Дубнищева Т. Концепции современного естествознания. Учебное пособие

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3
Глава 1. Логика познания и методология естественных наук 7
1.1. Наука — часть культуры 7
1.2. Формирование критерия научности 13
1.3. Методы естествознания, всеобщность его законов. Системный подход 18
1.4. Понятия «научная программа» и «научная картина мира» ....26
1.5. Математическая научная программа в развитии 31
1.6. Понятия «научная парадигма» и «научная революция» 33
1.7. Оценки научных успехов и достижений 37
1.8. Современная научно-техническая революция: достижения и проблемы 39
Глава 2. Понятия пространства, времени и материи.
Фундаментальные взаимодействия 44
2.1. Понятие «пространство» 44
2.2. Масштабы расстояний во Вселенной.
Методы оценок размеров и расстояний 48
2.3. Понятие «время» в своем развитии 56
2.4. Временные масштабы во Вселенной.
Методы измерения времени 60
2.5. Структурные уровни организации материи 68
2.6. Понятие «поле». Уравнения Максвелла.
Свет — электромагнитная волна 71
2.7. Типы фундаментальных взаимодействий в физике 76
2.8. Попытки построения Теории Всего Сущего 80
Глава 3. Мироздание в свете классической механистической парадигмы 89
3.1. Модель материальной точки и законы классической механики 89
3.2. Масса инертная и гравитационная. Принцип эквивалентности 94
3.3. Движения планет и законы Кеплера 96
3.4. Закон всемирного тяготения 98
3.5. Связь законов сохранения со свойствами пространства и времени 104
3.6. Колебания и волны в природе и их описание.
Гармонический осциллятор 108
3.7. Распространение звука в средах
и реакция организма на звуковые волны 115
3.8. Описание волновых процессов. Типы и свойства волн.
Спектр и его анализ 118
3.9. Эффект Доплера, его исследование и значение для науки.... 122
3.10. Явление резонанса. Резонансы в движении планет 126
Глава 4. Концепции классической термодинамики
и статистической механики 131
4.1. Теплота, температура и механический эквивалент теплоты 131
4.2. Понятие «внутренняя энергия».
Первое начало термодинамики 136
4.3. Преобразование тепловой энергии в механическую работу 140
4.4. Понятие «энтропия».
Суть спора о «тепловой смерти Вселенной» 143
4.5. Начала термодинамики. Энтропия и вероятность.
Принцип Больцмана 148
4.6. Микро- и макропеременные в описании систем. Основные модели 151
4.7. Основные положения молекулярно-кинетической теории
и эмпирические газовые законы 153
4.8. Связь параметров газа с его микроструктурой.
Распределение Максвелла 155
4.9. Распределение частиц газа во внешнем поле и в атмосферах планет 159
4.10. Понятие «флуктуация» и точность измерений 161
4.11. Процессы обратимые и необратимые.
Принцип локального равновесия 163
Глава 5. Концепции строения и корпускулярно-волновой дуализм материи 169
5.1. Ограниченность законов классической оптики.
Измерение скорости света 169
5.2. Волновые свойства света.
Спектр электромагнитного излучения 176
5.3. Явление дисперсии сред
и доказательство материального единства мира 181
5.4. Законы теплового излучения, кризис классической
теории и появление квантовой гипотезы 185
5.5. Открытие электрона и радиоактивности.
Рождение представлений о сложном строении атома 189
5.6. Планетарная модель строения атома.
Современная наука и постулаты Бора 193
5.7. Корпускулярные свойства света.
Фотоны Эйнштейна и доказательство их реальности 199
5.8. Поглощение и испускание квантов света.
Спонтанное и вынужденное излучения 202
5.9. Корпускулярно-волновые свойства вещества и значение их открытия 204
Глава 6. Концепции взаимодействий и структур в микромире 208
6.1. Описание движения микрочастиц.
Принципы дополнительности и причинности 208
6.2. Принципы соответствия и неопределенности.
Роль прибора и процесса измерения в квантовой механике 213
6.3. Строение химических элементов и понимание Периодической таблицы Менделеева 218
6.4. Радиоактивные элементы и возможности превращения элементов 224
6.5. Представления о строении атомного ядра 234
6.6. Элементарные частицы и проблема поиска «первичных объектов» 239
Глава 7. Концепции строения вещества (от микромира к макромиру) 245
7.1. Представление о строении молекул 245
7.2. Развитие представлений о составе веществ. Законы стехиометрии 251
7.3. Развитие структурной химии 256
7.4. Строение веществ в разных агрегатных состояниях 261
7.5. Строение и свойства металлов 268
7.6. Структура и уникальные свойства воды 275
7.7. Строение и свойства атома углерода, определившие его роль в природе 278
Глава 8. Концепции процессов и возможности управления ими 283
8.1. Химический катализ и методы управления химическими процессами 283
8.2. Цепные реакции и свободные радикалы 289
8.3. Особенности растворения в воде различных веществ 291
8.4. Процессы диффузии и осмоса, их роль в клеточных мембранах 299
8.5. Понятия фазы и фазового перехода. Фазовые переходы первого и второго рода 303
8.6. Сверхтекучесть и сверхпроводимость 308
8.7. Возникновение самоорганизации в неравновесных системах. Понятие обратных связей 314
Глава 9. Концепции строения, эволюционных процессов
и зарождения структур в мире звезд 319
9.1. Строение типичной звезды. Источники энергии Солнца и звезд 319
9.2. Звезды, их характеристики и эволюция 325
9.3. Переменные звезды и их эволюция. Конечные стадии эволюции звезд и Солнца 333
9.4. Галактика, ее форма и строение. Солнечная система в Галактике 338
9.5. Многообразие мира галактик. Содержание и значение закона Хаббла 344
9.6. Сценарий стационарной Вселенной и «Космология Большого Взрыва» 351
9.7. Рождение частиц по современной модели развития Вселенной 357
9.8. Модель инфляционной Вселенной.
Возникновение во Вселенной крупномасштабных неоднородностей 360
Глава 10. Концепции строения, эволюционных процессов
и зарождения структур в мире планет 368
10.1. Элементы планетной космогонии 368
10.2. Формирование малых тел Солнечной системы, Луны и Земли.
Движения Земли, строение геосфер и изучение процессов 376
10.3. Распространенность и круговороты химических элементов на Земле 385
10.4. Модели появления геологических структур на поверхности Земли 391
10.5. Геохронологическая шкала эволюции Земли 402
10.6. Самоорганизация при образовании планет
и взаимодействии геосфер 407
Глава 11. Основные формы, свойства и уровни организации живой
материи. Молекулярный уровень 415
11.1. Общая характеристика науки о живом и развитие традиционной биологии 415
11.2. Основные свойства живой материи 421
11.3. Уровни организации живой природы на Земле 426
11.4. Молекулярно-генетический уровень организации живой материи.
Строение и структура макромолекул белков 429
11.5. Установление строения и структуры молекул ДНК и РНК 435
11.6. Молекулярные механизмы генетической репродукции, синтеза белка и изменчивости 439
11.7. Молекулярный механизм процессов обмена веществ и энергии 452
11.8. Молекулярные основы воспроизведения генетической
информации и осуществления связи между клетками 458
Глава 12. Онтогенетический уровень организации жизни.
Концепции эволюционной биологии 465
12.1. Основные положения клеточной теории, методы изучения состава клетки 465
12.2. Строение и функции основных органелл клетки 472
12.3. Функции клеточных мембран. Работа «ионного насоса» 477
12.4. Процессы фотосинтеза и клеточного дыхания 480
12.5. Формирование идей эволюции в биологии 488
12.6. Понятие о неодарвинизме и синтетической теории эволюции 493
12.7. Понятия микро- и макроэволюции.
Естественный отбор — направляющий фактор эволюции 498
12.8. Основные гипотезы происхождения живого 502
12.9. Концепция происхождения живого по гипотезе Опарина —Холдейна 508
12.10. Современная оценка концепции биохимической эволюции в биологии 512
Глава 13. Концепции самоорганизации и моделирования
процессов в сложных системах 519
13.1. Возникновение упорядоченности в гидродинамике.
Понятия аттрактора и динамического хаоса 519
13.2. Порядок и хаос в больших системах. Понятие фрактала 524
13.3.Пороговый характер самоорганизации и представление о теории катастроф 528
13.4. Математические закономерности эволюции. Понятие бифуркации 531
13.5. Синергетика — новый научный метод 535
13.6. Эволюционная химия.
Возникновение упорядоченности в химических реакциях 539
13.7. Возникновение самоорганизации в морфогенезе 543
13.8. Моделирование отношений между трофическими уровнями в биоценозах 546
13.9. Элементы теории самоорганизованной критичности 551
Глава 14. Концепции строения и функционирования
на биосферном уровне организации живой материи 557
14.1. Биосферный уровень организации жизни.
Основы учения В.И.Вернадского о биосфере 557
14.2. Распределение на Земле солнечной энергии. Биотический круговорот 562
14.3. Связи между организмами в экосистеме 568
14.4. Самоорганизация в формировании климата 572
14.5. Концепции эволюции растительного и животного мира ....579
14.6. Человек — качественно новая ступень развития биосферы 584
14.7. Концепции коэволюции и ноосферы 588
14.8. Естественно-научная картина мира и общественная мысль 593
Заключение 600
Список литературы 602

ВВЕДЕНИЕ

Естествознание — неотъемлемый компонент культуры, определяющий мировоззрение человека. Научное мировоззрение обеспечивает восприятие достижений науки обществом и устойчивость к манипуляциям общественным сознанием. Рациональный метод, сформировавшийся в рамках естественных наук, проникает и в гуманитарную сферу, и в общественную жизнь. Он существенно дополняет художественный метод познания действительности.
В 70-е годы XX в. шли философские споры о системном подходе наук к своим объектам. Такой подход требовался в общественных науках, которые перешли к рассмотрению сложных, многоуровневых систем. Облик естествознания менялся в общекультурном и историческом контекстах.
Современная научная картина мира отличается сложностью рассматриваемых систем. Так, с помощью ЭВМ решаются задачи, которые не могли быть решены четверть века назад. Оказалось, что в сложных системах вдали от равновесия могут возникать из хаоса упорядоченные состояния. Хаос стал выступать созидательным началом, конструктивным и обязательным механизмом эволюции. В настоящее время обществу необходимо решать сложные задачи выхода из многочисленных кризисов, причем пути выхода не должны быть катастрофическими, фактически — это задачи балансировки между рисками и безопасностью. Проблемы выбора стратегии связывают с нелинейной динамикой, разработавшей различные пути перехода от хаоса к порядку. Явления самоорганизации начали изучаться в естествознании, экологии, экономике. Будущие специалисты во многих областях должны получить представление о современной научной картине мира.
Актуальность курса «Концепции современного естествознания» созвучна потребностям в целостном взгляде на окружающий мир. Данная дисциплина введена в учебные планы более чем сорока социально-экономических и гуманитарных специальностей вузов. Она является продуктом междисциплинарного синтеза, основанного на эволюционно-синергетическом подходе. К настоящему времени в основном определились цели, содержание и структура курса.
Предлагаемое учебное пособие написано в соответствии с Государственным образовательным стандартом. Методологические установки и релятивистское миропонимание включены в главы, посвященные формированию научных программ и картин мира, понятий времени, пространства, движения и, конечно, космологии. Курс построен без традиционного деления на отдельные дисциплины и направлен на создание единой картины мира, которая включает терминологию, язык, сложившиеся понятия и современные достижения. Для удобства пользования пособием выделено 14 глав по основным темам.
Сначала в главе 1 рассматриваются вопросы логики познания, научного метода, процессов формирования картин мира и научных программ. Показано, как человек сумел расширить границы непосредственного восприятия мира, создавая методы, приборы, проникая и в микромир, и в космос; как он сумел узнать и, сопоставляя, измерить этот огромный мир. Рассмотрены изменения представлений о пространстве, времени и движении от Декарта, Галилея и Ньютона до Эйнштейна и его последователей. В главе 2 обсуждаются масштабы Вселенной и ее объектов в пространстве и во времени, иерархическое строение материи и фундаментальные взаимодействия. В главе 3 вводятся простейшие модели для описания движений изолированных систем. С помощью этих моделей описываются движения в макро- и мегамире; обсуждаются концепции детерминизма и причинности классической физики. Отмечено, что единство природы и универсальность ее законов наиболее ярко проявляются в колебательных и волновых процессах. Показано, как законы сохранения и принципы симметрии приобретают столь значимый статус в описании и восприятии природы человеком, как успехи точного естествознания повлияли на формирование понятий экономической теории. Выделена роль закона тяготения в становлении идеи единства материального мира.
Глава 4 посвящена динамическим и статистическим закономерностям окружающего мира. Фактически это — переход от использования простейших классических моделей к сложным системам, когда необходимо сопоставлять микроскопическое описание систем с макроскопическим, когда модельные параметры на микроуровне сопоставляются с характеристиками сложной системы. Обсуждены начала термодинамики и основные понятия: теплота, равновесие, внутренняя энергия, энтропия. Глава 5 посвящена концепции атомизма и ее приложению к организации материи в микро- и макромире. На примере корпускулярно-волнового дуализма света и вещества продемонстрирован переход от наглядного моделирования объектов мира к их объединению. В главе 6 рассмотрены особенности взаимодействий и структур в микромире. Уделено особое внимание мировоззренческим установкам так называемого неклассического описания мира, когда понятие вероятности становится основным. В главе 7 дается описание строения вещества от микрочастиц до объектов макромира, а в главе 8 — концепции взаимодействий и структур
объектов микро- и макромира, связанных с изменениями состояний и процессами.
В главе 9 детально рассмотрены процессы в мегамире — звезды, галактики, Вселенная. Обсуждаются концепции эволюции во Вселенной. В главе 10 представлена космогония тел Солнечной системы, геологическая и геохимическая история нашей планеты и ее спутника — Луны.
Затем (глава 11) рассмотрены основные формы, свойства и уровни организации жизни на Земле, более подробно представлены развитие биологии как науки о живой материи и традиционной и физико-химической биологии. Обсуждается самый глубинный уровень организации живого — молекулярно-генетический. Глава 12 посвящена онтогенетическому уровню организации жизни. Обсуждаются различные подуровни (клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционный, видовой), а также концепции эволюции в науке о живом и биохимические процессы, приведшие к зарождению жизни. Выделены аналогии при изучении природных систем как систем сложных. В соответствии с общей направленностью курса после описания объектов природы, их строения и функций рассмотрены особенности их эволюции.
В главе 13 изложены основы концепции самоорганизации и построения теории описания неравновесных процессов в сложных системах. Показана роль обратных связей в организации процессов, происходящих в сложных системах, далеких от равновесия. Рассмотрены примеры возникновения самоорганизации материи в разных предметных областях. Дано представление о междисциплинарном подходе к изучению сложных систем — синергетике, теории диссипатичных процессов и теории катастроф.
В заключительной главе представлены концепции эволюционных процессов в сложной системе — биосфере Земли. Рассмотрены явления самоорганизации и инертности человеческого общества и концепция коэволюции, взаимодействия внутри сложных систем, соотношения в сообществах и возможности компьютерного моделирования. Дана характеристика антропному принципу и космическому значению возникновения жизни на Земле.
Общепризнано, что образование, культура, наука — краеугольные камни развития общества. По отношению государства к этим трем сферам легко представить себе его будущее. Страна, недооценивающая роль указанных сфер, обречена на прозябание в постиндустриальном мире.
В 1992 г. состоялась беспрецедентная по масштабу и уровню Международная конференция по устойчивому развитию, на которой было признано, что существующая парадигма развития цивилизации должна быть кардинально изменена. В принятом участниками конференции (в том числе главами правительств и государств) документе «Повестка дня на XXI век» было признано,
что «развитие будет устойчивым», если «удовлетворяются потребности ныне живущих поколений без лишения возможности последующих поколений удовлетворять свои потребности». Но конкретные меры достижения как на этой, так и на последующей (Киото, 1997) конференции были далеки от практической реализации. Пропаганде концепции устойчивого развития много внимания уделял председатель Сибирского отделения РАН академик В.А. Коптюг. В одном из своих выступлений на Международном конгрессе «Наука и образование на пороге XXI века» он отметил: «Всплеск в последнее время астрологии, парапсихологии и прочей псевдонаучной галиматьи также не может не сказаться на формировании сознания россиян, которым предстоит жить в XXIв. Если мы хотим, чтобы представители общества действительно принадлежали к роду homosapiens, то система образования должна на всех этапах содействовать развитию самостоятельного мышления, критического анализа и формированию духовного стержня».
Исторический подход и использование аналогий при формировании современной картины мира важны для мировоззрения, оценки «масштаба» теорий, формирования образов, охватывающих естественно-научную картину мира, т. е. усвоения новых идей обществом. Учебное пособие дает не набор догм, а опыт отбора гипотез, развивает творческое мышление, пробуждает тягу к выработке собственного мнения относительно тех или иных несоответствий теории и опытов, к личному активному участию в формировании современной картины явления.
Книга стала призером конкурса учебников и учебных пособий нового поколения по данной дисциплине, проводимого Министерством образования Российской Федерации в 2001 г.
Пятое издание в сочетании с мультимедийным учебником автора было удостоено Большой Золотой медали на конкурсе Международной выставки-ярмарки «Учсиб-2005».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Закрыта последняя страница книги...
Даже если Вы читали ее для того, чтобы грамотно ответить на экзамене, автор надеется, что книга не только способствовала расширению кругозора, но и оказала эмоциональное воздействие, пробудила живой интерес к познанию мира и осмыслению его устройства. Как писал Сенека, «кто мудр, тот смотрит на замысел, а не на исход. Досуг без занятий наукой — смерть и погребение заживо».
Без знания современной науки, без освоения ее идей, языка и методов невозможно принятие ответственных решений, которые требуются для управляемого развития. Как-то Станислав Лем подчеркнул, что «общая тенденция, заметная буквально повсюду, в том числе и в США, такова, что возрастающей сложности государственных, социальных, технических, наконец, глобальных проблем сопутствует явное снижение уровня компетентности правящих».
Многочисленные кризисы, как и экологический кризис, поставивший нашу планету на грань катастрофы, возникли не из-за развития науки и техники, а из-за недостаточного распространения знания и культуры, в силу безответственности решений некомпетентных руководителей, равнодушия и бесконтрольного развития человеческих потребностей. Поэтому люди, собирающиеся стать управленцами, экономистами или юристами, должны понимать естественно-научную сущность анализируемых объектов, проблем и современных технологий. Сказанные ранее слова А. Эйнштейна дополняют эту мысль: «Ограничение области знания лишь небольшой группой людей ослабляет философский дух народа и ведет к духовному обнищанию».
Общество ответственно за формирование реальных ценностей развития науки и техники, за воспитание нравственных устоев будущего человечества. Сейчас важно, чтобы научные разработки были восприняты обществом и востребованы им. Создание научной общественности должно быть одной из важнейших задач в обучении молодежи, поскольку восприятие достижений науки зависит от сознания общества больше, чем от самих достижений. Это особенно актуально в наше время, когда в условиях свободы слова средства массовой информации обеспечивают нас сенсациями на любой вкус. Только общественность, умеющая правильно
600

оценить достижение и отличить его от ложного успеха, может помочь науке развиваться по правильному пути.
Синергетике уже тридцать лет, это всего на порядок меньше, чем классическому естествознанию, если отсчитывать его рождение с периода Нового Времени, Галилея, Кеплера и Ньютона. Но мы уже мыслим иначе, нас интересует не устоявшееся и застывшее, а становящееся и возникающее. «В любых сложных системах наблюдается периодическое чередование стадий эволюции и инволюции, свертывания и развертывания, схождения к центру и частичного распада. И аналогии с историческими свидетельствами о циклах процветания и гибели цивилизаций, с циклами Кондратьева, колебательными режимами Гэлбрайта, этногенетичес-кими ритмами Л.Н.Гумилева», — отмечают известный математик С. П. Курдюмов и философ Е. Н. Князева. Следуя за современными моделями естествознания, синергетическими моделями, возможно строить прогнозы на будущее. Причем прогнозы грамотные, отличные от пути блуждания через пробы и тупики.
Ф.М.Достоевский писал: «Нравственный и образованный народ составляет великую и справедливую цель, достойную великой нации. Нравственное стремление, просвещение не только высшая, но, может быть, самая выгодная политика для великой нации именно потому, что она великая. Политика текущей практичности и беспрерывного бросания себя туда, где повыгоднее, где понасущнее, изобличает мелочь, внутреннее бессилие государства. Ум практической и насущной выгоды всегда оказывается ниже правды и чести, а правда и честь всегда кончали тем, что торжествовали...» В заключение приведу выдержку из книги Д. И. Менделеева «Заветные мысли»: «Нам особенно нужны образованные люди, близко знающие русскую природу, т. е. всю русскую действительность для того, чтобы мы смогли сделать настоящие, самостоятельные, а не подражательные шаги в деле развития своей страны». Эти мысли должны соответствовать реформам системы образования.

Так что, учитесь, делайте выводы, ставьте в своей единственной жизни достойные цели.

УДК 50(075.8)
ББК 20я73
Д 79
Рецензенты:
акад. В.М. Титов (Институт гидродинамики им. М.А.Лаврентьева
Сибирского отделения РАН);
проф. С. М. Репинский (Институт физики полупроводников
Сибирского отделения РАН);
проф. П. Е. Твердохлеб (Институт автоматики и электрометрии
Сибирского отделения РАН)
Дубнищева Т.Я.
Д79 Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 6-е изд., испр. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 608 с.
ISBN 5-7695-2416-2
В пособии через научные картины мира и программы гармонично согласованы вопросы истории науки и культуры с вопросами развития естественных наук. При изложении материала использованы системный подход, идеи синергетики и глобального эволюционизма, что способствует формированию целостного мировоззрения. Основные понятия, концепции и законы даны в развитии, показана независимость процесса познания, дающая навыки самостоятельных суждений и способствующая развитию ассоциативного мышления и формированию творческой личности.
Для студентов высших учебных заведений.
УДК 50(075.8)
ББК 20я73
© Дубнищева Т.Я., 2003
© Дубнищева Т.Я., 2006, с изменениями
и дополнениями
© Издательский центр «Академия», 2003
ISBN 5-7695-2416-2;
© Издательский центр «Академия», 2006
.

Комментарии (2)
Обратно в раздел Наука