Концепция современного естествознания

   При изучении орнаментов, используемых в  книгопечатании, были обнаружены те элементы симметрии, что и в рисунке выложенных кафельными плитами полов. Орнаментальные бордюры связаны с музыкой. В музыке элементы симметричной конструкции включают в себя операции повторения (трансляции) и обращения (отражения). Именно эти элементы симметрии обнаруживаются и в бордюрах.

   Хотя  в большинстве случаев музыка не отличается строгой симметрией, в основе многих музыкальных произведений лежат операции симметрии. Особенно заметны они в детских песенках, которые, видимо, поэтому так легко и запоминаются. Операции симметрии обнаруживаются в музыке средневековья и Возрождения, в музыке эпохи барокко (нередко в весьма изощренной форме). Во времена И.С. Баха, когда симметрия была важным принципом композиции, широкое распространение получила своеобразная игра в музыкальные головоломки. Одна из них заключалась в решении загадочных «канонов». Канон — это одна из форм многоголосной музыки, основанной на проведении темы, которую ведет один голос, в других голосах. Композитор предлагал какую-нибудь тему, а слушателям требовалось угадать операции симметрии, которые он намеревался использовать при повторении темы.

   Природа задает головоломки как бы противоположного типа: нам предлагается завершенный канон, а мы должны отыскать правила и мотивы, лежащие в основе существующих узоров и симметрии, и наоборот, отыскивать узоры, возникающие при повторении мотива по разным правилам. Первый подход приводит к изучению структуры вещества, искусства, музыки, мышления. Второй подход ставит нас перед проблемой замысла или плана, с древних времен волнующей художников, архитекторов, музыкантов, ученых.

   5. Винтовые повороты. Трансляцию можно комбинировать с отражением или поворотом, при этом возникают новые операции симметрии. Поворот на определенное число градусов, сопровождаемый трансляцией на расстояние вдоль оси поворота, порождает винтовую симметрию — симметрию винтовой лестницы. Пример винтовой симметрии — расположение листьев на стебле многих растений.

   Головка подсолнечника имеет отростки, расположенные по геометрическим спиралям, раскручивающимся от центра наружу. Самые молодые члены спирали находятся в центре.

   В таких системах можно заметить два семейства спиралей, раскручивающихся в противоположные стороны и пересекающихся под углами, близкими к прямым. Но какими бы интересными и привлекательными ни были проявления симметрии в мире растений, там еще много тайн, управляющих процессами развития.

   Вслед за Гете, который говорил о стремлении природы к спирали, можно предположить, что движение это осуществляется по логарифмической спирали, начиная всякий раз с центральной, неподвижной точки и сочетая поступательное движение (растяжение) с поворотом вращения.

  Свойства пространства — времени и законы сохранения

  Для понимания законов природных  явлений и процессов весьма важен принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т.е. параллельных переносов начал координат и отсчета времени. Он формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов.

  Инвариантность  структуры, свойств, формы материального  объекта относительно его преобразований называется симметрией. Наглядный пример пространственной симметрии материальных систем — кристаллическая структура твердых тел. Симметрия кристаллов — закономерность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов. Она заключается в том, что кристалл можно совместить с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований. Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрией его строения. Например, элементы симметрии присущи не только минералам, но и раковинам моллюсков, дикорастущим растениям и т. п. Орнамент, наверное, самое древнее изображение симметрии. С помощью математического моделирования можно продемонстрировать, например, довольно сложный характер взаимодействия электрона с ионами кристаллической решетки,  где прослеживается зарождение упорядоченной симметричной структуры из хаотических фрагментов.

  Из  принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени  следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью соответственно пространства и времени.

  Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.

  Для количественного описания движения тела используется понятие импульса. Импульс определяется произведением  массы тела на его скорость. Из свойства однородности пространства следует закон сохранения импульса:

  импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.

  Этот  закон справедлив не только для объектов классической физики (хотя он и получен  как следствие законов Ньютона), но и для замкнутых систем микрочастиц, подчиняющихся принципам квантовой  механики. Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая сумма всех внешних сил равна нулю.

  Закон сохранения импульса носит универсальный  характер и является Фундаментальным  законом природы.

  Однородность  времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Например, при свободном падении тела в поле силы тяготения его скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продолжительности свободного падения тела и не зависят от того, когда тело начало падать.

  Из  однородности времени следует закон сохранения механической энергии:

  в системе тел, между которыми действуют  только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, т.е. не изменяется со временем.

  Консервативные  силы действуют только в потенциальных полях, характеризующихся тем, что работа, совершаемая действующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не зависит оттого, по какой траектории оно перемещалось, а определяется его начальным и конечным положением. Если работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется диссипативной (к ней относится, например, сила трения).

  Механические  системы, на тела которых действуют  только консервативные силы (внутренние и внешние), называются консервативными системами. Закон сохранения механической энергии можно сформулировать еще и так:

  в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется.

  В диссипативных системах механическая энергия постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие (немеханические) формы энергии. Такой процесс называется диссипацией vim рассеянием энергии. Все реальные системы в природе диссипативные.

  В системе, в которой действуют  консервативные и диссипативные  силы, полная механическая энергия системы не сохраняется. Следовательно, для такой системы закон сохранения механической энергии не выполняется. Однако при убывании механической энергии всегда возникает эквивалентное количество энергии другого вида, например тепловой. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой.

  В этом заключается физическая сущность закона сохранения и превращения энергии — неуничтожимость материи и ее движения, поскольку энергия — универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.

  Закон сохранения энергии — результат  обобщения многочисленных опытов. В  становлении этого фундаментального закона большую роль сыграли труды  М.В. Ломоносова, впервые сформулировавшего  закон сохранения материи и движения, и его математическое обоснование немецкими учеными — врачом Ю. Майером (1814—1878) и естествоиспытателем Г. Гельмгольцем (1821—1894). 120

  Еще одно важное свойство симметрии пространства — его изотропность. Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета, т.е. относительно ее поворота в пространстве на любой угол. Вращательное движение механической системы описывается с помощью момента импульса. Например, для материальной точки момент импульса определяется произведением ее импульса на радиус вращения.

    Из изотропности пространства следует фундаментальный закон природы — закон сохранения момента импульса:

  момент  импульса замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени.

  Связь между свойствами пространства —  времени и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нетер (1882—1935). Она сформулировала и доказала названную ее именем фундаментальную теорему математической физики:

  из  однородности пространства и времени  следуют законы сохранения соответственно импульса и энергии, а из изотропности пространства — закон сохранения момента импульса.

  Различные виды симметрии в природе —  предмет теоретических исследований разных свойств материальных объектов микро-, макро- и ме-гамира с применением довольно сложного и абстрактного математического аппарата теории групп. Значительный вклад в ее развитие внес французский математик Эварист Галуа. С помощью теории групп русский минералог и кристаллограф Е.С. Федоров (1853—1919) предложил классификацию правильных пространственных систем точек, составляющих основу современной кристаллографии. С учетом симметрии пространства — времени в результате решения уравнения общей теории относительности российский математик и геофизик А.А. Фридман (1888—1925) предсказал расширение Вселенной.

  Анализируя  роль принципов симметрии и инвариантности, современный американский физик-теоретик Э. Вигнер, лауреат Нобелевской премии 1963 г., применивший теорию групп в квантовой механике, предложил рассматривать ряд ступеней в процессе познания, восхождение по которым позволяет все глубже и глубже познать природные процессы. Вначале в хаосе эмпирических фактов проявляются некоторые закономерности. Затем в результате обобщения эмпирических фактов и анализа их связей формулируются фундаментальные законы природы. Наконец, на основании известных законов выдвигаются принципы, позволяющие Дедуктивным путем предсказать те или иные свойства материальных объектов.  
 
 

7. Общая характеристика органических веществ. Классификация органических веществ.

     Деление веществ на органические  и неорганические возникло в  следствии своеобразия органических  соединений.

     В 1824г. Немецкий химик Ф.Велф  впервые получил из неорганического вещества дициана №С – CN при нагревании его с водой щавелевую кислоту НООС – СООН – органическое соединение, которое до тех пор добывалось только из растений.

     Температура плавления  органических  веществ не превышает 350 – 400 градусов Цельсия. При нагревании без доступа воздуха органические вещества могут подвергаться глубокому изменению, в результате которого образуются новые вещества, обладающие совершенно иными свойствами, или же полному разложению и обугливанию Если же вести нагревание в присутствии воздуха или других окислителей, то органические вещества полностью сгорают; при этом  входящий в их состав углерод  и водород целиком превращаются в диоксид углерода и воду, а азот выделяется в свободном состоянии.

     Органические вещества в большинстве не электролиты, не диссоциируют в растворах на ионы, сравнительно медленней взаимодействуют друг с другом.

     Многие из органических соединений  являются непосредственными носителями, участниками или продуктами процессов,  протекающих в живых организмах, или же  - такие как ферменты, гормоны, витамины и др. биологическими катализаторами, инициаторами и регуляторами этих процессов.

     Вследствие многочисленности и разнообразия органических соединений вопрос об их четкой научной классификации имеет первостепенное значение.

Современная классификация органических веществ основана на теории химического строения. Классом органических соединений, положенным в основу классификации, принято считать углеводороды: все остальные соединения рассматриваются как производные углеводородов, т. е. как вещества, происшедшие в результате замещений в углеводородах одного или нескольких атомов водорода на различные другие атомы или радикалы.