- •Оглавление
- •Предисловие
- •Введение
- •Методические рекомендации
- •Глава 1. Структура естествознания
- •1.1. Предмет естествознания
- •1.1.1. Анализ понятия «природа»
- •1.1.2. Естествознание донаучное, преднаучное и научное
- •1.1.3. Неисчерпаемость предмета естествознания
- •1.1.4. Специфика донаучного и преднаучного естествознания
- •1.1.5. Специфика научного естествознания
- •1.2. Генезис научного естествознания
- •1.2.1. Перспективы античной преднауки
- •1.2.2. Замещение реальных объектов идеальными
- •1.2.3. Операции преобразования и моделирование изменений
- •1.3. Структура естественнонаучного познания
- •1.3.1. Принципы научного познания
- •1.3.2. Общие методы познания
- •1.3.3. Основные формы естествознания6
- •1.3.4. Непостижимая эффективность математики8
- •Глава 2. Этапы развития естествознания
- •2.1. Ступени развития знания
- •2.1.1. «Естественная магия»
- •2.1.2. Магия и религия
- •2.1.3. Религия и естествознание
- •2.1.4. Специфика восточной преднауки
- •2.1.5. Письменность
- •2.2. Естественнонаучные аспекты античной натурфилософии
- •2.2.1. Евклидова геометрия - первая стандартная научная теория
- •2.2.2. Древнегреческий атомизм
- •2.2.3. Механика Архимеда16
- •2.2.4. Становление астрономии
- •2.3. Значение арабской системы знаний в истории естествознания21
- •2.3.1. Физические достижения арабского средневековья22
- •2.3.2. Астрономия арабо-мусульманского средневековья
- •2.4. Научные революции
- •2.4.1. Первая научная революция (XVII век). Г. Галилей
- •2.4.2. Вторая научная революция (кон. XVIII в.- нач. XIX века). И. Ньютон
- •2.4.3. Третья научная революция (кон. XIX в.- сер. XX века)
- •2.4.4. Четвёртая научная революция (кон. XX века)
- •2.5. Организация современного естествознания
- •2.5.1. Иерархия естественнонаучных законов
- •2.5.2. Этические принципы науки27
- •2.5.3. Роль междисциплинарных исследований в естествознании
- •Глава 3. Фундаментальные Концепции естествознания
- •3.1. Термодинамика
- •3.1.1. Роль тепловых явлений в природе
- •3.1.2. Вещественная теория теплоты.
- •3.1.3. Корпускулярная теория теплоты
- •3.1.4. Законы термодинамики
- •3.2. Молекулярно-кинетическая теория (статистическая механика)
- •3.2.1. Основные положения молекулярно-кинетических представлений
- •3.2.2. Дискретность вещества
- •Химия. Периодическая таблица химических элементов д. И. Менделеева32
- •3.2.4. Закон сохранения энергии
- •3.3. Электромагнитная теория
- •3.3.1. История открытия электричества
- •3.3.2. М. Фарадей: исследования электромагнетизма
- •Заряд и поле. Закон сохранения электрического заряда
- •Проводники, полупроводники и диэлектрики. Электрический ток
- •Электромагнитное взаимодействие. Электромагнитная теория поля
- •3.4. Квантовая теория
- •3.4.1. Хронология становления квантовой теории
- •3.4.2. Гипотеза м. Планка. Кванты
- •3.4.3. Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света
- •3.4.4. Квантовая теория атома н. Бора
- •3.4.5. Вероятностный характер процессов в микромире
- •3.4.6. Гипотеза Луи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма
- •3.4.7. Принцип неопределённости в. Гейзенберга
- •3.4.8. Волновая механика и уравнение э. Шредингера
- •3.4.9. Принцип дополнительности н. Бора
- •3.5. Симметрия
- •3.5.1. Симметрия и законы сохранения
- •3.5.2. Принципы, организующие сходство
- •3.5.3. Роль симметрии в организации мира
- •Глава 4. Концепции движения, пространства и времени
- •4.1. Генезис представлений о пространстве и времени
- •4.1.1.Биологические предпосылки времени и виды пространства.
- •4.1.2. Пространство и время мифа и натурфилософии
- •4.1.3. Теоцентрическая модель пространства и времени
- •4.2. Классические концепции пространства и времени
- •4.2.1. Проблема континуальности и дискретности пространства и времени
- •4.2.2. Классические интерпретации пространства и времени
- •4.2.3. Проблемы реального пространства
- •4.3. Предпосылки неклассических интерпретаций пространства и времени
- •4.3.1. Принцип относительности и инерциальные системы (г. Галилей)
- •Эфир как абсолютная система отсчёта. Опыт Майкельсона - Морли
- •4.3.3. Принцип относительности и электродинамика Максвелла
- •4.4. Специальная теория относительности (сто)
- •4.4.1. А. Эйнштейн. Единство пространства и времени. Связь массы и энергии38
- •4.4.3. Пространство и время в инерциальных системах
- •4.4.4. Неоднозначность геометрии физического пространства. Неевклидовы геометрии
- •4.5. Общая теория относительности (ото)
- •4.5.1. Инерция и гравитация
- •4.5.2. Теория гравитации
- •4.5.3. Гравитационные массы и искривление пространства - времени
- •Глава 5. Хаос. Самоорганизация. Сложность
- •5.1. Хаос и порядок
- •5.1.1. Энтропия41
- •5.1.2. Принципы системности и целостности
- •5.1.3. Нелинейные системы. Рождение порядка
- •5.2. Самоорганизация
- •5.2.1. Синергетика
- •5.2.2 Механизм самоорганизации
- •5.2.3. Самоорганизация в диссипативных структурах
- •5.3. Необходимость и случайность
- •5.3.1. Проявление необходимости и случайности
- •5.3.2. Необходимость хаоса
- •5.3.3. Смысл информации
- •5.4. Сложность44
- •5.4.1. Понимание сложности. Неравновесное состояние систем
- •5.4.2. Сложное поведение и фазовое пространство45
- •5.4.3. Сложность поведения живых и социальных систем
- •5.4.4. Сложность адаптивных стратегий в живом мире
- •5.5. Управление
- •5.5.1. Кибернетика и теория управления
- •5.5.2. Информационная структура управления
- •5.5.3. Эффект обратной связи
- •Глава 6. Жизнь
- •6.1. Проблема возникновения жизни
- •6.1.1. Специфика жизни как особого уровня организации материи
- •6.1.2. Гипотеза творения (креационизм)
- •6.1.3. Гипотеза спонтанного зарождения жизни
- •6.1.4. Гипотеза стационарного состояния
- •6.1.5. Гипотеза панспермии
- •6.1.6. Теория биохимической эволюции
- •6.2. Структура живого вещества
- •6.2.1. Признаки живого вещества
- •6.2.2. Виды регуляции организма
- •6.2.3. Постоянство внутренней среды (гомеостаз)
- •6.3. Теории эволюции
- •6.3.1. Зарождение эволюционного учения (ж. Ламарк, ж. Кювье, ч. Лайель)
- •6.3.2. Эволюционная теория естественного отбора (ч. Дарвин, а. Уоллес)52
- •6.3.3. Номогенез как альтернатива дарвинизму и как его дополнение
- •6.3.4. Вид и видообразование
- •6.3.5. Проблемы видообразования
- •6.4. Теория наследственности
- •6.4.1. Закон доминирования г. Менделя
- •6.4.2. Хромосомная теория наследственности
- •6.4.3. Структура гена. Расшифровка генетического кода
- •6.4.4. Днк, её роль в реализации наследственной информации
- •6.4.5. Клеточная теория (т. Шван, м Шлейден)
- •1.4.6. Биогенетический закон
- •6.5. Философское и естественнонаучное постижение смерти
- •6.5.1. Биологический и социальный смысл смерти
- •6.5.2. Что такое бессмертие?
- •6.5.3. Социальные следствия развития генной инженерии
- •6.5.4. Социальные и этические проблемы клонирования
- •Глава 7. Биосфера
- •7.1. Генезис биосферы
- •7.1.1. Геологические условия возникновения биосферы
- •7.1.2. Эволюция биосферы. Живое вещество
- •7.1.3. Роль абиотических и биотических круговоротов
- •7.2. Биогеохимические процессы в биосфере
- •7.2.1. Состав вещества биосферы
- •7.2.2. Особенности основных биосферных циклов
- •Биосферный цикл углерода
- •Биосферный цикл азота
- •Биосферный цикл фосфора
- •7.2.3. Биохимические функции живого вещества
- •7.2.4. Биогенная миграция атомов и биогеохимические принципы
- •7.3. Экологическая структура биосферы
- •Биосфера - многокомпонентная иерархическая система
- •Прокариоты и эукариоты. Бактерии. Вирусы и сине-зелёные водоросли
- •7.3.3. Растения. Грибы. Животные
- •7.4. Глобальное биологическое разнообразие и подходы к его изучению
- •7.4.1. Современные представления о видовом разнообразии биосферы74
- •7.4.2. Современные подходы к исследованию биоразнообразия75
- •Популяционный подход
- •Экосистемный подход
- •7.5. Ноосферогенез
- •7.5.1. В. И. Вернадский о переходе биосферы в ноосферу
- •7.5.2. Естественноисторические аспекты трансформации биосферы в ноосферу
- •7.5.3. Антропоцентризм и биосферное мышление
- •Глава 8. Человек
- •8.1. Человек как вид
- •8.1.1. Человек: особый вид животных
- •8.1.2. Культурный и биологический аспекты эволюции человека
- •8.1.3. Нарушение основного биологического закона
- •8.2. Сознание и поведение
- •8.2.1. Функции головного мозга. Успехи нейрофизиологии
- •8.2.2. Поведение
- •8.2.3. Бихевиоризм
- •8.2.4. Гештальтпсихология
- •8.2.5. Этология и социобиология
- •8.3. Современное мировоззрение и планетарные проблемы
- •8.3.1. Проблема формирования современного мировоззрения
- •8.3.2. Глобальные последствия развития цивилизации
- •8.3.3. Деятельность «Римского клуба» и института л. Брауна «Worldwatch»
- •8.3.4. Новые ценности85
- •8.4. Концепция устойчивого развития
- •8.4.1. Экологическая и экономическая компоненты деятельности
- •8.4.2. Общие положения концепции устойчивого развития
- •8.4.3. Условия устойчивого развития и ключевые понятия концепции
- •8.5. Искусственный интеллект (ии)
- •8.5.1. Основные направления развития ии
- •8.5.2. Знания и их представление
- •8.5.3. Проблема понимания естественного языка
- •Глава 9. Иерархия мироздания
- •9.1. Макромир
- •9.1.1. Основные этапы развития представлений о Вселенной
- •9.1.2. Релятивистская космология (а. Эйнштейн, а. А. Фридман)
- •9.1.3. Концепция расширяющейся Вселенной
- •9.1.4. Концепция «Большого Взрыва»
- •9.1.5. Антропный принцип90
- •9.2. Мезомир
- •9.2.1. Эволюция планеты Земля
- •9.2.2. Экологическая структура мезомира
- •9.2.3. Информационные свойства мезомира
- •9.3. Микромир
- •9.3.1. Учение об элементарных частицах
- •9.3.2. Элементарная структура вещества. Атом
- •9.3.3. Устойчивость и неустойчивость частиц. Термоядерные процессы. Ядро атома
- •9.3.4. Фундаментальные взаимодействия и законы природы92
- •9.3.5. Фундамент материи: физический вакуум и его состояния93
- •9.4. Виртуальные реальности
- •9.4.1.Значение термина «виртуальная реальность»
- •9.4.2. Компьютерная виртуальная реальность
- •9.4.3. Способы существования виртуальной реальности
- •9.4.4. О философии виртуальной реальности и киберпространства
- •9.5. Поиск внеземных цивилизаций
- •9.5.1. О возможности существования жизни и разума во Вселенной
- •9.5.2. О возможности информационного контакта с внеземными цивилизациями
- •9.5.3. О возможных формах технологической активности разума во Вселенной
- •Летопись естественнонаучных открытий Период становления физики как науки
- •Первый этап развития естествознания (кон. XVII в. – 60 годы XIX в.)
- •Второй этап развития естествознания
- •Период современной физики
- •Важнейшие открытия в биологии и медицине в хх веке
- •Хронология клонирования
- •Летопись открытий в химии
- •Зарождение научной химии
- •Утверждение в химии атомно-молекулярного учения
- •Великие открытия в химии в хх веке
- •Астрономия в хх веке
- •Литература по главам Глава 1. Структура естествознания
- •Глава 2. Этапы развития естествознания
- •Глава 3. Фундаментальные концепции естествознания
- •Глава 4. Концепции движения, пространства и времени
- •Глава 5. Хаос. Самоорганизация. Сложность
- •Глава 6. Жизнь
- •Глава 7. Биосфера
- •Глава 8. Человек
- •Глава 9. Иерархия мироздания
- •Литература дополнительная
- •Словарь терминов
- •Примечания
4.4.4. Неоднозначность геометрии физического пространства. Неевклидовы геометрии
Одним из важных следствий специальной теории относительности является то, что пространство переплетено со временем, поэтому в действительности следует говорить не об одном только пространстве, а о пространстве-времени. В то же время пространство, доступное нашему непосредственному восприятию, с полной очевидностью и неизменностью остаётся трёхмерным. Если четвёртое измерение пространства существует, то где же оно? Наглядно представить мир, имеющий четыре измерения, можно попытаться, представив плоский мир с двумя измерениями. Будучи трёхмерными существами, мы видим, что этот плоский мир как бы вложен в третье измерение, но для двумерных существ представить это так же невозможно, как нам представить четвёртое.
Развивая этот ход мысли дальше, можно предположить, что четыре измерения пространства-времени «вложены» во Вселенную, имеющую пять и более число измерений. Математики уже давно обобщили законы геометрии на случай пространства с произвольным числом измерений. Почему природа выбрала и, можно сказать, выделила именно число три? Оказывается, можно найти этому объяснение, но, разумеется, не следует забывать, что это объяснение принадлежит нам - трёхмерным существам.
Математические решения показывают, что в пространстве с n измерениями мы приходим к универсальным законам обратной степени n-1. То есть в трёхмерном пространстве n-1=2 и справедлив закон «обратных квадратов». Если бы, например, гравитационное поле Солнца действовало на планеты по закону «обратных кубов», то планеты, двигаясь по спиральным траекториям, быстро упали бы на Солнце. В атомном мире у электронов не было бы устойчивых орбит, если бы пространство имело больше трёх измерений. Распространение волн также невозможно в пространстве с чётным числом измерений, например, двумерном. Сказанное не означает, что невозможно пространство с другим числом измерений, но физические законы в этих мирах принципиально отличались бы от законов нашего мира39.
В XIX веке Н. И. Лобачевский, изучая проблему пятого постулата в геометрии Евклида, пришел к выводу о том, что при определённых условиях прямые, которые кажутся нам параллельными, могут пересекаться. Цель его состояла в том, чтобы построить геометрию на основе новой системы аксиом и постулатов. Реализация этой программы привела Лобачевского к открытию неевклидовой геометрии. Лобачевский сделал величайшее открытие, но современники, даже крупные ученые, его не только не поняли, но заняли враждебную позицию. Позднее исследование Лобачевского явилось толчком к построению неевклидовых геометрий.
Стало ясно, что геометрий как логических систем может быть построено много и только опыт способен решить, какая из них реализуется в окружающем нас мире. На современном математическом языке структура геометрии полностью задается выражением квадрата расстояния между соседними бесконечно близкими точками. В декартовых координатах евклидова пространства квадрат такого расстояния имеет вид:
dl2 = dx2 + dy2 + dz2,
где dx, dy, dz - дифференциалы координат.
По сути дела, это не что иное, как теорема Пифагора для случая трехмерного пространства, если бы мы исходили из аксиом и постулатов Евклида. Это равенство можно положить в основу определения евклидовой геометрии.
Евклидова геометрия обладает важнейшим свойством: в ней всегда можно ввести во всем пространстве глобальные декартовы координаты. Это означает, что евклидово пространство «плоское», или, иными словами, кривизна в каждой его точке равна нулю.
Неевклидовы геометрии - это такие геометрии, в которых постулат о параллельных прямых заменён другим постулатом. При этом возможны два различных случая.
В первом случае, называемом эллиптической геометрией, говорится, что на поверхности через данную точку, расположенную вне заданной линии, не может быть проведено ни одной параллельной ей линии. Поверхность сферы представляет собой грубую неточную модель неевклидовой поверхности такого типа. «Наиболее прямой» линией на сфере является круг с диаметром, равным диаметру сферы. Все большие круги пересекаются друг с другом, и поэтому невозможно, чтобы два больших круга были параллельны. Говорят, что неевклидовая поверхность этого типа имеет положительную кривизну. Такая кривизна приводит к тому, что поверхность замыкается сама на себя. Она имеет конечную, а не бесконечную площадь.
Неевклидова геометрия, называемая гиперболической - это такая геометрия, в которой постулат о параллельных прямых заменён постулатом о бесконечном множестве параллельных, которые можно провести через точку на поверхности, расположенную вне данной линии. Грубой моделью поверхности такого типа является седловидная поверхность. Говорят, что такая поверхность имеет отрицательную кривизну. Она не замыкается сама на себя. Подобно евклидовой плоскости она тянется до бесконечности во всех направлениях.
И эллиптическая и гиперболическая геометрии представляют собой геометрии поверхностей постоянной кривизны. Это означает, что кривизна везде одна и та же, объекты не претерпевают искажений при переходе из одной точки в другую.
Существует неевклидова геометрия общего типа, обычно называемая римановой геометрией, это такая геометрия, в которой кривизна может меняться от точки к точке любым заданным способом40.
Она была получена Б. Риманом, который, развивая идею Н. И. Лобачевского и К. Ф. Гаусса, ввёл особый класс геометрий, получивший название «римановых», которые только в бесконечно малой области совпадают с евклидовыми геометриями. Б. Риман обобщил также фундаментальное понятие кривизны пространства. В пространстве римановой геометрии не существует единых декартовых координат. Это означает, что кривизна в римановом пространстве всегда отлична от нуля, а её значение зависит от точки пространства.
Какая же геометрия имеет место в природе? Ответ на этот вопрос можно получить лишь на основании опыта, то есть путем изучения явлений природы. Пока мы имели дело с относительно малыми скоростями, опыт подтверждал что геометрия нашего пространства евклидова. А такие понятия, как «длина» и «время», абсолютны и не зависят от системы отсчета.
Изучение электромагнитных явлений, а также движения частиц со скоростями, близкими к скорости света, привело к удивительному открытию:
-
пространство и время образуют единый континуум; роль расстояния между двумя близкими точками (событиями) играет величина, называемая интервалом.
Квадрат интервала в декартовых координатах определяется равенством:
ds2 = c2dT2 – dx2 – dy2 – dz2,
где c - скорость света; T - время.
Геометрия, определяемая таким интервалом, называется псевдоевклидовой, а четырехмерное пространство с такой геометрией – «пространством Минковского». Квадрат интервала ds2 может быть величиной положительной, отрицательной или равной нулю.
Время и координаты входят в интервал почти равноправно (в квадрате) с той лишь принципиальной разницей, что у них разные знаки. В этом находит отражение глубокое различие таких физических понятий, как «длина» и «время». Величина интервала не зависит от системы отсчета, тогда как время и длина уже не являются абсолютными понятиями, они относительны и зависят от выбора системы отсчета.
Интервал ds2 имеет одинаковый вид в бесконечном классе систем отсчета, движущихся одна относительно другой с постоянной скоростью, меньшей скорости света. Такие системы отсчета являются инерциальными, ибо в них выполняется закон инерции. Преобразования от одной инерциальной системы к другой, сохраняющие вид интервала, называются преобразованиями Лоренца. Теорию, сформулированную в классе инерциальных систем отсчета на основе интервала ds2, А. Эйнштейн назвал специальной теорией относительности.