Шпаргалка по "Естествознанию"

В современной  физике обнаружена определенная иерархия законов симметрии: одни выполняются при любых взаимодействиях, другие же – только при сильных и электромагнитных. Эта иерархия отчетливо проявляется во внутренних симметриях.

Внутренние  принципы симметрии действуют в микромире. В релятивистской квантовой теории предполагается взаимное превращение элементарных частиц:

• при всех превращениях элементарных частиц сумма элементарных зарядов частиц остается неизменной
• барионный или ядерный заряд остается постоянным.
• заряд лептона сохраняется.

 

16. Золотое сечение – закон проявления гармонии природы

 

          «Золотое сечение» – это закон  пропорциональной связи целого  и составляющих его частей. Правило  золотого сечения показывает, что  большее относится к меньшему, как целое – к большему. Пифагор  первым обратил внимание на это гармоническое деление любого отрезка, а Леонардо да Винчи ввёл сам термин «золотого сечения». Классический пример золотого сечения – это деление отрезка в среднепропорциональном отношении: a/b=(a+b)/a. У человека золотое сечение – это отношение его роста к расстоянию от пупка до подошвы ног: при рождении оно равно 2, а к 21 году у мужчин – 1,625, у женщин – 1,6. Феномен золотого сечения – одно из ярких проявлений гармонии природы. Он рассматривается в общей картине исторического становления архитектуры, обнаруживается в формах живой природы, в области музыкальной гармонии, в искусстве, в технике, в астрономии и т.д.

 

17. Принципы  суперпозиции, неопределённости, дополнительности

 

          Принципы суперпозиции, неопределённости  и дополнительности являются одними из основополагающих принципов теоретической физики.

Принцип суперпозиции – это допущение, согласно которому результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собой  сумму эффектов, вызываемых каждым эффектом в отдельности, при условии, что эффекты не влияют взаимно друг на друга. Принцип суперпозиции   позволяет получать результатирующий эффект от наложения (суперпозиции) нескольких независимых воздействий как сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности. В квантовой механике принцип суперпозиции относится к волновым функциям: если физическая система может находиться в состояниях, описываемых двумя или несколькими волновыми функциями, то она также может находиться  в состоянии, описываемом любой линейной комбинацией этих функций.

Принцип неопределённости впервые сформулировал немецкий физик Вернер Гейзенберг. Этот принцип  представляет собой фундаментальное  положение квантовой теории, состоящее  в том, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (например, координата и импульс) не могут одновременно принимать точные значения. Иначе говоря, чем точнее одна из сопряжённых величин, тем менее точной оказывается другая. Принцип неопределённости выражается формулой: ΔхΔр = h, где, h – постоянная Планка (h = 6,626*10^-34 Дж с), х – координата, р – импульс. Таким образом, квантовая теория отличается от классической тем, что её предсказания имеют лишь вероятностный характер и потому она не обеспечивает точных предсказаний.

По современным  воззрениям квантовый объект – это  не частица и не волна, и даже ни то и другое одновременно. Квантовый  объект – это нечто третье, для  выражения которого у нас нет  соответствующих понятий, соответствующего языка. Мы вынуждены говорить на классическом языке. Но для возможно более полного представления о микрообъекте мы должны использовать два типа микроприборов: один – позволяющий изучать волновые свойства микрообъекта, другой – его корпускулярные свойства. Эти свойства являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, но они оба в равной мере характеризуют микрообъект, а потому не противоречат, а дополняют друг друга. Эта идея была высказана Х.Д. Бором и положена им в основу принципа дополнительности. Принцип дополнительности как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих, дополнительных понятий. Например, иллюстрацией принципа дополнительности в какой-то мере может служить совместное существование науки искусства как двух различных способов изучения окружающего мира.

 

18. Проблемы  детерминизма и причинности. Динамические  и статистические закономерности в природе. Законы сохранения энергии в макроскопических системах. Закон возрастания энтропии. Принцип минимума диссипации энергии.

 

           Одной из наиболее актуальных  проблем современного естествознания  является вопрос о природе  причинности и причинных отношениях в мире. В решении этой проблемы возникли два направления – детерминизм и индетерминизм – занимающие противоположные позиции. Сущностью детерминизма является идея о том, что всё существующее в мире возникает и уничтожается закономерно, в результате действия определённых причин. Напротив, индетерминизм – учение, отрицающее объективную причинную обусловленность явлений природы, общества и человеческой психики.

В современной  физике идея детерминизма выражается в признании существования объективных физических закономерностей, которые подразделяются на динамические и статистические. Динамическими называются закономерности, выражающие однозначные связи физических объектов и описывающие их абсолютно точно посредством определённых физических величин. Например, по заданным значениям координат и импульсов всех частиц системы в начальный момент времени второй закон Ньютона позволяет однозначно определить координаты и импульсы в любой последующий момент времени.

В отличие от динамических законов, заключения, основанные на статистических закономерностях, не являются достоверными и однозначными. Представления о таких закономерностях  впервые ввёл Максвелл в 1859 г. Он первым понял, что при рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, нужно ставить задачу совсем иначе, чем это делалось в механике Ньютона. Для этого Максвелл ввёл в физику понятие вероятности и указал на то, что нужно отказаться, например, от неразрешимой задачи определения точного значения импульса молекулы в данный момент, а попытаться найти вероятность этого значения. Тем самым однозначно определяется среднее значение физической величины. Такие средние значения в статистических теориях играют ту же роль, что и сами физические величины в динамических теориях.

Законы  сохранения энергии в макроскопических системах.

Хорошо известно, что тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в  энергию и потом использовать для производства работы. С другой стороны, путём точных экспериментов было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию  в строго определённых количествах. Существование такого механического эквивалента для теплоты свидетельствовало о её сохранении. Эти и многие другие факты нашли своё обобщение в законах классической термодинамики:

- если к системе подводится количество теплоты Q и над системой производится работа W, то энергия системы возрастает до величины U: U = Q + W. U – внутренняя энергия системы, которая показывает, что тепло, полученное системой, не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней энергии и производство работы.

- невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре.

Закон возрастания энтропии.

Второй закон термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему». С учётом введённого в термодинамику понятия энтропии как меры беспорядка системы Клаузиус снова сформулировал второй закон: энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Принцип минимума диссипации энергии.

Открытая система  в ходе своей эволюции производит энтропию, которая, однако, не накапливается в ней, а удаляется и рассеивается в окружающей среде. Вместо неё из среды поступает свежая энергия  и именно вследствие такого непрерывного обмена энтропия системы может не возрастать, а оставаться неизменной и ли даже уменьшаться. Таким образом, открытая система не может быть равновесной, и её функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается. При этом прежняя структура системы разрушается, а между её элементами возникают новые согласованные отношения. Так схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах, которые связаны с диссипацией, или рассеянием, энтропии в окружающую среду.

 

19. Принципы  эволюции, воспроизводства и развития  живых систем. Дарвиновская триада.

 

В 1859 г. Ч. Дарвином было создано эволюционное учение, опровергшее существовавшее толкование природы как творение бога. Дарвин выдвинул положение, согласно которому все существующие многочисленные формы  растений и животных произошли от более простых организмов путём постепенных изменений, накапливавшихся из поколения в поколение, т.е. эволюционно. Эволюция в переводе с латинского означает развертывание; это непрерывный и необратимый процесс исторического развития природы.

Согласно учению Дарвина, движущими силами эволюции являются изменчивость, наследственность и естественный отбор, составляющие так называемую дарвиновскую триаду.           

Под изменчивостью понимается разнообразие признаков и свойств у особей и групп особей любой степени родства. Дарвин делил изменчивость на две категории (наследственную и ненаследственную) и выделял несколько её основных форм: это групповая изменчивость и неопределённая индивидуальная изменчивость.

Наследственность – это свойство организмов передавать следующему поколению свои признаки и особенности развития, т.е. это способность к воспроизведению себе подобных. Законы наследственности, с одной стороны, выражают повторение в ряду поколений, а с другой стороны - закономерности в передаче изменений от родителей потомкам.

Естественный  отбор обеспечивает протекание процесса эволюции в том или ином направлении. В результате его действия в популяции происходит увеличение числа особей, обладающих определённым свойством или качеством. Отбор «подхватывает» случайно возникшие полезные мутации и насыщает ими генофонд. В этом заключается направляющая роль отбора в эволюции. Таким образом, естественный отбор – это сохранение благоприятных индивидуальных различий и изменений и уничтожение вредных. Особи, успешно противостоящие неблагоприятным факторам и лучше использующие ресурсы внешней среды, с большей вероятностью могут оставить потомство.

Свою теорию Дарвин называл «теорией развития путём  изменения», подчёркивая тем самым  универсальный характер развития. Развитие представляется как переход из одной стадии в другую, от одного качества к другому и т.д. Причём развитие характеризуется не только приобретением системой более совершенных свойств, но и наличием соответствующих условий для их реализации. Импульс к развитию содержится внутри самой системы.  

 

20. Классы  механизмов эволюции. Закон дивергенции

 

В явлениях самой  различной природы важнейшую  роль играют классы механизмов эволюции; среди них можно выделить катастрофические, или пороговые, и адаптационные.  Адаптационный механизм эволюции – это логическая цепочка, которая приспосабливает данную систему (или организм) к окружающей среде. Адаптация обеспечивает развивающейся системе определённую стабильность в данных конкретных условиях. Поэтому, изучая особенности среды, можно предвидеть тенденцию в изменении параметров системы.

Действие пороговых  механизмов состоит в том, что  существует некоторое критическое  значение внешнего воздействия, выше которого прежняя форма уже существовать не может. Переход системы через это пороговое состояние ведёт к резкому качественному изменению протекающих в ней процессов. При этом заранее невозможно предсказать, по какой ветви эволюции пойдёт развитие дальше, т.к. это зависит от неизбежно присутствующих случайных воздействий внешней среды.

Суть закона дивергенции заключается в следующем: процесс развития характеризуется  непрерывным усложнением и ростом разнообразия организационных форм материи. Сам термин «дивергенция»  в переводе означает расхождение. Здесь  имеется в виду расхождение признаков и свойств у первоначально близких групп организмов в процессе эволюции. Это результат неодинаково направленного естественного отбора и обитания в разных условиях среды. Закон дивергенции характерен для всех трёх форм развития материального мира: он действует в мире неживой природы, эволюции живых существ и обществе. С ростом сложности системы возрастает вероятность увеличения числа возможных путей дальнейшего развития, т.е. дивергенции.

21. Особенности  биологического уровня организации материи. Основные этапы становления идеи развития биологии. Концепции происхождения живого. Современные концепции происхождения жизни. Метаболизм.

 

  Основные этапы:

1. Период античной  натурфилософии до первых биологических  дисциплин. Здесь наблюдается фундаментальный принцип науки о живом – принцип историзма.

2. Систематизация  накопленного в ботанике и  зоологии материала.

3. Опубликование  Дарвином труда «Происхождение  видов» в 1859г. Это период  революционного перелома в биологии, связанный с возникновением целых отраслей эволюционной биологии.

4. Переход к  систематическому экспериментальному  изучению отдельных факторов  эволюции, формированию новых направлений  в генетике и экологии. Этот  период длился с начала 20 века  до середины 30-х годов 20 века.

5. Период всеобъемлющего синтеза знаний о факторах, движущих силах и закономерностях в эволюции. Этот период берет свое начало в 40-х годах и продолжается до настоящего времени.

  Концепции происхождения живого:

• Идея самопроизвольного зарождения жизни;
• Происхождение живого от живого;
• Гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса;
• Гипотеза Опарина (органические вещества могут образовываться абиогенным путем при действии электрических зарядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси, содержащие пары воды, аммиака, метана и др.

   Современные концепции происхождения  жизни:

1. Концепция субстратного  происхождения жизни;

2. Концепция энергетического  происхождения;