Контрольная работа по "Концепция современного естествознания"

   Статистические  методы, позволяющие получить средние значения измеряемых величин для общей характеристики изучаемых явлений, получили широкое распространение. Изобретение Ньютоном и Лейбницем дифференциального и интегрального исчислений, развитие методов статистической обработки результатов опыта способствовали использованию математики во всех областях естествознания. Была «непостижима эффективность применения математики», но по ее законам были «на кончике пера» открыты планеты Нептун и Плутон, ток смещения в уравнениях Максвелла, электромагнитная природа света, нестационарность модели Вселенной А. Фридмана, обнаружено красное смещение в спектрах далеких галактик и многое другое. Природа таких математических предсказаний реальности вызывает многочисленные философские дискуссии.

   Развитие  математики и появление ЭВМ позволили  решать невероятно сложные нелинейные уравнения теории с огромным числом взаимосвязанных параметров. Такие  уравнения описывают сложные  системы, более реальные, чем идеальные модели классической науки. Созданы совершенно новые разделы математики — кибернетика, теория катастроф и др. И от статических моделей систем, находящихся почти в равновесии, переходят к моделированию сложных систем в далеких от равновесия состояниях. Широко используют понятия случайности, вероятности, выбора варианта развития, эволюции, скачкообразных переходов. Необратимость процессов, существование обратных связей и нелинейность стали главными доминантами современного описания процессов.

   Системный подход используют, когда каждое явление или предмет рассматривается как часть целостного организма. Взаимодействие частей друг с другом придает системе свойства, которых нет у ее отдельных элементов. Это свойство систем называют эмерджентностью, и оно фактически является определяющим для системы. Все компоненты системы находятся в тесной взаимосвязи. Совокупность этих взаимосвязей и взаимодействий, обеспечивающую возникновение целостных свойств всей сложной системы, называют ее структурой. Выделение системы из других, с которыми она взаимодействует непосредственно, приводит к понятию окружающей среды. Второе важное свойство систем — иерархичность любого системного образования, т.е. существование различных взаимосвязанных структурных уровней рассмотрения систем. Строение системы определяется ее компонентами — подсистемами и элементами. Так, живой организм состоит из пищеварительной, нервной, дыхательной и других подсистем; подсистемы — из органов, органы — из тканей, ткани .— из клеток, клетки — из молекул. По подобному иерархическому принципу построены многие системы.

   Третьим важнейшим свойством систем является их открытость, т. е. степень связанности с внешней средой. Все реальные системы в природе являются открытыми т. е. взаимодействующими с окружающей средой путем обмена веществом, энергией или информацией. Последний обмен имеет место в живых, социально-экономических и других системах. При полном отсутствии связей с окружающей средой говорят о том, что система изолирована, и никакое взаимодействие с ней невозможно в принципе. Поскольку это представление абстрактно, можно говорить лишь о степени изолированности системы от окружающей среды. Если внешний мир влияет на систему, а система не откликается на внешнее воздействие, то ее называют закрытой. Полная определенность и предсказуемость описания и поведения систем характеризуется детерминированностью. Это свойство является некоей удобной при расчетах идеализацией, поскольку все явления обладают стохастичностью.

   Стационарность  — следующее важное свойство систем. Стационарны системы, параметры которых не меняются во времени. Но таких систем в природе тоже не бывает, поэтому определяют интервал времени, в течение которого система может считаться стационарной. Большинство систем являются нестационарными.

   Устойчивость  отражает свойство системы возвращаться в равновесное состояние после  прекращения внешних воздействий. Это свойство может исчезать при  изменении внешних условий или  самой системы. Поэтому приобрело  большое значение определение границ устойчивости систем. Вблизи этих границ система находится в неравновесном состоянии, что может служить одним из условий возникновения в ней перестройки и появления самоорганизации и являться, в свою очередь, основой для системной эволюции.

   При различных нестационарных процессах может проявляться другое свойство систем — колебательность, или способность систем к периодическому изменению своих параметров при приближении к новому состоянию. В некотором роде это свойство связано с консерватизмом систем. Свойство систем сопротивляться воздействию окружающей среды характеризуется инерционностью. Инерционность отражает консерватизм природы и присуща всем системам, хотя и в разной степени. Мерой инерционности в механике служит масса, в электродинамике — индуктивность, в биологии — наследственность. Эти последние два свойства выделяются как динамические среди прочих общесистемных свойств.

   Фундаментальная роль системного подхода заключается  в его междисциплинарности, с  его помощью единство знания достигается  наиболее полно. Системный подход дает возможность рассматривать проблему как бы сверху, с более высокого уровня системной иерархии; решать сложную проблему как систему в целом, во взаимосвязи ее с другими проблемами и большим числом внешних и внутренних связей. Это позволяет выбрать наиболее оптимальный путь решения проблемы, реализуя общенаучный метод дедукции, — от общего рассмотрения сложной проблемы к частному оптимальному ее решению. Возможность использовать общий подход к процессам управления в системах различной природы ненова, этим занимается кибернетика. В ней создан мощный аппарат количественного описания процессов, основанный на методах теории информации, теории динамических систем, теории алгоритмов и теории вероятностей. Рассмотрение управляемых систем в развитии изменило подходы к их изучению. Управляющие воздействия могут переводить управляемую систему в одно из возможных состояний, появляется выбор возможного изменения, а потенциальной возможностью к управлению обладают организованные системы. Так, на первый план вышли проблемы устойчивости систем, наличие прямых и обратных связей. О важности проблем, решаемых методами системного анализа, свидетельствует факт создания в Российской академии наук специаль ного Института системного анализа. Использование системного подхода не только в естествознании, но и в общественных науках имеет большое мировоззренческое значение.

   «Попытка  понять Вселенную — одна из вещей, которые приподнимают человеческую жизнь над уровнем фарса и  придают ей черты высокой трагедии», — писал американский физик, лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг. Потому проблемы мироздания так притягивают к себе, заставляя разбираться в огромном числе разных фактов, наблюдений и связывать их воедино. Фундаментальная наука влечет людей по разным причинам. Это и наслаждение удовлетворением собственного любопытства, и осознание своего вклада в человеческую культуру, и священное чувство приобщения к великому наследию многих поколений великих ученых.

   Культурная  ценность науки — основной движущий мотив труда ученых. Потребность создать гармоничную картину мира и осознать свое место в нем имеет всеобщий универсальный характер. Ради этой цели общество выбрало путь рационального объяснения природы. Сам процесс научной работы, изучение экзотических и казалось бы, далеких от нас областей микро- и макромира отражают рационалистический подход к восприятию мира, присущий обществу. Открываются удивительные взаимосвязи: в далеком космосе найдены органические молекулы, а изучение нейтринных пучков, получаемых на ускорителях, меняет взгляды на эволюцию Вселенной. Они показывают единство мира природы. Эти представления являются общими для разных культур, основы их идут от философов Древней Греции — Природа экономна, в ней действуют единые законы. Представление об единстве науки способствовало укреплению веры в единство человечества.

   Понимания Вселенной мы, возможно, могли бы достичь, если бы сумели свести наблюдаемые  факты к простейшим понятиям, пользуясь  небольшим числом фундаментальных  частиц и фундаментальных взаимодействий, в которые они могли бы вступать.

1.2. Масштабы расстояний во Вселенной. Методы оценок размеров и расстояний

  Бесконечность и огромность Вселенной вызывают чувство восхищения и трепета.

  Так, немецкий физик, изобретатель воздушного насоса, показавший существование давления воздуха (опыт с «магдебургскими полушариями») и изучивший многие его свойства, О. фон Герике ставил опыты, чтобы доказать, что Вселенная пуста, вездесуща и бесконечна. Это противоречило науке начала XVII в. Он писал, что его в стремлении узнать строение мира прежде всего потрясла невообразимая протяженность Вселенной. Она-то и возбудила в нем не дающее покоя стремление увериться, чем является то, что распространяется между небесными телами: «Чем же, в сущности, оно является? А ведь оно содержит все и дает место для бытия и существования. Может быть, это какая-то огненная небесная материя, твердая (как утверждали аристотелики), жидкая (как думают Коперник и Тихо Браге) или какая-нибудь прозрачная пятая эссенция? Или же пространство свободно от всякой материи, т.е. есть постоянно отрицаемая пустота».

  Расстояния  в мире звезд измеряют в световых годах (1 св. год ≈ ≈ 9,5 • 10¹² км), или в парсеках (1 пк = 3,26 св. года = 206 265 а.е. = = 3,1 • 10¹⁶ м). Расстояние от Земли до Солнца в 1 а.е. (астрономическая единица) ≈ 150 млн км, его свет преодолевает за 8,5 мин. Луна находится на расстоянии около 1 св. с, или 384 тыс. км, или 60 радиусов Земли. Поперечник Солнечной системы — несколько световых часов, а ближайшая звезда (Проксима созвездия Центавра) находится на расстоянии около 4 св. лет.

  В древности у разных народов были и различные представления о  Земле и ее форме. Так, индусы представляли себе Землю в виде плоскости, лежащей на спинах слонов; жители Вавилона — в виде горы, на западном склоне которой находится Вавилония; евреи — в виде равнины и т.д. Но в любом случае считалось, что в некоем месте небесный купол соединяется с земной твердью. Своему появлению и развитию наука о Земле, география, во многом обязана древним грекам, представлявшим мир в виде круглой лепешки с Грецией в центре. Гекатей Милетский даже вычислил ее диаметр — 8000 км. Для наших далеких предков ориентация в пространстве имела огромное значение. Порядок обеспечивал безопасность.

  В Месопотамии и Египте наблюдения за небом составляли прерогативу жрецов и связывались састрологией. Люди заметили, что планеты перемещаются на фоне звезд (от греч. planetes — блуждающий). Они стали делать модели окружающего человека мирового пространства, модели Мира. В центр Мира ставился человек и, следовательно, наша Земля. Такое выделенное положение человека соответствовало представлениям наблюдателя. Аристотель дал натурфилософское обоснование такой системы: он представлял космос как большое число связанных друг с другом материальных сфер, каждая из которых подчиняется своим законам. Видимое движение небесных тел с востока на запад он не мог объяснить и ограничился высказыванием: «Природа всегда осуществляет лучшую из возможностей». Другой ученик Платона Эвдокс попытался найти кинематику планет исходя из гипотезы движения по идеальной кривой — окружности. Для этого ему пришлось подбирать скорости и направления движений трех (а потом — семи) сфер для описания видимого движения Солнца и Луны и 26 сфер — для планет. Аристотель использовал уже 56 сфер, а математик Аполлоний предложил теорию эпициклов: планета движется по круговой орбите, центр которой описывает круг вокруг Земли. Эту систему развил знаменитый астроном Гиппарх, составивший первый каталог из 850 звезд, выделивший созвездия и открывший прецессию земной оси. Его считают одним из основателей астрономии. У Аристотеля все небесные движения происходили по идеальным траекториям, тогда как на Земле законы движения иные. Представления Аристотеля были канонизированы церковью и сохранялись почти 20 веков.

  Геоцентрическая система Мира (Солнечной системы) связана с александрийским астрономом Птолемеем, который обобщил существовавшие до него представления. Согласно модели Птолемея, изложенной в его сочинении «Альмагест» («Великое построение»), вокруг шарообразной и неподвижной Земли движутся Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн и небо неподвижных звезд. Сфера неподвижных звезд окружена жилищем блаженных, где помещен «перводвигатель». Центры подвижных светил движутся по кругам, эксцентричным по отношению к Земле. Для планет пришлось вводить систему окружностей — эпициклов. Система была громоздкой, по мере накопления материала еще более усложнялась, но помогла в первом приближении разобраться в астрономических явлениях. В течение многих столетий геоцентрическая система считалась единственно верной — она согласовывалась с библейским описанием сотворения мира. И только в период Возрождения началось иное развитие мысли.

  Гелиоцентрическая система (от греч. helios — солнце) связана с именем польского ученого Н. Коперника. Он возродил гипотезу пифагорейца Аристарха Самосского о строении Мира: Земля уступила место центра Солнцу и оказалась третьей по счету среди вращающихся по круговым орбитам планет. Коперник путем сложных математических расчетов объяснил странные видимые передвижения, разные для внешних (Марс, Юпитер, Сатурн) и внутренних (Меркурий, Венера) планет, их движениями вокруг Солнца. В своей книге «Об обращениях небесных сфер» (1543) он утверждал, что планеты — спутники Солнца. Когда Земля, двигаясь вокруг Солнца, обгоняет другую планету или отстает от нее, нам кажется, что планеты движутся то назад, то вперед. Учение Коперника нанесло удар по сложившимся представлениям об устройстве Мира и имело революционное значение для последующего развития науки в целом. Оно разрушило разницу в законах движения на небе и на Земле и установило идею единства мира. Как выразился А. Эйнштейн, Коперник «призвал человека к скромности». Через 73 года после смерти Коперника и выхода книги церковь запретила ее, и лишь в 1828 г. этот запрет сняли. Но Коперник все же предполагал наличие центра Вселенной, в который поместил Солнце, и этот недостаток теории исправили уже другие. Так, одним из первых в защиту учения Коперника (центральное место — Солнца, а не Земли) высказался Дж. Бруно, который считал Вселенную бесконечной с множеством солнц и планет.

  Вращение  Земли вокруг Солнца доказывается по наличию годичного параллакса звезд, а вращение ее вокруг своей оси  — с помощью сохранения направления  колебаний маятника Фуко.