первый поршневой паровой двигатель в 1712 году. В 1703 г. Гильом Амонтон придумывает газовый термометр, в 1710 г. Рене Реомюр - спиртовой термометр. Джон Хендли и Томас Годфри изобретают секстант (1730). Спрос на производство тканей, ведет к созданию и совершенствованию прядильных и швейных машин. Первую швейную машину запатентовал в 1790 году Томас Сейнт. Автором прядильной машины был Джеймс Харгривс (1764). В 1769 г. француз Кюньо сооружает тележку на паровом двигателе, а в 1886 г. Готтлиб Даймлер и Карл Бенц изобретают первый экипаж с двигателем на бензине. Еще больше, в том числе великих изобретений Нового времени, пришлись на XIX век. В 1818 году открывают закон фотохимии, а в 1839 г. Жозеф Нисефор Ньепс и Луи Даггер изобретают фотографию. В 1893 году Вайткомб Джадсон придумал застежку «молнию». Двумя годами позже – в 1895 году Александр Степанович Попов изобретает радиоприемник, а Никола Тесла в 1893-1895 создает радиопередатчик, а затем радиоприемник. Великие изобретения Нового времени - это электрическая лампочка Томаса Эдисона и открытие электричества, изобретение рентгена Иваном Пулюем и Вильгельмом Рентгеном одновременно. Томас Уотсон в 1876 году стал автором телефона, а до него существовал громкоговоритель «говорящий телеграф», придуманный Александром Беллом. Другие изобретения Нового времени: парашют, пароход, фортепиано, камертон, воздушный шар. В XVIII-XIX веках изобрели также калейдоскоп, стереоскоп, дуговую сварку, паровоз, зажигалку и спички (причем зажигалку гораздо раньше). 2-1.4. Новейшее время. Важнейшие изобретения XX в. Новейшее время – это исторический период с 1918 года до наших дней. Новейшее время начинает свой отсчет с 1918 года, ориентируясь на огромную, общемировую значимость промежутка времени между 1918-1939 г. - периода между первой и второй Мировой войной. Весь XX в. – это век безраздельного господства физической и химической науки и, прежде всего, электричества и ядерной энергетики. Естественные науки стали развиваться очень интенсивно. Особенно физика, химия, биологические и медицинские науки. В XX веке Карл Ландштейнер впервые открывает группу крови, Зигмунд Фрейд работает над теорией психоанализа, Пол Эрлих открывает возможности химиотерапии. Александр Флеминг в 1929 году открывает пенициллин – первый в мире антибиотик. Войны и конфликты между государствами способствуют активному изучению физики и ядерной энергетики. К 1905 г. Альберт Эйнштейн разрабатывает специальную теорию относительности (СТО), к 1916 – общую теорию относительности (ОТО). СТО стала результатом его наблюдения за прохождением удаленных друг от друга процессов. Эйнштейн понял, что их нельзя изучать (описывать) сами по себе, а только по отношению к системе отсчета. При этом он оставил неизменными два положения – постулата Г. Галилея: 1. Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отчета независимо от скорости движения источника или приемника света. 2. Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отчета вне зависимости от того, имеем ли мы дело с механическим взаимодействием или с электромагнитным. Второй постулат часто называют принципом относительности А.Эйнштейна. Данные постулаты не объясняют, почему рассматриваемые явления происходят именно таким образом, но, построенная на их основе теория позволяет точно описывать события, имеющие место при движении тел с околосветовыми скоростями (так называемые «релятивистские эффекты»). К релятивистским эффектам относятся: - 1. Эффект релятивистского сокращения длины. Длина тела, движущегося, по направлению своего движения, сокращается. Например, на железнодорожной станции стоит смотритель и наблюдает за движением состава, перевозящего бревна. Допустим, что длина каждого бревна равна 1 м. Для станционного смотрителя в момент движения поезда эта длина окажется меньшей (т.е., будет составлять, около 0,8 м). Для кондуктора, находящегося в этом составе, длина бревна не изменится. Это связано с тем, что для смотрителя состав является движущейся системой отчета, а для кондуктора – покоящейся (принцип относительности Галилея). - 2. Эффект сокращения времени. Часы, синхронизированные по одному и тому же времени, в движущейся системе отчета – отстают. Второе название данного эффекта – эффект близнецов. Представим, что один из братьев-близнецов отправился в космос и летал на ракете с околосветовой скоростью. Когда он вернулся обратно, оказалось, что его брат постарел, а он сам не изменился. Это произошло потому, что в движущейся системе отчета (связанной с ракетой), время замедлилось. - 3. Относительность одновременности. Одновременных событий не существует. Понятием «одновременные», можно охарактеризовать лишь события, которые связаны с их наблюдением в отдельно взятой системе отчета (движущейся или покоящейся). Например, к железнодорожной платформе, на которой стоит станционный смотритель, приближается поезд. В одном из вагонов поезда сидит пассажир. В тот момент, когда пассажир и станционный смотритель окажутся точно друг против друга по ходу движения поезда, над головой у пассажира загорается электрическая лампочка. Вопрос: какой из стенок вагона свет достигнет раньше – задней или передней. Ответ: для пассажира в вагоне свет достигнет обеих стенок вагона одновременно, поскольку во всех ИСО свет распространяется по всем направлениям с одинаковой скоростью. У смотрителя свет раньше достигнет задней стенки, т.к., она движется к свету по ходу поезда. Физическая сущность СТО заключается в следующем: во всех ИСО имеет место инвариантность (равенство) физических законов. Относительны не только движение и покой, но и пространственно-временные характеристики тела. Т.о., СТО позволила решить противоречия между механическими и электродинамическими явлениями. 4. СТО также позволила связать воедино пространственные и временные характеристики тела, которые стали рассматриваться не в качестве абсолютных, независимых друг от друга констант, а как относительные, тесно взаимосвязанные параметры (пространство-время). 5. СТО положила начало созданию релятивистской механики. В этой механике, масса тела зависит от скорости движения тела (при движении масса тела увеличивается, при приближении скорости тела к скорости света, таковая стремится к бесконечности). 6. СТО, несмотря на то, что она смогла решить противоречия между механикой и электродинамикой, содержала в себе целый ряд недостатков. Она объясняла события, имеющие место только в инерциальных системах отчета. Но, их в мире, строго говоря, не существует, потому, что, любое тело подвергается отклоняющим внешним воздействиям, выводящим его из состояния покоя или равномерного прямолинейного движения. 7. В созданной в 1916 году общей теории относительности (ОТО), А. Эйнштейн объединил физические законы, имеющие разный вид в инерциальных и неинерциальных системах отчета. Основанием для этого объединения, стало открытие А.Эйнштейном закона поля тяготения. Его сущность состоит в том, что - массивные космические тела образует гравитационное поле, способное искривлять окружающее пространство. При этом, степень искривления пространства прямо пропорционально массе тела. 8. ОТО постулировала: все физические законы являются свойством искривленного пространства-времени создаваемого массивным телом. В этом поле, все тела при равных начальных скоростях ведут себя одинаково (т.е. движутся не по прямым, а по искривленным линиям, подобно планетам и кометам Солнечной системы). Модель искривленного пространства можно представить в виде гамака, натянутого между деревьев. Ячейки пустого гамака имеют почти одинаковый размер и форму (ромб). Если в середину гамака положить, например, чугунный шар, то сетка под ним провиснет, а ячейки вытянутся и, тем сильнее, чем ближе они к шару. Если на край гамака положить маленькие шарики, то они скатятся к его середине (к большому шару). Таким же образом, массивное тело (звезда) искривляет пространство (сетку гамака), в котором оно находится, заставляя небольшие тела (планеты) «падать» в создаваемое им поле тяготения. С ОТО связано ряд интересных эффектов (или эффектов ОТО). 1. Свет в искривленном пространстве-времени вблизи источника силы тяготения (гравитации) распространяется медленнее, чем вдали от него. 2. Ход времени при приближении к источнику гравитации замедляется. 3. В мире существуют структуры, где сила гравитации настолько сильна, что из нее не может вырваться энергия в виде света, поля и вещества (так называемые «черные дыры»). 4. Вблизи источника тяготения геометрия приобретает неевклидовый характер, т.е. становится не трехмерной. Общая теория относительности стала теоретической основой современной космологии. Она позволила создать релятивистские модели Вселенной, установить ее возраст, описать движение небесных тел в поле тяготения, понять этапы звездной эволюции и др. Теория относительности элиминировала из физики понятие абсолютности (пространства, времени, энергии, массы тела, движения, покоя). Абсолютным физическим параметром осталась лишь скорость света. В начале XX в. Нильс Бор работает над квантовой теорией атомов. Было открыто атомное ядро (Эрнест Резерфорд, 1911), искусственная радиоактивность (Фредерик Жолио-Кюри, 1934), впервые расщеплено ядро урана (Отто Ган, Фриц Штрассман, 1938). Формируется квантовая механика – представляющая собой теорию, устанавливающую способы описания и движения элементарных частиц. Становление квантовой механики было связано с необходимостью объяснения механизмов электромагнитного излучения. Еще в 1900 г. Макс Планк предположил, что электромагнитное излучение должно иметь не континуальный, а дискретный (т.е. прерывистый) характер. Порция (частица) энергии, излучаемая телом, было названа им квантом, а минимальная порция квант-энергии - постоянной Планка. А. Эйнштейн первым в 1905 г. осознал, что дискретность – это свойство света, т.е. свет – это электромагнитное поле. Первой известной микрочастицей, обладающей квантовыми свойствами (квантовые свойства – это способность частицы излучать энергию дискретно, порционно) стал электрон – квант электромагнитного поля, обладающий отрицательным зарядом. Он был открыт Джозефом Томпсоном в 1897 г. Им также была создана первая модель атома -электромагнитная. Согласно ей – атом это положительно заряженная сфера, в которой, как «изюминкам в пудинге», рассеяны отрицательно заряженные электроны. В 1911 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой, вокруг ядра по стационарным (неизменным, постоянным) орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны (как планеты Солнечной системы). Она не была принята, т.к. вращаясь по постоянным орбитам, электроны должны терять энергию и падать на ядро. Используя представления Планка о квантовом характере излучения, в 1913 г. Н. Бор предложил квантовую модель атома: - вокруг положительно заряженного ядра по непостоянным орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Излучение энергии электронами происходит порционно при переходе электрона с одной нестационарной орбиты на другую. Эта модель позволила объяснить стабильность атома. Исследования электрона выявили свойства, «не соответствующие» представлениям классической механики о природе материи. Опыты с бомбардировкой электронами пластинки слюды, с мелкими отверстиями, показали, что часть электронов ведет себя как частица (частица или корпускула – объект, имеющий ограниченные размеры и точную пространственную локализацию) вылетая через отверстия. А часть, как волна (объект, имеющий большую линейную протяженность) огибая пластинку (явление дифракции) и сходясь за ее пределами (явление интерференции). Анализируя это явление, Луи де Бройль в 1924 году, выдвинул гипотезу корпускулярно-волнового дуализма. Ее сущность заключалась в следующем: частицы материи обладают одновременно как свойствами частицы (корпускулы), так и свойствами волны. В 1926 г. Эрвин Шредингер предложил использовать понятие волновой - математической функции, для описания вероятностного состояния квантового объекта (возможность нахождения в данный момент времени в определенной точке пространства, его масса, импульс и скорость). В это время продолжается изучение космоса, делаются открытия в астрономии. Открывают космические лучи (Виктор Франц Гесс, 1911-1913), закон Эрнста Хаббла о расширении Вселенной (1929), а также космическое радиоизлучение (Карл Янский, 1931). Яркие изобретения и открытия XX века Новейшего времени, значительно превзошли самые крупные достижения наук и техники предыдущих эпох. Советский Союз выпускает первый искусственный спутник Земли, делает первые шаги к путешествию на Луну – на поверхность спутника запускаются космические станции, луноходы. В 1961 году Юрий Гагарин становится первым человеком, побывавшем в космосе. В 1969 американец Нил Армстронг совершил посадку на Луну. Увидеть это удалось за счет, изобретенного к этому времени, телевидению. Вклад в это внесли Владимир Зворыкин, Фило Фарнсуорт и др. В 1946 году в США был создан первый компьютер ENIAC (типа калькулятора) для решения военных задач (баллистики). Его изобретатель - Чарльз Бэббидж. Были также изобретены акваланг Жака И. Кусто (1943), вертолет - Александра Михайловича Черемухина (1930), реактивный двигатель Валентина Петровича Глушко (1930), лазер - Теодора Меймана (1960) и атомная бомба (1945). Имя ее создателя - строжайший секрет. 2-1.5. Квантовая теория поля - описывает процессы рождения, превращения и аннигиляции элементарных частиц. Элементарные частицы – это первичные, неразложимые далее объекты, из которых состоит материя. В настоящее известно около 400 элементарных частиц и их число растет. Элементарные частицы классифицируются: 1. По наличию (отсутствию) заряда. - Это стабильные частицы: - протоны (заряд +), открыты в 1920 г. Э. Резерфордом); - электроны (заряд -), открыты в 1897 г. Дж. Томсоном); - нейтроны (заряд 0), открыты в 1932 г. Д. Чедвиком). А также дуальные или двойственные частицы - фотоны. В 1932 году П. Дираком был открыт позитрон – частица, являющаяся точной копией электрона, но обладающая противоположным зарядом. Этим было положено начало изучению античастиц – частиц-двойников. 2. По массе элементарные частицы делятся на адроны (тяжелые частицы) и лептоны (легкие частицы). К адронам относятся барионы (протон, нейтрон, гиперон, бозон и резонансы) и мезоны (пи-мезон, ка-мезон). К лептонам – нейтрино, электрон и мюон. Для сравнения: масса электрона, в двести раз меньше массы мезона, в тысячу раз меньше массы протона и в 200 000 раз меньше массы бозона. Наиболее распространенными во Вселенной частицами являются фотоны и нейтрино. Особенностью нейтрино является их неуловимость. Они способны проникать через слой вещества толщиной в 1 млрд. км. 3. По времени жизни. По времени жизни частиц выделяют группы:- стабильных (электрон, протон, фотон и нейтрино - существуют неопределенно долго). Например, время жизни протона – 1031 лет, нейтрона – 15 мин.; - квазистабильных (мезоны, время жизни 10 - ˉ²² сек.); - нестабильных (резонансы, время жизни 10ˉ²⁴ сек.). 4. По величине спина. Спин (с англ. – вращающийся волчок) – это параметр, характеризующий внутреннее вращение частицы вокруг своей оси. Или угол поворота, при котором частица (электрон), покинувшая свою орбиту попадает на другую орбиту. 5. По участию в типе физического взаимодействия. Типы физического взаимодействия: 1. – гравитационное или притяжение между телами, которое действует даже на больших расстояниях. Открыто в 1915 г. А.Эйнштейном. 2. - элекромагнитное (взаимодействие между заряженными частицами. Открыто в 1865 г. Дж. Максвеллом). 3. – сильное - взаимодействие, удерживающее протоны и нейтроны внутри атомного ядра, обеспечивая, его стабильность. Открыто в 1934 г. Э. Ферми. 4. - слабое (взаимодействие, отвечающее за превращение элементарных частиц, удерживая электроны в атоме). Для изучения свойств элементарных частиц используются ускорители – позволяющие получать пучки частиц, которыми бомбардируют «мишени» – пластинки слюды и радиоактивных металлов, а также детекторы – регистраторы частиц. Крупнейший в мире ускоритель – это адронный коллайдер. Это кольцеобразный туннель 27 км длины. Источники частиц - радиоактивные вещества и ионизированные газы. 2-1.6. Радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно распадаться, превращаясь в другие ядра с испусканием радиоактивного излучения и элементарных частиц. Радиоактивное излучение было впервые обнаружено в 1896 г. Анри Беккерелем при изучении свойств урана, а также в 1898 г. М. Склодовской-Кюри и Пьером Кюри, обнаруживших явление радиоактивного распада тория. Радиоактивное излучение представлено три типа электромагнитных волн: α-лучи - поток ядер атомов гелия. Длина их пробега - до 2 см. Их задерживает даже лист бумаги или алюминия толщиной 0,05мм. В живых клетках поверхности тела вызывает ионизацию – выбивание электронов из атомов, следовательно, разрушение молекул; β-лучи - поток электронов – его задерживает лист алюминия толщиной 2 мм. В живые ткани проникает на несколько см., вызывая ионизацию по всей длине пробега; γ-лучи – коротковолновое электромагнитное излучения. Длина пробега – многие метры, проходит слой свинца толщиной 5 см., степень повреждения живых клеток зависит от дозы излучения. Превышение суммарной дозы γ-лучей над естественным фоном вызывает «лучевую болезнь» - расстройству всех систем организма и, часто смерти. Взаимодействие элементарных частиц подчиняется следующим четырем фундаментальным типам физических взаимодействий: электромагнитному. Благодаря этому взаимодействию возникают атомы, молекулы и макротела. Оно отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов: за силы упругости, трения, поверхностного натяжения, агрегатного состояния веществ, химических превращений, оптических явлений и т.д. гравитационному. Гравитационное взаимодействие определяет существующий звездный «порядок». Особенностью данного вида взаимодействия является его малая интенсивность. Оно в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. В микромире гравитация ничтожна. Интересно что, если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то радиус орбиты электрона превзошел бы радиус доступной наблюдению части Вселенной. слабому ядерному. Слабое взаимодействие является составной частью термоядерных реакций на Солнце и звездах, обеспечивая синтез пульсаров, взрывы сверхновых звезд, синтез химических элементов в звездах и т.д. сильному ядерному. Радиус его действия – пределы атомного ядра. Сильное взаимодействие в триллион раз сильнее гравитационного, в десять миллиардов раз сильнее слабого, в сто раз сильнее электромагнитного. В соответствие с участием в определенном типе физического взаимодействия, элементарные частицы подразделяются на фотоны – частицы – носители электромагнитного взаимодействия; гравитоны – носители гравитационного взаимодействия (их существование предполагается, но пока не доказано); мезоны и векторные бозоны – носители слабого взаимодействия; глюоны – носители сильного взаимодействия. Согласно современным представлениям (протонно-нейтронной модели атома Иваненко-Гапона-Гейзенберга, 1932 год), атом – это сферическая пульсирующая капля концентрации энергии размером 10ˉ⁸ см. Атом состоит из ядра, включающего в себя нуклоны – протоны и нейтроны и вращающихся вокруг него по нестационарным орбитам электронов. Количество протонов и электронов одинаково. Поэтому атом электрически нейтрален. Потеря одного или нескольких электронов превращает нейтральный атом в положительный ион, а приобретение электронов — в отрицательный ион. Т.е., происходит ионизация. Атомы, имеющие одинаковое число протонов, но различающиеся между собой, числом нейтронов (пример: С12, С14), называют изотопами. Взаимодействие атомных ядер осуществляется по двум типам: деления ядер тяжелых элементов и синтез ядер легких элементов. 2-1.7. Физика макроскопических процессов. - Относится к одному из важных разделов естествознания. В обыденной жизни, человек сталкивается с объектами, состоящими из огромного числа частиц или макрообъектами. Их изучение на основе квантово-механических принципов сложно и нецелесообразно. Поэтому, используются макроскопические параметры тела, таких как теплота (Т), внутренняя энергия тела (U), количество теплоты (Q), работа (A) и энтропия (S). Внутренняя энергия тела – сумма кинетической и потенциальной энергии тела. Кинетическая энергия – это энергия движения молекул, потенциальная – энергия их столкновения. Чем теплее тело – тем больше скорость движения молекул и количество их столкновений, следовательно, кинетическая и потенциальная энергия. Макроскопические системы, основными характеристиками которых являются перечисленные выше параметры, называются термодинамическими. Раздел науки, объектом изучения которой являются приведенные выше макроскопические параметры, называется термодинамикой. Первое начало термодинамики говорит: невозможно создать двигатель, который бы работал без поступления энергии извне. (∆Q = ∆U + ∆A читается так: количество тепла ∆Q , сообщенное системе, идет на изменение внутренней энергии ∆U системы и на работу ∆A, совершаемую системой против внешних тел). Второе начало термодинамики (Клаузиус – Кельвин). Всякая термодинамическая система стремится прийти в равновесие с окружающей средой. Например, если горячую конфорку электрической плиты выключить, она остынет до температуры помещения, в котором находится плита. -Теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому (постулат Клаузиуса). Т.е., термодинамические процессы, в отличие от механических, характеризуются необратимостью - Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты в работу. - Невозможно построить машину, работающую за счет охлаждения теплового источника (вечный двигатель второго рода). Закон сохранения и превращения энергии - энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает, а только переходит из одного состояния в другое. Закон возрастания (неубывания) энтропии. Энтропия – это число степеней свободы микрочастиц (молекул) из которых состоят тела. Природные процессы на Земле идут с увеличением энтропии и рассеянием энергии. Например, скалы, которые миллиарды и миллионы лет назад были горячими магматическими (лавовыми) потоками, давно остыли, отдав тепло окружающей среде. И продолжают разрушаться до каменных глыб, обломочных пород, песка и совсем мелких минеральных частиц, которые легко переносятся водой, ветром, другими телами. То есть приобретают значительно более высокую энтропию. Лекция 2-2. Новое и Новейшее время в истории и развитии биологии и химии. 2-2.1. Важнейшие открытия и достижения биологии Нового времени – XV-XIX в. Леонардо да Винчи (1452-1519) – ученый эпохи Ренессанса описал более 500 видов животных, многие растения, изучал строение человеческого тела, деятельность сердца и зрительные функции. После снятия запрета церкви на вскрытие человеческого тела, Андреас Везалий (1514-1564) написал работу «О строении человеческого тела». В эпоху Великих географических открытий (XV в.) интерес к биологии резко возрос. Путешественники, ученые-ботаники и зоологи привозили из экспедиций описания новых видов растений, животных, их местообитаний, поведения, значения для местных жителей. Термин «биология» был предложен к концу XVIII в (1797 г.) немецким профессором анатомии Теодором Рузом (1771-1803). В 1800 г. его использовал уже ряд ученых. На первом этапе развития биология была описательной наукой, и новую эру открыло появление микроскопа. Хотя, двояковыпуклые оптические линзы, находили ещё при раскопках Древнего Вавилона, подобие микроскопа создали в 1590 г. голландский оптик Ганс Янсен с сыном Захарием Янсеном. Они увидели, что две линзы, в отличие от одной, увеличивают многократно. Вставив 2 выпуклые линзы в начало и конец трубки, З. Янсен сделал прибор, сходный с подзорной трубой, но увеличивающий предмет. В 1609 г. итальянский учёный Галилео Галилей сделал составной микроскоп с выпуклой и вогнутой линзами - «оккиолино» - маленький глаз. Он увеличивал всего в 9 раз. В 1619 г. В составном микроскопе Корнелиуса Дреббеля (Нидерланды) тоже две, но выпуклые линзы. Название «микроскоп» предложил в 1625 г. немецкий доктор и ботаник  Джованни Фабер. В Англии Роберт Гук улучшил прибор Галилея, и в 1665 г. создал микроскоп с 30-кратным увеличением. В 1674 г. Антони ван Левенгук (Нидерланды) создал простейший микроскоп с одной, высококачественной линзой и увеличением в 100-300 раз. Его микроскоп представлял металлическую пластину с линзой в центре, через которую смотрели на образец, закреплённый с другой стороны. Хотя работать было не очень удобно, Левенгук определил, что кровь состоит из множества крошечных частиц - эритроцитов, а мышечная ткань - из тончайших волокон. В растворах он увидел мельчайшие, двигающиеся существа разной формы (анималькулы). Теперь мы знаем, что это бактерии: кокки, бациллы и др. Но до Левенгука об этом не было известно. Всего Левенгуком изготовлено более 25 микроскопов, из них 9 сохранились до наших дней и они увеличивают в 275 раз. Такой микроскоп был первым, завезенным в Россию по указанию Петра I. В начале XVIII века в Петербурге в мастерской Академии наук конструкции микроскопов совершенствовались. Русский изобретатель И.П. Кулибин сделал микроскоп, не зная о заграничных моделях. Он создал производство стекла для линз, придумал приспособления для их шлифовки. М. В. Ломоносов первым из русских учёных стал использовать микроскоп в своих исследованиях. Врач и биолог Уильям Гарвей (1578—1657) описал кровеносную систему и механизм кровообращения. Тогда же была открыта клетка, активно изучались простейшие и бактерии, изучено развитие насекомых и принципиальное строение сперматозоидов. Французский зоолог Жорж Кювье (1769—1832) создал палеонтологию. В XVIII-XIX вв. закладываются научные основы эмбриологии – Каспар Ф. Вольф (1734-1794) и Карл Максимович Бэр (1792—1876). Профессор Петербургской медико-хирургической академии, К. М. Бэр установил, что зародыши всех животных на ранних этапах развития схожи, сформулировал закон зародышевого сходства и вошел в историю науки как основатель эмбриологии. 2-2.2. Биология Новейшего времени (XX-XXI в.), открытия, достижения, методы. Огромную роль в понимании единства органического мира сыграла клеточная теория зоолога Теодора Шванна (1810—1882) и ботаника Маттиаса Шлейдена (1804— 1881). Одним из основателей современной микробиологии стал немецкий ученый Роберт Кох (1843—1910). А труды Луи Пастера (1822—1895) и Ильи Ильича Мечникова (1845—1916) определили появление иммунологии. Развитие физиологии связано с именами Ивана Михайловича Сеченова (1829—1905), заложившего основы изучения высшей нервной деятельности, и Ивана Петровича Павлова (1849— 1936), создавшего учение об условных рефлексах. В первой половине XIX в. возникает бактериология, которая благодаря трудам Луи Пастера, Р. Коха, Джозефа Листера и И.И. Мечникова в последующем перерастает в микробиологию как самостоятельную науку. С конца XIX в.- середины XX в качестве самостоятельных наук оформляются паразитология и экология, ряд других наук биологического направления. Величайшими открытиями этого периода стали также учение о факторах эволюции Ивана Ивановича Шмальгаузена (1884—1963), учение о биосфере Владимира Ивановича Вернадского (1863—1945), открытие антибиотиков Александром Флемингом (1881- 1955) и др. Важнейший вклад в последующее развитие и становление идей и концепций современной биологии внесли три основных направления исследований: А). Систематика (К. Линней). Б). Эволюционизм (Ч. Дарвин). В). Идея о законах наследственности (Г. Мендель), которая далее стала одним из базовых принципов генетики. А) - Одной из наиболее эффективных систем классификации живой природы стала бинарная (двойная) номенклатура наименования видов, предложенная в XVIII в . шведским натуралистом Карлом Линнеем (1707—1778). В своем труде «Система природы» он описал большое количество растений и животных, ввел около 1000 ботанических терминов. Каждому виду животных и растений было присвоено двойное обозначение (существительное – название рода и прилагательное – наименование вида; например: кошка домашняя). Б) – Первым биологом, который попытался создать стройную и целостную теорию эволюции живого мира, стал французский ученый Жан Батист Ламарк (1774—1829). Изучая животных и растения, он обратил внимание на существование переходных форм между видами и сделал вывод об их изменяемости, предположив, что многообразие организмов есть результат эволюции, т. е. исторического развития живой природы. Ламарк выделил две основные причины эволюции: 1) внутреннее стремление организмов к усовершенствованию; 2) способность организмов целесообразно реагировать на изменения условий существования. Развитие естествознания в конце XVIII-начале XIX в. способствовало углублению материалистических представлений. Некоторые ученые высказывали мнение о естественном возникновении мира и его постепенном развитии и обновлении. Так, математик Готфрид Лейбниц (1646-1716), разработал учение о «лестнице существ». Крупнейшим достижением XIX в. стало эволюционное учение Чарлза Р. Дарвина (1809—1882), представленное в работе «Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствующих пород в борьбе за жизнь». Впервые в истории биологии, происхождение видов животных и растений объяснялось с позиций материализма. Дарвин обосновал это, используя данные биологии , с/х науки и практики. Основными положениями его эволюционной теории, являются представления о наследственности, изменчивости и естественном отборе. Дарвин понял, что породы животных и сорта растений созданы человеком в результате искусственного отбора. Он установил что, в природе высокая интенсивность размножения не ведет к переизбытку взрослых особей из-за большой гибели молодняка. Выживают самые приспособленные и их потомство. В итоге, борьба за существование, естественный отбор и наследственная изменчивость оказываются основными движущими силами эволюции, обеспечивая существующее многообразие видов. Учение Дарвина позволило научно обосновать происхождение человека. Человека и человекообразных обезьян он отнес к приматам. В) - Основоположником генетики, как науки о наследственности и изменчивости, стал Грегор Иоганн Мендель (1822—1884). В 1865 г. была опубликована его работа «Опыт над растительными гибридами». Мендель обосновал существование генов и сформулировал закономерности, которые в настоящее время известны как законы наследственности. Но, его идеи сильно опережали свое время и не были поняты. Через 35 лет, в XX в., их открыли заново, и генетика оформилась как отдельная наука. Этому способствовали также мутационная теория Гуго де Фриза (1848—1935), хромосомная теория наследственности Томаса Ханта Моргана (1866—1945), установление структуры ДНК Джеймсом Уотсоном (р. 1928) и Фрэнсисом Криком (1916—2004) и многие другие, на многие годы определившие развитие современной биологии. В 1970-е гг. появляются первые работы по генетической инженерии, которая подняла на новый уровень биотехнологию и открыла новые перспективы перед медициной. 2-2.3. Методология современной биологии. Основными, исторически сложившимися методами биологических наук, являются описательный, сравнительный, исторический и экспериментальный. Описательный метод является самым старым – это сбор и описание фактического материала. Его использование заложило основы биологических знаний. Описание было, например, одним из основных методов при разработке систематики организмов. И сегодня самое совершенное оборудование не исключает регистрации и описания новых фактов. Сравнительный метод широко применяется в разных биологических науках и в наше время. Сравнительный метод состоит в сравнении изучаемых организмов, их структур и функций для выявления сходств и различий. Этот метод утвердился в биологии в XVIII в., и все еще необходим для решения многих проблем. Его также использовали при создании основ систематики растений и животных (К. Линней). А также в XIX в. при обосновании клеточной теории (М. Шлейден и Т. Шванн), учения об основных типах развития (К. Бэр), в обосновании теории эволюции, и перестройке на ее основе ряда биологических наук. И, все-таки, использование этого метода не сопровождалось выходом биологии за пределы описательной науки. Во второй половине XIX в., благодаря Ч. Дарвину, в биологию вошел исторический метод. Этот метод превратил биологию из описательной науки в, объяснительную, рассматривая функции и происхождение живых систем. Благодаря чему, биология поднялась выше на несколько ступеней. В настоящее время исторический метод стал всеобщим подходом к изучению явлений жизни во всех биологических науках. Экспериментальный метод заключается в изучении того или иного явления путем эксперимента (т.е., опыта в заданные условиях с поставленной задачей). О познании природы опытным путем в XVII в. говорил английский философ Фрэнсис Бэкон (1561-1626), а Уильям Гарвей, изучая кровообращение, ввел в биологию эксперимент. Широкое использование этот метод получил в физиологии с начала XIX в., благодаря трудам Франсуа Мажанди (1783-1855), Германа Гельмгольца (1821-1894), Ивана Михайловича Сеченова (1829-1905), а также классиков эксперимента Клода Бернара (1813-1878) и Ивана Петровича Павлова (1849-1936). Экспериментальный метод также использовался при изучении наследственности и изменчивости организмов Г. Менделем, микроорганизмов Л. Пастером (1822-1895). Вслед за Пастером вклад в разработку этого метода в микробиологии внесли Р. Кох (1843-1910), Д. Листер (1827-1912), И. И. Мечников (1845-1916), Д. И. Ивановский (1864-1920), С. Н. Виноградский (1856- 1890), М. Бейерник (1851-1931) и др. В XIX в. биология обогатилась созданием методических основ моделирования, которое является наиболее совершенной формой эксперимента. Его примером является изучение инфекционных болезней и различных жизненных процессов, включая происхождение жизни на лабораторных животных. С XX в. стали культивироваться соматические, а затем и половые клетки. В экспериментах методы биологии стали сочетаться с методами физики, химии и математики, оснащаться самыми современными приборами и электронным оборудованием. В настоящее время экспериментальный метод характеризуется очень широкими возможностями в изучении явлений жизни. Эти использование микроскопии разных видов, включая электронную, с техникой ультратонких срезов, биохимических методов, высокоразрешающего генетического анализа, иммунологических методов, разнообразных методов культивирования и прижизненного наблюдения в культурах клеток, тканей и органов, маркировки эмбрионов. А также - оплодотворения в пробирке, метода меченых атомов, рентгеноструктурного анализа, ультрацентрифугирования, спектрофотометрии, хроматографии, электрофореза, секвенирования, конструкции биологически активных рекомбинантных молекул ДНК и т. д. Новое качество, заложенное в экспериментальном методе, вызвало качественные изменения и в моделировании. Наряду с моделированием на уровне органов, в настоящее время развивается моделирование на молекулярном и клеточном уровнях. Новейший этап в развитии биологии - это создание методологии генетической инженерии, открывшей широкие возможности изучения глубинных биологических процессов. Продвижение биологических наук в XX в. определилось не только экспериментальным методом, но и системно-структурным подходом к изучению организации и функций живых организмов, анализом и синтезом данных об объектах. 2-2.4. Дифференциация и интегративность – важнейшие характеристики современной биологии. Современная биология - это комплексная наука, ставшая таковой в результате дифференцирования и интеграции разных биологических наук. Процесс дифференциации биологических наук начался, в основном, с XVIII-XIX в. с разделения зоологии, ботаники и микробиологии на ряд самостоятельных наук. В пределах зоологии возникли зоология позвоночных и беспозвоночных, протозоология, гельминтология, арахноэнтомология, ихтиология, орнитология и т. д. В ботанике выделились микология, альгология, бриология и другие дисциплины. Микробиология разделилась на бактериологию, вирусологию и иммунологию. Одновременно с дифференциацией шел процесс возникновения и оформления новых наук, которые расчленились на более узкие науки. Например, генетика, возникнув в качестве самостоятельной науки, разделилась на общую и молекулярную, на генетику растений, животных и микроорганизмов. В то же время появились генетика пола, генетика поведения, популяционная генетика, эволюционная генетика и т. д. В недрах физиологии возникли сравнительная и эволюционная физиология, эндокринология и другие физиологические науки. В последние годы отмечается тенденция оформления узких наук, получающих название по проблеме (объекту) исследования. Такими науками являются энзимология, мембранология, кариология, плазмидология и др. Интегративность или объединение нескольких наук в рамках одной к началу XX в. стало происходить все чаще. К таким наукам относятся биофизика, биохимия, биогеография, а затем биометрия, кибернетика и др. С открытием генетической роли ДНК и механизмов синтеза белков, из генетики и биохимии выделились молекулярная биология и молекулярной генетики, которые часто называют физико-химической биологией. 2-2.5. Современная биология, вклад в фундаментальную науку, медицину, практику. Как показано в предыдущих разделах лекции, современная биология — это совокупность естественных наук, изучающих жизнь как особую форму существования материи. Идея единства органического мира, вытекающая из того факта, что клетка является своего рода общим знаменателем живого, получила подкрепление в исследованиях биохимических основ физиологии клеток. Молекулярная биология концентрирует внимание на связи процессов жизнедеятельности с биологическими макромолекулами и, прежде всего, на закономерностях хранения, использования и передачи в клетках наследственной информации. Молекулярно-биологические исследования открыли физико-химические механизмы, обуславливающие специфичность и структурированность биологических объектов. А также воспроизводимость клеток и организмов в ряду поколений и универсальность этих механизмов. Успехи современной генетики, ее глубокое проникновение в тайны механизма наследственности явились еще одним свидетельством единства живой природы. Достижения генетиков открыли дорогу для познания сущности жизни, новых способов изменения ее сложившихся форм. В настоящее время биология стала реальной производительной силой, по развитию которой можно судить об общем уровне развития человеческого общества. Она решает исключительно широкий перечень разрабатываемых фундаментальных проблем, начиная с исследований элементарных клеточных структур и реакций, протекающих в клетках, и заканчивая познанием процессов, развернутых и развивающихся на глобальном (биосферном) уровне. Связь биологических знаний с медициной существует изначально. Многие выдающиеся медики Античности были одновременно и биологами (Гиппократ, Герофил, Эразистрат, Гален, Авиценна, Мальпиги и др.). Но, роль биологии как теоретической основы медицины, в современном понимании, стала формироваться с XIX в. Большие заслуги в укреплении связей биологии и медицины в XIX- начале XX в. принадлежат Рудольфу Вирхову, К. Бернару и И.П. Павлову, которые раскрыли общебиологические основы физиологии и патологии, начиная с уровня клетки. А также, Л. Пастеру, Р. Коху, Д.И. Ивановскому и их последователям, создавшим учение об инфекционной патологии, и об асептике и антисептике, ускорившим развитие хирургии. Исследуя процессы пищеварения у низших многоклеточных животных, И.И. Мечников заложил биологические основы учения об иммунитете, имеющего большое значение в медицине. Исследуя биохимические проявления действия генов у человека, английский врач Арчибальд Гаррод в 1902 г. сообщил о «врожденных пороках метаболизма», чем было положено начало изучению наследственной патологии человека. На основе анатомии, физиологии, биохимии и других медикобиологических наук развиваются терапия и хирургия. На основе микробиологии, иммунологии и паразитологии разрабатываются диагностика и профилактика инфекционных и паразитарных болезней, развивается эпидемиология. Учение об антибиозе лежит в основе производства антибиотиков, являющихся важнейшей частью современного арсенала химиотерапевтических средств. Данные общей и молекулярной генетики, анатомии, физиологии и биохимии составляют теоретические основы диагностики, лечения и профилактики наследственных болезней. Биологические знания имеют большое значение и в развитии материального производства. Прямое влияние на него началось с создания биотехнологии в тех областях промышленности, которые основываются на биосинтезирующей деятельности микроорганизмов. Уже давно в промышленных условиях осуществляется микробиологический синтез многих органических кислот, которые используются в пищевой и медицинской промышленности и медицине. В 40-50-е гг. XX в. была создана промышленность по производству антибиотиков, а в начале 60-х - по производству аминокислот. Важное место в микробиологической промышленности занимает производство ферментов. Микробиологическая промышленность выпускает сейчас в больших количествах витамины и другие вещества, необходимые в народном хозяйстве и медицине. На основе трансформирующей способности микроорганизмов основано промышленное производство веществ с фармакологическими свойствами из стероидного сырья растительного происхождения. В недрах генетической инженерии и биотехнологии в XXI в. делаются первые серьезные шаги в разработке методических основ бионанотехнологии. Наибольшие успехи в производстве различных веществ, в том числе лекарственных (инсулин, соматостатин, интерферон, вакцины и др.), связаны с генетической инженерией, составляющей сейчас основу биотехнологии. Генетическая инженерия оказывает существенное влияние и на производство пищи, поиск новых источников энергии, сохранение окружающей среды. Лекция 2-3. Становление химии как науки, ее современный облик. 2-3.1. Период алхимии, ее становление и расцвет III в. до н.э. –XVI в.н.э. Ещё в 300 г. до н.э., египтянин Зосима создал энциклопедию из 28 томов, куда включил данные о превращениях веществ, собиравшиеся в последние 500-600 лет. Древнегреческие философы Эмпедокл, Платон и Аристотель и др. считали, что существуют четыре первоначала: земля, вода, воздух и огонь, которые способны переходить друг в друга, и каждое является одним из состояний единой первоматерии. Важным был вопрос о делимости материи. Родоначальниками «атомистической», концепции были Левкипп V в. до н.э., его ученик Демокрит V-IV в. до н.э. и Эпикур - IV-III в. до н.э. Согласно их учению, существуют только пустота и атомы – неделимые материальные элементы, вечные, неразрушимые, непроницаемые, различающиеся формой, положением в пустоте и величиной. Земля, по мнению Демокрита, сформировалась из-за того, что тяжелые атомы, притягиваясь друг к другу, образовали «твердь», более легкие – воду и воздух. Последователи концепции атомизма предполагали также, что тела возникали из «вихря» атомов. После смерти Александра Македонского (10.06. 323 г. до н.э.), его соратник, Птолемей Сотер, ставший царём Египта, основал Александрийскую академию и при ней - Александрийскую библиотеку,  которая стала крупнейшим хранилищем античных рукописей (около 700 000 свитков - рукописей). В эту эпоху, на основе слияния прикладной химии египтян с греческой натурфилософией, мистикой и астрологией (золото соотносили с Солнцем, серебро - с Луной, медь - с Венерой, и т.д.) (II-VI вв.) складывалась алхимия. Она стала частью александрийской культурной традиции, как форма ритуально-магического искусства. Соединение античной натурфилософии и практических знаний о веществах, их свойствах и превращениях привело к зарождению новой науки – khemeia - химия. Впервые это слово встречается в книге сицилийского астронома и математика Юлиуса Матерна Фирмика (336 г. н. э.). В итоге: 1. Практические знания приобрели "теоретическую базу" в виде платоновско -аристотелевского учения о четырёх элементах-стихиях. 2. Произошла мистификация натурфилософии. В VII веке новая мировая религия – ислам распространилась на огромной территории, создав Халифат, включивший в себя Малую и Среднюю Азию, Северную Африку (включая Египет) и юг Пиренейского полуострова в Европе. Арабские халифы, подражая Александру Македонскому, покровительствовали наукам. На Ближнем Востоке – в Дамаске, Багдаде, Кордове, Каире – были созданы университеты, ставшие научными центрами и давшие человечеству плеяду выдающихся учёных. Слово «химия» в арабском языке в «аль-хеми», далее – алхимия. Европейская алхимия развивалась в обществе, где христианская (католическая) церковь активно вмешивалась во все светские дела. Поэтому, алхимия в Европе с момента зарождения подвергалась гонениям. В 1317 году папа Иоанн XXII предал алхимию анафеме, после чего всякий алхимик в любой момент мог быть объявлен еретиком. Что могло приводить даже к казни. Мистические течения в европейской алхимии имели огромное значение. Алхимики-мистики сформулировали дополнительные задачи своей науки: 1.  Приготовление Эликсира или Философского Камня (Lapis Philosoiphorum); 2.  Создание гомункулуса; 3.  Приготовление алкагеста – универсального растворителя; 4.  Палигенез, или восстановление растений из пепла; 5.  Приготовление мирового духа (spiritus mundi) – магической субстанции, одно из свойств которой – способность растворять золото. 6.  Извлечение квинтэссенции. 7.  Приготовление жидкого золота (aurum potabile), совершеннейшего средства для излечения. В этом периоде происходит зарождение экспериментальной химии и накопление знаний о веществе. Но, по-прежнему, большую роль играют астрология и мистика. В русле мистифиции, арабские алхимики сформулировали идею «философского камня» - гипотетического вещества, ускорявшего «созревание» золота в недрах земли. Это вещество одновременно, могло быть эликсиром жизни, исцеляющим болезни и дающим бессмертие. Одновременно с мистифицией, в алхимии присутствовала практическая (опытная) деятельность (технохимия). Были открыты способы получения серной, соляной, азотной кислот, селитры, сплавов ртути с металлами, многих лекарственных веществ, А также щелочей, многих солей, этанола и др. Создавалась и совершенствовалась химическая посуда, некоторые устройства, приборы. В середине XIII века европейские алхимики 2-3.2. Становление и развитие химии как науки. В XVI веке ирландский учёный Роберт Бойль создал учение о составе вещества, основными позициями которого стали: - 1. Изучение элементного состава вещества; - 2. Изучение молекулярного состава вещества; - 3. Получение все новых химических соединений. Бойль не принимал утверждения древних философов, считавших, что элементы мироздания можно установить умозрительно. Он отразил это в названии своей книги – «Химик-скептик». Будучи сторонником экспериментального подхода к определению химических элементов, он не знал о существовании реальных элементов, хотя один из них – фосфор – едва не открыл сам. Обычно Бойлю приписывают заслугу введения в химию термина «анализ». В своих опытах по качественному анализу он применял различные индикаторы, ввел понятие химического сродства. Р. Бойль предположил, что все вещества состоят из химических элементов, которые нельзя разложить на более простые части. Основываясь на результатах своих экспериментов, он сделал важный вывод: качества и свойства вещества зависят от того из каких химических элементов оно состоит. С этого времени химия начинает развиваться как самостоятельная наука полностью свободная от мистики, астрологии, символизма и пр. Алхимия вытесняется подлинно научными интересами. Дмитрий Иванович Менделеев в 1882 г. определяет химию, как "учение об элементах и их соединениях". Современный, даже упрощенный вариант значительно отличается от менделеевского: "Химия – наука о веществах, их составе, строении, свойствах, взаимных превращениях и законах этих превращений". Целью химии на всех этапах её развития является получение вещества с заданными свойствами. Эта цель, иногда именуемая основной проблемой химии, включает в себя две важнейших задачи – практическую и теоретическую, которые не могут быть решены отдельно друг от друга. Получение вещества с заданными свойствами не может быть осуществлено без знания способов управления свойствами вещества, т.е., без понимания причин происхождения и обусловленности свойств вещества. Таким образом, химия есть одновременно и цель и средство, и теория и практика Историческое развитие, достижения и открытия в химии характеризуются в зависимости от возникновения и преобладания теорий, объединённых общими фундаментальными принципами, понятиями, законами, методами и проблемами или концептуальных систем. Теорию концептуальных систем развития химии создали и развивали русский химик и философ Владимир Иванович Кузнецов, философ науки Александр Александрович Печенкин, ряд других химиков, историков науки, философов. Наиболее полно эта теория изложена в книге В. И. Кузнецова - «Общая химия: тенденции развития» (1989). Выделено четыре концептуальные системы: 1. Учение о составе вещества. (Р. Бойль, 1660-е годы) 2. Структурная химия. 3. Учение о химическом процессе. 4. Эволюционная химия. Согласно этой теории, в развитии химии происходит не смена, а последовательное появление концептуальных систем. Химические знания по настоящее время пополняются и прогрессируют как параллельно на каждом из четырех уровней, так и путём подъема от одной концептуальной системы к другой. Первая концептуальная система . Первая химическая концепция - учение о составе вещества возникла в 1660-х гг. и связана с исследованием свойств веществ в зависимости от их химического состава. С середины XVII до второй половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой практически всю химию. В рамках этой концептуальной системы решались две основные проблемы: -  химического элемента и зависимости свойств вещества от его химического состава. Основной постулат этого учения состоит в том, что свойства вещества определяются его составом. Соответственно, объектом учения о составе является вещество как совокупность атомов (позднее обозначенная как квантовая микросистема). C конца XVIII до середины XIX века был открыт целый ряд законов, устанавливающих количественные соотношения (массовые и объёмные) между реагирующими веществами и продуктами реакции. Это закон сохранения массы вещества в химических процессах М.В. Ломоносова, закон Авогадро (Амедео), закон эквивалентов, постоянства состава, объёмных отношений, кратных отношений. Все они лежат в основе стехиометрии и позволили создать правила составления химических уравнений и формул. Экспериментальное подтверждение этих и других законов, а также предположений, теорий, выводов, безусловно, делало химию одной из передовых и точных наук. Тем не менее, в начале XIX в. атомно-молекулярное учение в химии все еще с трудом пробивало себе дорогу. Окончательную победу оно одержало на 1-м Международном конгрессе химиков, 03-05.09.1860 г. в г. Карлсруэ. Подтверждённое теорией строения химических соединений А.М. Бутлерова, оно способствовало в конце XIX в., к переходу ко второй концептуальной системе. Важнейшим достижением первой концептуальной системы, позволившим химии шагнуть на уровень второй концептуальной системы – учении о структуре вещества - и ставшим основой для третьего – учения о химических процессах и даже четвертого – эволюционной химии - стала Периодическая система Дмитрия Ивановича Менделеева. (1869). Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева стали частью базовых знаний современной химии. Они относятся к таким научным закономерностям, которые отражают явления, реально существующие в природе, и никогда не потеряют своего значения. В их числе, вместе с периодической системой элементов, теория валентности и химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика. Вторая концептуальная система. К 1800-е годы стало очевидным, что свойства веществ и их качественное разнообразие зависят не только от состава, но и от структуры молекул (например, эмпирическая молекула сахара, глюкозы, фруктозы одна и та же. Но вещества, как известно, разные, как и их структура. Возникла концепция структурной химии, предполагающая исследование структуры, т.е. способа взаимодействия элементов. Основным объектом структурной химии становится молекула, как единое целое. Эта концептуальная система открыла путь теории пространственного строения органических соединений - стереохимии. С ее появлением химия превращается из науки аналитической в науку синтетическую. Утверждается новый общий теоретический подход - определение свойств химических веществ в зависимости не только от состава, но и от структуры. Во второй половине XIX в. складываются: физическая химия, химическая кинетика - учение о скоростях химических реакций, теория электролитической диссоциации, химическая термодинамика. Развитию идеи о сложном строении атома также способствовало открытие Д. И. Менделеевым периодической системы элементов, которая наталкивала на мысль о том, что атомы не являются неделимыми. И, что они обладают структурой, а, значит, их нельзя считать первичными материальными образованиями. Дальнейшее поступательное развитие современной структурной химии связано с познанием в области квантово-механической теории строения атома, химической связи и строения вещества. На этом уровне больших успехов достигают прикладная неорганическая химия и органический синтез. Третья концептуальная система — это учение о химическом процессе, которое стало формироваться во второй половине XIX-го века и достигло наиболее высокого уровня в первой трети XX. В основании этой концептуальной системы лежит представление о химической кинетике и химической термодинамике, а в ее рамках исследуются внутренние механизмы и условия протекания химических процессов (скорости протекания процессов, температура, давление и т.п., влияние катализаторов, ингибиторов и проч.). Учение о химическом процессе, базируется на постулате, что свойства вещества определяются его составом, структурой и организацией системы, в которой это вещество находится. Они зависят от концентрации реагентов, от внешних условий и окружающей среды, в которых находится система, а также от наличия в системе катализаторов, примесей, растворителя, и т. п., стехиометрически не участвующих в химической реакции. Но, воздействующих на столкновения или движения молекул (кинетическую или потенциальную энергию), меняя скорость и качество протекания реакции. Создание учения о химическом процессе позволило решать вопросы управления химическими реакциями и процессами, создать новую химическую технологию. В результате, в 40-50-х годах XX в. во многих странах началось быстрое, полномасштабное развитие химической промышленности, особенно, производство полимерных материалов. В 1953 был синтезирован полиэтилен, а затем другие полимеры с заданными свойствами. Сегодня производство полимеров – крупнейшая отрасль химической промышленности. Поскольку знание и следование экологическим законам отставало от экономических приоритетов, важнейшим негативным последствием такого развития стало, например, нарастающее с тех пор мощнейшее загрязнение биосферы пластиком, некоторыми химическими веществами и др. Уже к концу XX в., было понятно, что не все достижения химии стали безусловным благом для человека. При производстве красок, мыла, текстиля использовали соляную кислоту и серу, представлявшие большую опасность для окружающей среды. Этот перечень можно продолжать. И только к началу XXI в. начинают развиваться новые, экологически безопасные производственные технологии, технологии очистки окружающей среды. Производство многих органических и неорганических материалов увеличивается за счет вторичной переработки использованных веществ, а также за счет переработки химических отходов, которые представляют опасность для здоровья человека и окружающей среды. Четвертая концептуальная система — эволюционная химия была сформулирована в 1970-х гг. И она все еще находится в стадии становления. В центре внимания четвертой концептуальной системы находятся открытые высокоорганизованные химические системы, развитие которых ведет к возникновению биологической формы движения. К объектам ее изучения относятся процессы самоорганизации вещества: от атомов и простейших молекул до живых организмов. Эволюционная химия включает в себя учение об эволюционном катализе (теории саморазвития химических систем), а также теории биоорганической и бионеорганической химии. Т.о. решается задача освоения и управления химическими процессами, аналогичными процессам, происходящими в живой клетке. Что позволит, например, решить на новом уровне проблему обеспечения, белковой пищей, лекарствами, биоорганическими материалами, необходимыми для трансплантации органов и тканей в организме животных и человека и др. Одним из первых открытий, которые относят к эволюционной химии, является эффект самосовершенствования катализаторов в реакциях, исследованный в работах американских химиков А. Гуотми и Р. Каннингем в 1958-60 гг. В 1964-1969 гг. советский химик А. П. Руденко, создал теорию саморазвития открытых каталитических систем. В работах немецкого химика М. Эйгена была развита теория гиперциклов, объясняющая способы объединения самовоспроизводящихся макромолекул в замкнутые автокаталитические химические циклы. Теория гиперциклов является  абиогенетической теорией химической эволюции и происхождения жизни.  Нобелевский лауреат Жан-Мари Лен, основатель супрамолекулярной химии, ввёл понятие «самоорганизация» и «самосборка» для описания явлений упорядочения в супрамолекулярной химии. Наиболее известным проявлением самосборки в живой природе является самосборка молекул нуклеиновых кислот, матричный синтез белков. В ХХ веке благодаря достижениям химической науки стало возможным получение веществ с заданными свойствами: синтетических антибиотиков, синтетических полимеров, пластмасс, всевозможных строительных материалов, тканей и т.п. Одна из особенностей химии XX в. состоит в широком привлечении знаний и законов физики, для понимания фундаментальных химических законов. Сегодня, теоретическая химия в значительной степени представляет собой физику, "адаптированную" для решения химических задач. И, именно достижения физики сделали возможными огромные успехи современной теоретической и прикладной химии в XX-XXI столетии.   Еще одной особенностью современной химии является появление и развитие большого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических. Список используемых методов чрезвычайно обширен. Широкое распространение имеют рентгеновская, электронная и инфракрасная спектроскопия, магнетохимия и масс-спектрометрия, спектроскопия ЭПР (электронного парамагнитного резонанса) и ЯМР (ядерного магнитного резонанса), рентгеноструктурный анализ и т.п. Новые данные, полученные с помощью физико-химических методов, заставили пересмотреть целый ряд фундаментальных понятий и представлений химии. Сегодня ни одно химическое исследование не обходится без привлечения физических методов, которые позволяют определять состав исследуемых объектов, устанавливать мельчайшие детали строения молекул, отслеживать протекание сложнейших химических процессов. Для современной химии также характерно тесное взаимодействие в том числе с биологическими и медицинскими науками. Физическая и биологическая химия стали важнейшими разделами химии наряду с классическими – неорганической, органической и аналитической. Биохимия со второй половины ХХ столетия занимает одно из лидирующих положений в естествознании. К ХХI прогрессирует также химия экстремальных состояний, которая включает химию высоких давлений и высоких температур, плазмохимию, радиационную химию и структурную неорганическую химию. Химия высоких давлений и высоких температур, изучает получение ряда материалов и веществ в условиях высокотемпературных, самораспространяющихся реакций. Химические процессы в диапазоне 300—3000°К – это химия высоких температур. (0°С = 273°К; 100°С = 373°К). Диапазон более высоких температур — 3000—5000°К — изучает плазмохимия. Радиационная химия изучает проведение реакций в условиях радиоактивного облучения. Структурная неорганическая химия занимается созданием веществ, работая с ними на уровне строения молекул. Пытаясь, например, создать кристаллы с идеальной кристаллической решеткой (обладающими очень высокой износоустойчивостью, твердостью и другими нужными человечеству свойствами), или заданными свойствами, необходимыми для создания современных, высокотехнологичных материалов. Важным направлением современной химии является получение дешёвого топлива, создающего альтернативу основным современным источникам энергии – нефти и газу. В последние десятилетия не менее 20% всей промышленной химической продукции производят каталитическим способом, причем большая часть - с участием катализа на поверхности твердого тела. Точные современные приборы и компьютеры значительно упрощают исследования и математические расчёты в области химии, повышают их точность, скорость и уменьшают стоимость. Список литературы 1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студ. вузов. - М.: Гуманитарный изд. центр «ВЛАДОС». - 2000. - 512с.: ил. 2. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. М.: Изд-во «Высшая школа» - 2003. - 488с.: ил. 3. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум. М.: «Высшая школа», 2002. - 110с. 4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. - изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Альфа-М; ИНФРА-М. - 2003. - 622с. 5. Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 2007. – 383 с. 6. Лось В.А. Основы современного естествознания. Уч. пособие. М., ИНФРА, 2007. – 192 с. 7. Липовко П.О. Практикум по естествознанию – Ростов-на-Дону/ Феникс. 2008.- 320 с. Интернет-ресурсы. – Янлекс, Гугл и др.