Реферат Классификация растительного и живого мира Линнея
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПО ЗЕМЛЕУСТРОЙСТВУ
Контрольная работа по дисциплине
«Концепции современного естествознания»
на темы:
1) Классификация растительного и живого мира Линнея.
2) Основные свойства времени.
3) Хаос и детерминизм.
Выполнила:
Быкова Анна 12э
Проверила:
К.Г.Н. Желонкина Е.Э.
Москва 2010
Оглавление.
I. Классификация растительного и живого мира Линнея.
1) Понятие о классификации растений. Стр. 2
· Развитие систематики
· I этап. "Искусственная" систематика
· Значение работ К. Линнея Стр.5
· II этап. Морфологическая систематика Стр.9
· III этап. Филогенетическая (эволюционная) систематика Стр.10
2) Понятие о классификации животного мира. Стр.11
II. Основные свойства времени. Стр.13
· Длительность
· Непрерывность
· Необратимость
· Одномерность
· Однородность
III. Хаос и детерминизм.
1) Хаос Стр.15
· Этимология понятия «хаос»
· Хаос и мифы Стр.17
· Примеры хаоса Стр.18
· Социологизация понятий порядка и хаоса Стр.19
· Причины хаоса Стр.20
2) Детерминизм
· Проблемы детерминизма и причинности Стр.20
· Законы сохранения физических величин
· Закон сохранения массы Стр.23
· Закон сохранения импульса Стр.25
· Закон сохранения заряда
· Закон сохранения энергии в механических процессах Стр.27
· Законы сохранения в макромире Стр. 29
Понятие о классификации растений
Развитие систематики
Основная ботаническая дисциплина - систематика[1] растений - разделяет многообразие растительного мира на соподчинённые друг другу естественные группы - таксоны (классификация), устанавливает рациональную систему их наименований (номенклатура) и выясняет родственные (эволюционные) взаимоотношения между ними (филогения).
В прошлом систематика основывалась на внешних морфологических признаках растений и их географическом распространении, теперь же систематики широко используют также признаки внутреннего строения растений, особенности строения растительных клеток, их хромосомного аппарата, а также химический состав и экологические особенности растений.
Установление видового состава растений (флоры) какой-либо определенной территории обычно называется флористикой, выявление областей распространения (ареалов) отдельных видов, родов и семейств - хорологией (фитохорологией). Изучение древесных и кустарниковых растений выделяют в особую дисциплину - дендрологию.
В своем развитии систематика растений прошла три этапа.
I этап. "Искусственная" систематика
Искусственность классификации состояла в том, что она основывалась на небольшом количестве случайно взятых признаков. В результате, в одной группе могли оказаться совершенно не родственные друг другу организмы. Наибольшего расцвета искусственная систематика достигла в середине 18 века (система Карла Линнея).
Карл Линней (Linnaeus) родился (23.05.1707 в г. Росхульд (Швеция) в семье деревенского пастора.
Родители хотели, чтобы Карл стал священнослужителем, но его с юности увлекала естественная история, особенно ботаника. Эти занятия поощрял местный врач, посоветовавший Линнею выбрать профессию медика, поскольку в то время ботаника считалась частью фармакологии.
В 1727 Линней поступил в Лундский университет, перешел в Упсальский университет, где преподавание ботаники и медицины было поставлено лучше. В Упсале работал вместе с Олафом Цельсием, теологом и ботаником-любителем, участвовавшим в подготовке книги «Библейская ботаника» (Hierobotanicum) - списка растений, упоминавшихся в Библии. В 1729 в качестве новогоднего подарка Цельсию Линней написал эссе «Введение к помолвкам растений» (Praeludia sponsalorum plantarun), в котором поэтически описал процесс их размножения. В 1731, защитив диссертацию, Линней стал ассистентом профессора ботаники О. Рудбека. В следующем году совершил путешествие по Лапландии, собирая образцы растений. Упсальское научное общество, субсидировавшее эту работу, опубликовало о ней только краткий отчет - «Флора Лапландии» (Flora Lapponica). Подробная работа Линнея по растениям Лапландии увидела свет лишь в 1737, а живо написанный дневник экспедиции «Лапландский быт » (Lachesis Lapponica) вышел уже после смерти автора в латинском переводе.
В 1733-1734 Линней читал лекции и вёл научную работу в университете, написал ряд книг и статей. Однако продолжение медицинской карьеры по традиции требовало получения учёной степени за границей. В 1735 Линней поступил в Хардервейкский университет в Голландии, где вскоре получил степень доктора медицины. В Голландии сблизился с известным лейденским врачом Г. Бургаве, который порекомендовал Линнея бургомистру Амстердама Георгу Клиффорту, страстному садоводу, собравшему коллекцию экзотических растений. Клиффорт сделал Линнея своим личным врачом и поручил ему определить и классифицировать разводимые им экземпляры. Результатом стал трактат «Клиффортовский сад» (Hortus Cliffortianus), опубликованный в 1737.
В 1736-1738 в Голландии вышли первые издания работ Линнея: в 1736 - «Система природы» (Systema naturae), «Ботаническая библиотека» (Bibliotheca botanica) и «Основы ботаники» (Fundamenta botanica); в 1737 - «Критика ботаники» (Critica botanica), «Роды растений» (Genera plantarum), «Флора Лапландии» (Flora Lapponica) и «Клиффортовский сад» (Hortus Cliffortianus); в 1738 - «Классы растений» (Classes plantarum), «Собрание родoв» (Corollarium generum) и «Половой метод» (Methodus sexualist). В 1738 Линней отредактировал книгу о рыбах «Ихтиология» (Ichthyologia), оставшуюся незаконченной после смерти его друга Петера Артеди. Ботанические работы, особенно «Роды растений», легли в основу современной систематики растений. В них Линней описал и применил новую систему классификации, значительно упрощавшую определение организмов. В методе, который он назвал «половым», основной упор делался на строении и количестве репродуктивных структур[2] растений, то есть тычинок и пестиков.
Еще более смелым трудом стала знаменитая «Система природы», попытка распределить все творения природы - животных, растения и минералы - по классам, отрядам, родам и видам, а также установить правила их идентификации. Исправленные и дополненные издания этого трактата выходили 12 раз в течение жизни Линнея и несколько раз переиздавались после смерти учёного.
В 1738 Линней по поручению Клиффорта посетил ботанические центры Англии. Получил приглашения работать в Голландии и Германии, однако предпочёл вернуться в Швецию и в 1739 открыл медицинскую практику в Стокгольме. В 1741 был назначен профессором медицины Упсальского университета, а в 1742 - профессором ботаники. Последующие годы он в основном преподавал, однако тогда же совершил несколько научных экспедиций в малоизученные области Швеции. Собиратели всего мира присылали ему экземпляры неизвестных форм живого, и он описывал в своих книгах лучшие находки.
В 1745 Линней опубликовал труд «Флора Швеции» (Flora Suecica), в 1746 - «Фауна Швеции» (Fauna Suecica), в 1748 - «Упсальский сад» (Hortus Upsaliensis). В Швеции и за границей продолжали выходить новые издания «Системы природы». Некоторые из них, особенно шестое (1748), десятое (1758) и двенадцатое (1766), содержали дополнительные материалы. Знаменитые 10-е и 12-е издания стали энциклопедическими многотомниками, содержавшими краткие описания всех известных к тому времени видов животных, растений и минералов. Статья о каждом виде дополнялась информацией о его географическом распространении, среде обитания, поведении и разновидностях. Именно в 10-м издании Линней впервые дал двойные (бинарные, или биноминальные) названия всем известным ему видам животных. В 1753 завершил труд «Виды растений» (Species plantarum); в нём содержались описания и бинарные названия всех видов растений, определившие современную ботаническую номенклатуру. В книге «Философия ботаники» (Philosophia botanica), вышедшей в 1751, Линней афористично изложил принципы, которыми он руководствовался при изучении растений.
Скончался Линней 10.1.1778 в г. Упсала (Швеция).
Значение работ К. Линнея
Одним из первых систематизаторов окружающего нас мира считается Аристотель[3]. Его ученик, «отец ботаники» Теофраст свел воедино и систематизировал данные своего времени о растениях. В «Естественной истории растений» он подробнейшим образом описал и классифицировал около 500 видов, заложил основы морфологии, географии и экологии растений. Теофраст разделил известные ему растения по жизненным формам: деревья, кустарники, полукустарники и травы. В пределах каждой формы он различал культурные и дикорастущие, наземные и водные, вечнозеленые и листопадные, цветущие и нецветущие. Следовательно, Теофраст уже использовал принцип иерархичности.
В Средние века преобладал утилитарный подход к классификации организмов. Например, растения делились на сельскохозяйственные, пищевые, лекарственные и декоративные. При классификации растений учитывались особенности внешнего строения их генеративных органов. Например, итальянец Андреа Цезальпино ориентировался на характерные черты семян и плодов, француз Жозеф Турнефор считал определяющей форму венчика.
В XVII-XVIII вв. произвольный выбор классификационных признаков привел к созданию множества искусственных систем, из которых наиболее всеобъемлющей и обоснованной стала система Карла Линнея.
Можно только поражаться той грандиозной работе, которая была задумана и проведена Линнеем. Он составил описания около 7.500 видов растений (из которых полторы тысячи ранее не были известны науке) и 4.000 видов животных. От «инвентаризационного списка» Линнея, его знаменитой книги «Виды растений», вышедшей первым изданием в 1753 году, систематики ведут свою «профессиональную» хронологию. Линней разработал свод ботанических терминов (около тысячи наименований), которыми следовало пользоваться при описании растительных форм, и тем самым заложил основы унификации этих описаний. Но самое главное, он построил четкую систему растений, состоявшую из 24 классов, позволявшую быстро и точно определить их виды. Свою систему растений Линней строил на различиях в морфологии частей цветка (число и величина тычинок, степень их срастания, половые особенности и т.д.).
Nomina si nectis perit et cognitio rerum - в переводе с латинского означает: если не будешь знать имен, умрет и познание вещей. Этим девизом Линней руководствовался в течение всей своей жизни ученого и поэтому взял на себя смелость дать свои собственные авторские, оригинальные названия большинству известных в то время растений, настаивая и на их обязательном применении.
В долиннеевской систематике справочники (травники) представляли собой описания растений, одни более, другие менее развернутые, но все же описания, весьма пространные, состоящие из многих слов (полиномы). «Нарцисс с узкими многочисленными листьями, похожими на листья лука-порея, стеблем, более тонким, чем листья, и цветками с оранжево-красной срединой, белым корнем, округлым, похожим на луковицу...» - вот только часть такого многословного «названия-диагноза», взятого из книги О. Брунфельса (1532) и относящегося к растению, которое именуется сейчас нарциссом ложным (Narcissus pseudonarcissus).
Краткость и четкость - этим и следует, по мнению Линнея, руководствоваться, называя растения. Данному условию как нельзя лучше соответствовали введенные им в постоянный обиход двойные (бинарные) наименования.
[5] Бинарная система предполагает, что у каждого вида растений и животных есть единственное, принадлежащее только ему одному научное название (биномен), состоящее всего из двух слов (латинских или латинизированных). Первое из них - общее для целой группы близких друг к другу видов, составляющих один биологический род. Второе - видовой эпитет - представляет собой прилагательное или существительное, которое относится только к одному виду данного рода. Так, лев и тигр, включаемые в род «кошки» (Felis), называются соответственно Felis leo и Felis tigris, а волк из рода собаки (Canis) - Canis lupus. Сам Линней не придавал бинарной системе особого значения и делал упор на полиноминальное, т. е. многословное название-описание, а соответствующий ему биномен сам считал простым названием (nomen trivialis), не имеющим научного значения и всего лишь облегчающим запоминание вида.
Таким образом, каждый вид получил «фамилию» и «имя» - стоящее на первом месте родовое и следующее за ним видовое названия. Так, род лютик (Ranunculus) объединяет лютик ползучий, лютик едкий, лютик кашубский, лютик золотистый и еще около 400 видов. Видовое же название определяет, если можно так сказать, индивидуальность[4] растения, его специфику.
Чтобы бинарные названия были единообразными, унифицированными, их следует подчинять строго определенным правилам. Прежде всего, они должны быть по форме латинскими или латинизированными, то есть написаны с соблюдением правил латинской грамматики. В конце названия таксона ставят (обычно в сокращенном виде) имя систематика, впервые описавшего и «окрестившего» данный вид или иной таксон.
Бинарное название во избежание путаницы должно быть единственным и не повторяться больше нигде. Значит, все другие названия (синонимы), сколько бы их ни числилось за этим растением, должны быть безжалостно отброшены. Например, шелковицу белую только на латыни именуют Morus alba L., M. taurica Bieb., M. heterophylla Loud. и пр. Ясно, что только одно из них будет истинным. Тут на помощь приходит правило приоритета. Первое из приведенных названий дал шелковице Линней, второе - российский ботаник Биберштейн, третье - английский садовод Лоудон. Как правило, систематиками принимается старейшее, самое первое из данных названий. По справедливому правилу приоритета предпочтение здесь отдано линнеевскому названию - шелковица белая (Morus alba). Оба других ученых описали повторно тот же вид значительно позже.
Кроме синонимов[5], в систематике можно столкнуться также с омонимами - одинаковыми по написанию названиями, но принадлежащими разным растениям. Например, секвойядендрон гигантский поначалу назвали вашингтонией, в то время как это имя уже носила пальма. Здесь тоже действует правило приоритета, так что могу чему секвойядендрону пришлось уступить.
Словом, мало, просто назвать вид. Надо еще это название опубликовать, причем опубликовать, вместе с описанием вида, иначе оно будет считаться «голым названием» (nomen nudum), то есть недействительным. Процесс «утверждения» названия несколько напоминает процедуру получения авторского свидетельства на изобретение: сначала эксперты проводят патентный поиск на новизну предложения, устанавливая его приоритет, чтобы затем опубликовать описание в специальном издании.
Сейчас сведенные вместе номенклатурные правила, начало которым положил Линней, составляют основу Международных кодексов номенклатуры.
Линней строил свою систему отнюдь не на пустом месте, и его реформы во многом были подготовлены работами предшественников, попытки построения систем растений на основе самых разнообразных их признаков предпринимались неоднократно и до Линнея. К тому же Линней не был первым и в использовании бинарных названий. Их предложил швейцарец Конрад Геснер[6]; довольно широко применяли бинарные названия Иоганн Баугин и Каспар Баугин.
Знал ли об этом Линней? Разумеется, и не только знал, но и высоко ценил эти работы. И речь тут не только о далеких предшественниках. Своими фундаментальными ботаническими знаниями Линней в значительной степени обязан своим учителям и коллегам, от которых многое перенял. Ему посчастливилось в Упсале слушать лекции знаменитого шведского ботаника Олафа Рудбека. В Лейдене, куда Линней прибыл для защиты докторской диссертации в 1735 году, он познакомился с Борхавом - известным голландским ботаником, общение с которым принесло молодому ученому большую пользу.
Тремя годами позже Линней приезжает в Париж, но не за тем, чтобы восхищаться красотами старинного города. Первый его визит - в Королевский ботанический сад, где он встречается с братьями Жюссье - Антуаном и Бернаром - создателями оригинальной системы растительного царства. До сих пор, заметим, ботаники признают семейства, выделенные и описанные Антуаном Жюссье.
Затем - Англия, Оксфорд и Челси, новые научные знакомства и в том числе со знаменитым флористом и путешественником Гансом Слоаном, патриархом английских ботаников, серьезным, но объективным оппонентом работ Линнея.
Многое открыли Линнею голландские библиотеки и ботанические сады. Голландия в то время вела интенсивное освоение своих тропических колоний, в первую очередь территорий в Юго-Восточной Азии. Капитан каждого голландского корабля, отправлявшегося в дальний путь, обязан был привезти домой семена и саженцы диковинных растений.
Поэтому здешние сады были тогда одними из богатейших в Европе. Бургомистр Амстердама банкир Клиффорд предложил Линнею курировать его частный ботанический сад Хартекамп, близ Гарлема. Ученый согласился, и инвентаризация замечательных коллекций этого сада позволила ему как нельзя лучше познать растительный мир тропиков Старого Света.
Следует сказать и о знакомстве Линнея с североамериканскими растениями в садах Франции и Англии, о детальном анализе флоры Лапландии, куда он отправился после окончания университета, об отличном знании растений шведской флоры и России. Линней регулярно переписывался с видными русскими ботаниками И. Гмелиным, И. Амманом, С.П. Крашенинниковым, меценатом и ботаником-любителем П.А. Демидовым и получал от них семена растений.
II этап. Морфологическая систематика
На первое место вышли морфологические признаки растительных организмов. На этом этапе можно говорить о возникновении первой "естественной" системы растений, которая была создана в 1789 году.
На самом деле, такая система не являлась естественной в строгом смысле этого слова, поскольку она объединяла виды, имеющие схожие морфологические признаки, но не всегда имеющие единое происхождение. Эта система была построена как бы поперек эволюции, хотя и предвосхитила многие положения современной эволюционной систематики.
В тесной связи с систематикой находится морфология растений, изучающая форму растений в процессе индивидуального (онтогенез) и исторического (филогенез) развития. В узком смысле морфология изучает внешнюю форму растений и их частей, в более широком -- включает анатомию растений, изучающую их внутреннее строение, эмбриологию, исследующую образование и развитие зародыша, и цитологию, изучающую строение растительной клетки.
Некоторые разделы морфологии растений выделяют в особые дисциплины в связи с их прикладным или теоретическим значением: органографию - описание частей и органов растений, палинологию - изучение пыльцы и спор растений, карпологию - описание и классификация плодов, тератологию - изучение аномалий и уродств (терат) в строении растений. Различают сравнительную, эволюционную, экологическую морфологию растений.
III этап. Филогенетическая (эволюционная) систематика
[3] Классификация основывается не только на общих морфологических или анатомических признаках растений, но и учитывает особенности и общность происхождения растительных видов.
С развитием морфологии растений искусственная систематика растений уступила свое место «естественной», основанной на совокупности признаков. Первая «естественная система» была создана в 1789 г. Однако «естественная систематика» не была еще естественной в современном смысле, так как она не была еще эволюционной[7]. Авторы естественных систем продолжали верить в постоянство видов. В естественных системах растения объединялись на основании «сродства», или «родства», под которым понималось, однако, не родство по происхождению, а лишь внешнее и часто поверхностное сходство.
В естественных системах соединяются такие растения, которые обнаруживают наибольшее внешнее сходство между собой. В результате естественная систематика часто объединяла аналогичные эволюционные стадии или сходные верхушки разных филогенетических ветвей, т. е. она строила свои рубежи поперек течения эволюции. Тем не менее, многие построения естественной систематики предвосхитили выводы эволюционной систематики.
После торжества эволюционной идеи в биологии естественная систематика стала постепенно уступать свое место эволюционной, или филогенетической, систематике. Начался новый этап в ее развитии. Употреблявшийся и ранее термин «родство» получил новое значение, и перед систематикой возникли новые цели. Основной задачей систематики является теперь построение такой системы классификации, которая отражала бы родственные, т. е. эволюционные, взаимоотношения между организмами.
Современная систематика развивается в тесной связи с другими биологическими науками и широко пользуется как их фактическим материалом и идеями, так и методами исследования, в том числе экспериментальными.
Понятие о классификации животного мира.
[1] Чтобы легче понять принцип систематизации, представьте, что вы хотите классифицировать все дома в мире. Можно начать с того, что дома в Европе, например, больше похожи друг на друга, чем на дома в Северной Америке, поэтому на первом, самом грубом уровне классификации[8] необходимо указать континент, где расположено здание. На уровне каждого континента можно пойти дальше, отметив, что дома в одной стране (например, во Франции) больше похожи друг на друга, чем на дома в другой стране (например, в Норвегии). Таким образом, вторым уровнем классификации будет страна. Можно продолжать в том же роде, рассматривая последовательно уровень страны, уровень города и уровень улицы. Номер дома на конкретной улице будет той конечной ячейкой, куда можно поместить искомый объект. Значит, каждый дом будет полностью классифицирован, если для него будут указаны континент, страна, город, улица и номер дома.
Линней заметил, что подобным образом можно классифицировать живые существа в соответствии с их характеристиками. Человек, например, больше похож на белку, чем на гремучую змею, и больше похож на гремучую змею, чем на сосну. Проделав те же рассуждения, что и в случае домов, можно построить систему классификации, в которой каждое живое существо получит свое уникальное место.
Именно так и сделали последователи Карла Линнея. На начальном уровне все живые существа делятся на пять царств — растения, животные, грибы и два царства одноклеточных организмов (безъядерных и содержащих в ядре ДНК). Далее каждое царство делится на типы. Например, в нервную систему человека входит длинный спиной мозг, образующийся из хорды. Это относит нас к типу хордовых. У большинства животных, обладающих спинным мозгом, он расположен внутри позвоночника. Эта большая группа хордовых называется подтипом позвоночных. Человек относится к этому подтипу. Наличие позвоночника — критерий, по которому позвоночные животные отличаются от беспозвоночных, то есть не имеющих позвоночного хребта (к ним относятся, например, крабы).
Следующая категория классификации — класс. Человек является представителем класса млекопитающих — теплокровных животных с шерстью, живородящих и выкармливающих своих детенышей молоком. Этот уровень различает человека и таких животных, как пресмыкающиеся и птицы. Следующая категория — отряд. Мы относимся к отряду приматов — животных с бинокулярным зрением и руками и ногами, приспособленными для хватания. Классификация человека как относящегося к приматам отличает нас от других млекопитающих — таких, например, как собаки и жирафы.
Следующие две категории классификации — семейство и род. Мы относимся к семейству гоминид и роду Homo. Впрочем, это разграничение мало что значит для нас, поскольку других представителей нашего семейства и нашего рода больше нет (хотя в прошлом они существовали).
У большинства животных каждый род содержит несколько представителей. Например, белый медведь — это Ursus maritimis, а медведь гризли — Ursus horibilis. Оба эти медведя относятся к одному роду (Ursus), но к разным видам — они не скрещиваются.
Последняя категория в классификации Линнея — вид — обычно определяется как популяция особей, которые могут скрещиваться между собой. Человек относится к виду sapience.
При описании животных принято указывать род и вид. Поэтому человек классифицируется как Homo sapiens («Человек разумный»). Это не означает, что другие категории классификации не важны — они просто подразумеваются, когда говорят о роде и виде.
Главный вклад Линнея в науку состоит в том, что он применил и ввел в употребление так называемую бинарную номенклатуру, согласно которой каждый объект классификации обозначается двумя латинскими названиями — родовым и видовым.
Основные свойства времени.
I.
1)Длительность характеризуется как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за любым интервалом времени последующих интервалов. Свойство длительности времени аналогично свойству протяженности пространства. В частности, свойство длительности времени означает возможность добавления к каждому данному моменту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на любые интервалы.
Длительность обусловлена сохранением материи и ее атрибутов. Никакой процесс не может происходить сразу, мгновенно, он непременно длится во времени, что обусловлено конечной скоростью распространения взаимодействий и изменения состояний, а также тем, то невозможно приложить бесконечно большую силу или развить бесконечно большую механическую мощность.
Длительность относится к метрическим свойствам, и измеряется различными единицами измерения времени – столетиями, годами, секундами и тд.
2)Непрерывность. Свойство сохранения материи и непрерывная последовательность ее изменений, а также близкодействие определяют общую непрерывность времени, проявляющуюся в непрерывном переходе от предшествующих состояний материальных объектов к последующим состояниям – прежде чем осуществится какое-либо событие в будущем, необходимо, чтобы произошли все причинно обусловленные предшествующие ему изменения, которые это событие вызывают. Вместе с тем время как форма бытия материи последовательно складывается из множества конечных по величине длительностей существования конкретных материальных объектов.
Поэтому время характеризуется прерывностью бытия конкретных состояний материи, но прерывность эта относительна, так как переход между сменяющими друг друга состояниями является непрерывным. Таким образом, можно говорить о том, что длительность бытия материальных объектов характеризуется сочетанием прерывного и непрерывного – в этом проявляется единство дискретного (прерывного) и перманентного (непрерывного).
3)Необратимость является свойством времени, означающим однонаправленное изменение от прошлого к будущему – прошлое порождает настоящее и будущее и в силу свойства непрерывности переходит в них. Время течет от прошлого через настоящее к будущему, и обратное его течение невозможно. Таким образом, необратимость проявляется в невозможности возврата в прошлое. Ось времени можно разбить на 3 принципиально разные части: невозвратное прошлое, мгновенное настоящее и предстоящее будущее. Прошлое охватывает все осуществившиеся события и подступает к настоящему.
К настоящему относятся все те объекты и процессы, которые еще не происходят, но возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Для настоящего характерно то, что именно в настоящем, то есть лишь при одновременном сосуществовании материальных объектов, возможно их взаимодействие.
На прошлое воздействовать невозможно, но можно изменить представление о прошлом в сознании людей. Воздействовать можно на события настоящего и на те ближайшие события будущего, которые непосредственно вытекают из событий настоящего.
Если измерять три временных параметра (прошлое, настоящее и будущее), то неизбежно приходим к выводу о принципиальном отличии настоящего от прошлого и будущего. Это отличие проявляется в том, что прошлое и будущее могут быть сколь угодно протяженными во времени, тогда как настоящее, строго говоря, имеет нулевую длительность.
4) Одномерность времени проявляется в линейной последовательности событий, связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три пространственные координаты, то для определения положения во времени достаточно одной временной координаты. Если бы время имело не одно, а большее число измерений, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют никак не связанные с ним миры, которых те же самые события разворачивались бы иначе, с другой скоростью и с другой последовательностью.
5)Однородность. В отличие от пространства, которое обладает свойствами изотропности и однородности, время обладает только свойством однородности, заключающимся в равноправии всех его моментов. Свойство однородности пространства и времени и изотропности пространства теснейшим образом связаны с фундаментальными физическими законами, и прежде всего с законами сохранения.
Хаос и детерминизм.
· ХАОС И ПОРЯДОК. ПОРЯДОК И БЕСПОРЯДОК В ПРИРОДЕ
1. ХАОС[9]
С точки зрения нашей современной науки, да и с точки зрения здравого смысла, мир вообще не может приниматься вне содержащихся в нем закономерностей. Но если бы все сводилось только к закономерностям, мир перестал бы быть миром и превратился в математические уравнения.
2. Этимология понятия «хаос»
Хаос в переводе с греческого (chaos) означает бесформенное состояние мира, бесконечное пространство, неупорядоченную первопотенцию мира. Хаос — понятие, происходящее от греческого «зев», «зияние», разверстое пространство. Как первичное бесформенное состояние материи и первопотенция мира, хаос, разверзаясь, извергает из себя ряды животворно оформленных элементов. В досократовской философии хаос — это начало всякого бытия. Ферекид отождествлял хаос с водой как первопотенцией. Это начало и конец бытия, принцип универсального порождения и всевмещающего поглощения. В трактовке хаоса присутствует интуиция воды. Фалес[10] считал, что мир возник из воды (принятием такого взгляда можно объяснить значение воды в жизни). Ферекид воду также называет хаосом, заимствовав это у Гесиода, который считал, что, прежде всего, возник хаос. Можно предположить, что отождествление хаоса с водяной стихией — это результат соединения с первообразом Океана, который является прародителем всего у Гомера.
Впечатляет первое историческое описание хаоса — сказание о Всемирном потопе. Воды хлынули из-под земли, вздувшись до горных вершин. Разрушительный ливень, буря, смерч, гроза, т.е. великая катастрофа, уничтожившая почти весь человеческий род. История эта очень широко распространена по всему миру.
[4] Хаос Гесиода — это некое вместилище мира, мировое пространство, которое ассоциируется с образом зияющей темной «бездны», «зияющим разрывом». Древнегреческое слово хаос происходит от глагола «хайно», что означает «раскрываюсь», «разверзаюсь». Хаос Гесиода — это безначальное, всеобнимающее и порождающее начало. Его поддерживал и Аристотель.
У Еврипида хаос — это пространство между небом и землей. Впоследствии хаос начинает пониматься как первозданное беспорядочное состояние элементов, но с присоединением творчески оформляющего начала.
У неоплатоников хаос выступает в качестве начала, производящего разъединение и становление в умопостигаемом мире.
Хаос наделен формообразующей силой не только в интуициях античного мира. Не только Левкипп и Демокрит впускают в свою космогоническую теорию всеобщее рассеяние вещества, вихри и беспорядочное движение атомов. Лукреций говорил о разрушении законов рока, об отклонении от первоначал. Платон, описывая рождение Вселенной, даже предполагает вид беспорядочной причины вместе со всеми способами действия.
Хаос как беспорядочное буйство стихий все раскрывает, разверстывает, всему дает возможность выйти наружу. В этом качестве он выступает как основа мировой жизни, как нечто живое, животворное. К такому пониманию в большей мере тяготела языческая Эллада, чем Рим. В трагедиях Сенеки многократно встречается взывание страдающих и гибнущих к всепоглощающему хаосу. Героев трагедий римлянина Сенеки хаос страшит. Он мрачен, слеп и алчен и всякий раз готов поглотить в разверстой бездне отчаявшихся и обезумевших.
В Греции же хаос — жизнерадостный, жизнью упоенный, славящий вакханалии, олицетворен культом Диониса (в греческой мифологии бога виноградарства и виноделия). Но бог животворящих восторгов никогда не был богом обилия и покоя в достигнутой цели. Он — бог бесчисленных возможностей, бесконечно разверзающихся в несказанной полноте и силе и через миг исчезающих для новой смены — такова блистательная характеристика Дионисова культа.
Впоследствии Н. Бердяев [11] писал: «Два противоположных начала легли в основу формации русской души —
· природная, дионисическая, языческая стихия и
· аскетически-монашеское православие».
«В русской душе всегда сохраняется доныне дионисический, экстатический элемент». Примером могут служить русские народные песни.
Итак, хаос совмещает в себе принципы универсального порождения и универсального поглощения, является излюбленным образом античной философии на протяжении всей ее истории. Хаос — это не только буйство слепых стихий, сумбур необузданных страстей и желаний, искушение абсурдным действием. Это еще рождение новых возможностей, их спонтанное появление в бурлящем, клокочущем вихре перемен. Слепой и алчный хаос делает непостижимым тайну хаоса творческого. Философская мудрость, связывающая настоящее и далекое прошлое, призвана делать человека зрячим, постигающим хаос не только как буйство слепых стихий, но и как лоно вечного становления.
3. Хаос и мифы
Этот вопрос, уже частично затронут в предыдущем изложении.
Мифология - это совокупность мифов, рассказов, предания, повествования о жизни богов, героев, демонов, духов. Одна из существенных особенностей мифотворчества заключена в стремлении компенсировать фундаментальную потребность всего живого способствовать понижению меры хаоса. Заполняя пустоты неведомого («природа не терпит пустоты»), расширяя могущество человека до масштабов всеведения, миф всегда был направлен на упорядочивание чувственной сферы.
Но жизнь социального организма не строится по законам мифов. Поиски принципов гармонизации мира как целого выступали ведущей чертой философских систем, начиная от Сократа и кончая Хакеном, творцом синерге-. тики — теории самоорганизации.
Зло и мрак, хаос и бездна не вписываются во всеобщую гармонию и мыслились изначально как чуждые. Неузнаваемо искажая зеркальное отражение божественной красоты, они пугали существо, устремленное к всеобщей благодати, и поэтому объявлялись запредельными и вытеснялись на «тот свет». И тем не менее искусство и литература увековечили тему «пляски смерти», а демонология и демономания приобрели широкое распространение.
4. Примеры хаоса
Хаос — широко распространенное нелинейное явление, которое встречается во всех дисциплинах. Это реальное устойчивое явление. Наверняка, многие исследователи обращали свой взор на хаос, приняв его за шум. Однако хаос возникает не только в искусственных системах, но и в любых системах, в том числе и в живых, где встречается нелинейность.
Проявление хаоса разнообразно. Это турбулентные клубы сигаретного дыма; водный след за судном на подводных крыльях; вихреобразное образование по ходу плывущего судна; «штопор» самолет при выходе из «пике»; внезапная потеря управления космическим кораблем; неожиданная выдача ЭВМ огромного потока случайных данных; разрушительное действие компьютерного вируса; возникновение фибрилляции сердца у сердечного больного; случайное перемещение магнитных полюсов Земли за последнее тысячелетие.
Хаос — это события, способные приводить к катастрофам. Потеря устойчивости рождает турбулентность. Не случайно в восточной философии распространен графический образ хаоса в виде завихрений. Вихреобразные рисунки и аналогичная символика на японских кимоно — наиболее узнаваемые признаки восточной символики, интуитивно навевающие образ хаоса. Возникающий мир дает начало всем вещам и миру в природе.
Сообщения о тех или иных проявлениях хаоса встречаются почти во всех научных дисциплинах: астрономии, физике, биологии, биофизике, химии, машиноведении, геологии, медицине, математике, теории плазмы, общественных науках и т.д.
В теории хаоса хаос представляет собой довольно необычную форму поведения какой-либо системы в уравновешенном состоянии. Характер системы оказывается настолько чувствительным к начальным условиям, что долговременное прогнозирование поведения становится невозможным.
Сейчас появилась новая наука — синергетика, которая делает своим предметом выявление наиболее общих закономерностей спонтанного структурирования, но о ней говорится в отдельной теме.
5. Социологизация понятий порядка и хаоса
Современная ситуация в мире характеризуется резко обострившимися процессами хаотизации, поглотившими столь желанную упорядоченность. На хаос бытовой, проявляющийся в проявлении множества воль, интересов, создающий сумятицу в экономике, накладывается хаос потревоженного естества, заявивший о себе все разрастающимся конфликтом мира естественного и мира искусственного.
Если XVIII в. можно назвать сатиричным, XIX в. — патетичным, то XX в. можно назвать катастрофичным. Это хаос крупноисторического масштаба: первая мировая война, революция, вторая мировая и Отечественная войны, крушение политических режимов стран Восточной Европы, афганская и чеченская войны...
Социологизация понятий порядка и хаоса имели своим следствием принципиально отрицательные отношения к хаосогенным структурам и полное принятие упорядоченных. С новой силой прозвучал древнекитайский вывод из книги «Дао-дэ цзин»: «Непочитание мудрости, назначение на должность неспособных — в результате хаос в стране».
Распространился призыв к тому, чтобы сильная рука приостановила сползание к хаосу. Хаос же отождествлялся с беспорядком и отражал такое состояние общественной системы, когда функционирование ее рассогласованных элементов было сопряжено с появлением предсказуемых последствий и вело к деградации и распаду.
Между тем такая понятная и даже оправданная в размеренном человеческом бытии позиция при своей абсолютности искажала картину мира. Она вступала в конфликт с естествознанием, представляющим процесс развития как взаимосвязь структурирования и хаотизации.
Она была несовместима с видением мира, учитывающим не только особенности структурогенеза, но и разупорядочивания. Кроме того, социологизация категорий порядка и хаоса, выявляющая исключительно предпочтение порядку и негативное отношение к хаосу, шла вразрез с глубоко философской традицией.
6. Причины хаоса
Можно выделить ряд причин и обстоятельств, в результате которых происходит потеря устойчивости и переход к хаосу. К их числу относятся:
1. Шумы, внешние помехи, возмущающие факторы (хаос и шум часто отождествляют).
2. Наличие большого числа степеней свободы, которыми обладает система в процессе своего функционирования. Она может в этом случае реализовать совершенно случайные последовательности.
3. Достаточно сложная организация системы (например, хаос тропического леса).
4. «Эффект бабочки», суть которого сводится к тому, что нелинейные системы чрезвычайно чувствительны к начальным условиям и обладают свойством быстро разводить первоначально близкие траектории (мушка, летающая перед носом короля, принимающего важные решения, может вызвать изменения в целом государстве). Такое выражение, как «попасть под горячую руку», или приведенная ниже шуточная английская песенка могут явиться примером этой причины хаоса:
Не было гвоздя — подкова пропала. Не было подковы — лошадь захромала. Лошадь захромала — командир убит, Конница разбита, армия бежит. Враг вступает в город, пленных не щадя, Оттого, что в кузнице не было гвоздя.
· Детерминизм.
1. ПРОБЛЕМЫ ДЕТЕРМИНИЗМА И ПРИЧИННОСТИ
Основное содержание проблем детерминизма и причинности — это соотношение динамических и статистических закономерностей.
Детерминизм — это учение об объективной закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений материального и духовного миров. Центральным ядром детерминизма является положение о существовании причинности.
Причинность — это генетическая связь между отдельными состояниями видов и форм материи в процессе ее движения и развития.
Понятие причинности возникло в связи с практической деятельностью людей. Для него характерно три признака:
1. Временное предшествие причин следствию («нет дыма без огня»).
2. Одна и та же причина всегда обуславливает одно и то же следствие (яблоко одинаково падает, так как причина — притяжение Земли).
3. Причина — это активный агент, производящий действие.
Идея детерминизма, таким образом, состоит в том, что все явления и события в мире не произвольны, а подчиняются объективным закономерностям, существующим вне и независимо от их познания.
Проявление детерминизма связано с существованием объективных физических законов и находит отражение в фундаментальных физических теориях.
2. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ
Фундаментальные физические законы — это наиболее полное на сегодняшний день, но приближенное отражение объективных процессов в природе. Различные формы движения материи описываются различными фундаментальными теориями. Каждая из этих теорий описывает вполне определенные явления: механическое или тепловое движение, электромагнитные явления.
Существуют более общие законы в структуре фундаментальных физических теорий, охватывающие все формы движения материи и все процессы. Это законы симметрии, или инвариантности, и связанные с ними законы сохранения физических величин.
3. Законы сохранения физических величин
Законы сохранения физических величин — это утверждения, согласно которым численные значения этих величин не меняются со временем в любых процессах или классах процессов. Фактически во многих случаях законы сохранения просто вытекают из принципов симметрии.
Идея сохранения появилась сначала как чисто философская догадка о наличии неизменного (стабильного) в вечно меняющемся мире. Еще античные философы-материалисты пришли к понятию материи как неуничтожимой и несотворимой основы всего сущего. С другой стороны, наблюдение постоянных изменений в природе приводило к представлению о вечном движении материи как важном ее свойстве. С появлением математической формулировки механики на этой основе появились законы сохранения.
Законы сохранения тесно связаны со свойствами симметрии физических систем. При этом симметрия понимается как инвариантность физических законов относительно некоторой группы преобразований входящих к них величин. Наличие симметрии приводит к тому, что для данной системы существует сохраняющаяся физическая величина. Если известны свойства симметрии системы, как правило, можно найти для нее закон сохранения и наоборот.
Таким образом, законы сохранения:
1. Представляют наиболее общую форму детерминизма.
2. Подтверждают структурное единство материального мира.
3. Позволяют сделать заключение о характере поведения системы.
4. Обнаруживают существование глубокой связи между разнообразными формами движения материи.
Важнейшими законами сохранения, справедливыми для любых изолированных систем, являются:
1. закон сохранения и превращения энергии;
2. закон сохранения импульса;
3. закон сохранения электрического заряда;
4. закон сохранения массы.
Кроме всеобщих существуют законы сохранения, справедливые лишь для ограниченного класса систем и явлений. Так, например, существуют законы сохранения, действующие только в микромире. Это:
1. закон сохранения барионного или ядерного заряда;
2. закон сохранения лептонного заряда;
3. закон сохранения изотопического спина;
4. закон сохранения странности.
В современной физике обнаружена определенная иерархия законов сохранения и принципов симметрии. Одни из этих принципов выполняются при любых взаимодействиях, другие же — только при сильных. Эта иерархия отчетливо проявляется во внутренних принципах симметрии, которые действуют в микромире.
Рассмотрим важнейшие законы сохранения.
4.Закон сохранения массы
[6] Бесконечно разнообразны превращения, изменения вещества в природе. Исследователей волновал вопрос: сохраняется ли вещество при этих изменениях? Каждому из нас приходилось наблюдать, как со временем изнашивается, уменьшается в размерах любая вещь, даже стальная. Но значит ли это, что мельчайшие частички металла исчезают бесследно? Нет, они только теряются, разлетаются в разные стороны, выбрасываются с сором, улетают, создавая пыль.
В природе происходят и иные превращения. Вы, например, курите сигарету. Проходит несколько минут — и от табака ничего не остается, не считая маленькой кучки пепла и легкого голубоватого дыма, рассеявшегося в воздухе. Или, например, горит свеча. Постепенно она становится все меньше и меньше. Здесь не остается даже пепла. Сгорая без остатка, свеча и то, из чего она состоит, испытывают химическое превращение вещества. Частицы табака и свеча не разлетаются в стороны, не теряются постепенно в разных местах. Они сгорают и внешне пропадают бесследно.
Наблюдая природу, люди давно обратили внимание и на другие явления, когда вещество как бы возникает из «ничего». Так, например, из маленького семени вырастает в цветочном горшке большое растение, а вес земли, заключенной в горшке, остается почти прежним. Может ли в действительности что-то существующее в мире исчезнуть или, наоборот, появиться из ничего? Иными словами — уничтожима или неуничтожима материя, из которой строится все многообразие нашего мира?
За 2400 лет до н. э. знаменитый философ Древней Греции Демокрит писал, что: «Из ничего ничто произойти не может, ничто существующее не может быть уничто-жимо».
Значительно позже, в XVI—XVII вв. эта мысль возродилась и высказывалась уже многими учеными. Однако такие высказывания были лишь догадкой, а не научной теорией, подтвержденной опытами. Впервые доказал и подтвердил это положение опытом великий русский ученый М.В. Ломоносов.
Ломоносов был твердо убежден в неуничтожимости материи, в том, что в мире ничто не может исчезнуть бесследно. При любых изменениях веществ, химических взаимодействиях — соединяются ли простые тела, образуя сложные, или, наоборот, сложные тела разлагаются на отдельные химические элементы — общее количество вещества остается неизменным. Другими словами, при всех изменениях должен оставаться неизменным общий вес вещества. Пусть в результате какой-либо реакции исчезают два взаимодействующих вещества, и получается неизвестное третье — вес вновь образовавшегося соединения должен равняться весу первых двух.
Прекрасно понимая значение законов сохранения, неуничтожимости материи для науки, Ломоносов искал подтверждение своих мыслей. Он решил повторить опыты английского ученого XVII в. Р. Бойля.
Бойль интересовался вопросами изменения веса металла при нагревании. Он поставил такой опыт: в стеклянную реторту поместил кусочек металла и взвесил ее.
Затем, запаяв узкое горлышко сосуда, нагрел его на огне. Через два часа Бойль снял сосуд с пламени, обломил горлышко реторты и, охладив ее, взвесил. Металл увеличился в весе.
Причину Бойль видел в том, что через стекло в сосуд проникают мельчайшие частицы «материи огня» и соединяются с металлом. Во времена Бойля и Ломоносова непонятные явления природы ученые объясняли с помощью различных неуловимых «материй», но что они из себя представляют - сказать не могли. Ломоносов же не признавал существования таинственных «материй». Он был уверен, что причина увеличения веса заключается в другом, и решил доказать, что нет никакой «тонкой всепроникающей материи огня», а также что при химических превращениях общий вес вещества участвующих в реакции элементов остается неизменным.
Ломоносов повторил опыт Бойля и получил тот же результат: вес металла увеличился. Затем он видоизменил опыт: после нагревания реторты на огне и охлаждения ее взвешивает сосуд, не отламывая горлышка. Так он доказал, что «без допущения внешнего воздуха вес сожженного металла останется в одной мере, никакой материи огня в реторту не проникает».
Увеличение веса в случае, когда реторта перед взвешиванием вскрывалась, Ломоносов объяснял зависимостью от поглощения воздуха металлом. Теперь мы знаем, что при нагревании металлы окисляются, соединяются с кислородом. В опыте Бойля металл берет кислород из воздуха, находящегося в закрытой реторте. При этом его вес увеличивается ровно настолько, насколько уменьшается вес воздуха в реторте. Благодаря этому общий вес закрытой реторты и помещенного в ней тела не изменяется. Хотя здесь и происходит окисление, общее количество вещества не убывает и не прибывает — вес веществ, участвующих в реакции, не изменяется. Но при открытии реторты на место кислорода воздуха, который был поглощен металлом, внутрь колбы ворвется наружный воздух, в результате чего вес реторты увеличится.
Так М.В. Ломоносов открыл закон сохранения вещества, или, как его называют, закон сохранения массы. Через 17 лет после Ломоносова этот закон подтвердил многочисленными опытами французский химик А. Лавуазье. В дальнейшем закон сохранения массы неоднократно подтверждался многочисленными и разнообразными опытами. В настоящее время он является одним из основных законов, лежащих в основе наук о природе.
5. Закон сохранения импульса
[6] Покой и движения тела относительны, скорость движения зависит от выбора системы отсчета. По второму закону Ньютона, независимо от того, находилось ли тело в покое, или двигалось равномерно и прямолинейно, изменение его скорости движения может происходить только под действием силы, т.е. в результате взаимодействия с другими телами.
Имеется физическая величина, одинаково изменяющаяся у всех тел под действием одинаковых сил, если время действия силы одинаково, равная произведению массы тела на его скорость и называемая импульсом тела. Изменение импульса равно импульсу приложенной силы. Импульс тела является количественной характеристикой поступательного движения тел.
Экспериментальные исследования взаимодействий различных тел — от планет и звезд до атомов и электронов, элементарных частиц — показали, что в любой системе взаимодействующих между собой тел при отсутствии действия сил со стороны других тел, не входящих в систему, или равенстве нулю суммы действующих сил геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной.
Система тел, не взаимодействующих с другими телами, не входящими в эту систему, называется замкнутой. Таким образом, в замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса.
Необходимым условием применимости закона сохранения импульса к системе взаимодействующих тел является использование инерциальной системы отсчета. На законе сохранения импульса основано реактивное движение, его используют при расчете направленных взрывов, например, при прокладке туннелей в горах. Полеты в космос стали возможными благодаря использованию многоступенчатых ракет.
6. Закон сохранения заряда
[6] Не все явления природы можно понять и объяснить на основе использования понятий и законов механики, молекулярно-кинетической теории строения вещества, термодинамики. Эти науки ничего не говорят о природе сил, которые связывают отдельные атомы и молекулы, удерживают атомы и молекулы вещества в твердом состоянии на определенном расстоянии друг от друга. Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе представлений о том, что в природе существуют электрические заряды.
Самое простое и повседневное явление, в котором обнаруживается факт существования в природе электрических зарядов, — это электризация тел при соприкосновении. Взаимодействие тел, обнаруживаемое при электризации, называется электромагнитным взаимодействием, а физическая величина, определяющая электромагнитное взаимодействие, — электрическим зарядом. Способность электрических зарядов притягиваться и отталкиваться говорит о наличии двух различных видов зарядов: положительных и отрицательных.
Электрические заряды могут появляться не только в результате электризации при соприкосновении тел, но и при других взаимодействиях, например, под воздействием силы (пьезоэффект). Но всегда в замкнутой системе, в которую не входят заряды, при любых взаимодействиях тел алгебраическая (т.е. с учетом знака) сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда.
Нигде и никогда в природе не возникают и не исчезают электрические заряды одного знака. Появление положительного заряда всегда сопровождается появлением равного по абсолютному значению, но противоположного по знаку отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряды не могут исчезнуть в отдельности друг от друга, если равны по абсолютному значению.
Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц — электронов — от одних тел к другим. Как известно, в состав любого атома входят положительно заряженные ядро и отрицательно заряженные электроны. В нейтральном атоме суммарный заряд электронов в точности равен заряду атомного ядра. Тело, состоящее из нейтральных атомов и молекул, имеет суммарный электрический заряд, равный нулю.
Если в результате какого-либо взаимодействия часть электронов переходит от одного тела к другому, то одно тело получает отрицательный электрический заряд, а второе — равный по модулю положительный заряд. При соприкосновении двух разноименно заряженных тел обычно электрические заряды не исчезают бесследно, а избыточное число электронов переходит с отрицательно заряженного тела к телу, у которого часть атомов имела не полный комплект электронов на своих оболочках.
Особый случай представляет встреча элементарных заряженных античастиц, например, электрона и позитрона. В этом случае положительный и отрицательный электрические заряды действительно исчезают, аннигилируют, но в полном соответствии с законом сохранения электрического заряда, так как алгебраическая сумма зарядов электрона и позитрона равна нулю.
7. Закон сохранения энергии в механических процессах
Механическая[6] энергия подразделяется на два вида: потенциальную и кинетическую. Потенциальная энергия характеризует взаимодействующие тела, а кинетическая — движущиеся. И потенциальная и кинетическая энергии изменяются только в результате такого взаимодействия тел, при котором действующие на тела силы совершают работу, отличную от нуля.
Рассмотрим теперь вопрос об изменении энергии при взаимодействии тел, образующих замкнутую систему. Если несколько тел взаимодействуют между собой только силами тяготения и силами упругости и никакие внешние силы не действуют, то при любых взаимодействиях тел сумма кинетической и потенциальной энергий тел остается постоянной. Это утверждение называется законом сохранения энергии в механических процессах.
Сумма кинетической и потенциальной энергий тел называется полной механической энергией. Поэтому закон сохранения энергии можно сформулировать так: полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения и упругости, остается постоянной.
Основное содержание закона сохранения энергии заключается не только в установлении факта сохранения полной механической энергии, но и в установлении возможности взаимных превращений кинетической и потенциальной энергий в равной количественной мере при взаимодействии тел.
Закон сохранения полной механической энергии в процессах с участием сил упругости и гравитационных сил является одним из основных законов механики. Знание этого закона упрощает решение многих задач, имеющих большое значение в практической жизни.
Например, для получения электроэнергии широко используется энергия рек. С этой целью строят плотины, перегораживают реки. Под действием сил тяжести вода из водохранилища за плотиной движется вниз по колодцу ускоренно и приобретает некоторую кинетическую энергию. При столкновении быстро движущегося потока воды с лопатками гидравлической турбины происходит преобразование кинетической энергии поступательного движения воды в кинетическую энергию вращательного движения роторов турбины, а затем с помощью электрического генератора — в электрическую энергию.
Механическая энергия не сохраняется, если между телами действуют силы трения. Автомобиль, двигавшийся по горизонтальному участку дороги после выключения двигателя, проходит некоторый путь и под действием сил трения останавливается. Во время торможения автомобиля произошло нагревание тормозных колодок, шин автомобиля и асфальта. В результате действия сил трения кинетическая энергия автомобиля не исчезла, а превратилась во внутреннюю энергию теплового движения молекул.
Таким образом, при любых физических взаимодействиях энергия не возникает, а только превращается из одной формы в другую. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения и превращения энергии.
Источники энергии на земле велики и разнообразны. Когда-то в древности люди знали только один источник энергии — мускульную силу и силу домашних животных. Энергия возобновлялась за счет пищи. Теперь большую часть работы делают машины, источником энергии для них служат различные виды ископаемого топлива: каменный уголь, торф, нефть, а также энергия воды и ветра.
Если проследить «родословную» всех этих разнообразных видов энергии, то окажется, что все они являются энергией солнечных лучей. Энергия окружающего нас космического пространства аккумулируется Солнцем в виде энергии атомных ядер, химических элементов, электромагнитных и гравитационных полей. Солнце, в свою очередь, обеспечивает Землю энергией, проявляющейся в виде энергии ветра и волн, приливов и отливов, в форме геомагнетизма, различного вида излучений (в том числе и радиоактивности недр и т.д.), мускульной энергии животного мира.
Геофизическая энергия высвобождается в виде природных стихийных явлений (вулканизм, землетрясения, грозы, цунами и т.д.), обмена веществ в живых организмах (составляющих основу жизни), полезной работы по перемещению тел, изменению их структуры, качества, передачи информации, запасения энергии в различного рода аккумуляторах, конденсаторах, в упругой деформации пружин, мембран.
Любые формы энергии, превращаясь друг в друга посредством механического движения, химических реакций и электромагнитных излучений, в конце концов переходят в тепло и рассеиваются в окружающее пространство. Это явление проявляется в виде взрывных процессов, горения, гниения, плавления, испарения, деформации, радиоактивного распада. Происходит круговорот энергии в природе, характеризующийся тем, что в космическом пространстве реализуется не только хаотизация, но и обратный ей процесс — упорядочивание структуры, которые наглядно прослеживаются прежде всего в звездообразовании, трансформации и возникновении новых электромагнитных и гравитационных полей, и они снова несут свою энергию новым «солнечным системам». И все возвращается на круги своя.
Закон сохранения механической энергии был сформулирован немецким ученым А. Лейбницем. Затем немецкий ученый Ю.Р. Майер, английский физик Дж. Джоуль и немецкий ученый Г. Гельмгольц экспериментально открыли законы сохранения энергии в немеханических явлениях.
Таким образом, к середине XIX в. оформились законы сохранения массы и энергии, которые трактовались как законы сохранения материи и движения. В начале XX в. оба эти закона сохранения подверглись коренному пересмотру в связи с появлением специальной теории относительности: при описании движений со скоростями, близкими к скорости света, классическая ньютоновская механика была заменена релятивистской механикой. Оказалось, что масса, определяемая по инерциальным свойствам тела, зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только количество материи, но и ее движение. Понятие энергии тоже подверглось изменению: полная энергия оказалась пропорциональна массе (Е = mс2). Таким образом, закон сохранения энергии в специальной теории относительности естественным образом объединил законы сохранения массы и энергии, существовавшие в классической механике. По отдельности эти законы не выполняются, т.е. невозможно охарактеризовать количество материи, не принимая во внимание ее движение и взаимодействие.
Эволюция закона сохранения энергии показывает, что законы сохранения, будучи почерпнутыми из опыта, нуждаются, время от времени в экспериментальной проверке и уточнении. Нельзя быть уверенным, что с расширением пределов человеческого познания данный закон или его конкретная формулировка останутся справедливыми. Закон сохранения энергии, все более уточняясь, постепенно превращается из неопределенного и абстрактного высказывания в точную количественную форму.
8. Законы сохранения в микромире
[6] Большую роль законы сохранения играют в квантовой теории, в частности, в физике элементарных частиц. Законы сохранения определяют правила отбора, нарушение которых привело бы к нарушению законов сохранения. В дополнение к перечисленным законам сохранения, имеющим место в физике макроскопических тел, в теории элементарных частиц возникло много специфических законов сохранения, позволяющих интерпретировать наблюдающиеся на опыте правила отбора. Таков, например, закон сохранения барионного или ядерного заряда, выполняющегося при всех видах взаимодействий. Согласно ему, ядерное вещество сохраняется: разность между числом тяжелых частиц (барионов) и числом их античастиц не изменяется при любых процессах. Легкие элементарные частицы — лептоны (электроны, нейтрино и т.д.) также сохраняются.
Существуют и приближенные законы сохранения, выполняющиеся в одних процессах и нарушающиеся в других. Такие законы сохранения имеют смысл, если можно указать класс процессов, в которых они выполняются. Например, законы сохранения странности, изотопического спина, четности строго выполняются в процессах, протекающих за счет сильного взаимодействия, но нарушаются в процессах слабого взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие нарушает закон сохранения изотопического спина. Таким образом, исследования элементарных частиц вновь напомнили о необходимости проверять существующие законы сохранения в каждой области явлений. Проводятся сложные эксперименты, имеющие целью обнаружить возможные слабые нарушения законов сохранения в микромире.
Проверка механических законов сохранения есть проверка соответствующих фундаментальных свойств пространства — времени. Долгое время считали, что кроме перечисленных элементов симметрии (сохранение энергии связано с однородностью времени, сохранение импульса — с однородностью пространства), пространство — время обладает зеркальной симметрией, т.е. инвариантностью относительно пространственной инверсии. Тогда должна была бы сохраняться четность. Однако в 1857 г. было экспериментально обнаружено несохранение четности в слабом взаимодействии, поставившее вопрос о пересмотре взглядов на симметрию пространства — времени и фундаментальных законов сохранения (в частности, на законы сохранения энергии и импульса).
Литература
1. Очерки по истории русской ботаники, М., 1947;
2. Русские ботаники. Биографо-библиографический словарь, сост. С. Ю. Липшиц, т. 1--4, М., 1947--1956;
3. Базилевская Н. А., Мейер К. И., Станков С. С., Щербакова А. А. Выдающиеся отечественные ботаники. М.: Гос. учебно-пед. изд-во Мин. просв. РСФСР, 1957
4. Развитие биологии в СССР, М., 1967, с. 21--158, 695--709;
5. Базилевская Н. А., Белоконь И. П., Щербакова А. А., Краткая история ботаники, М., 1968;
6.Концепции современного естествознания. Горбачев В.В. (2005, 672с.)
7. Закономерности окружающего мира. ( В 3-х книгах ) Тарасов Л.В. (2004)
[1] Систематика - это наука, изучающая многообразие организмов на Земле, их классификацию и эволюционные взаимоотношения.
[2] Структура - совокупность устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т, е. сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.
[3] АРИСТОТЕЛЬ Стагирит (384-322 до н.э.) — великий древнегреческий философ и ученый, ученик Платона, основатель Перипатетической школы
[4] Индивидуальность - (от лат. individuum — неделимое), неповторимое своеобразие какого-либо явления, отдельного существа, человека.
[5] Синонимы - (от греч. synonymos — одноимённый), слова, относящиеся к одной части речи, значения которых содержат тождественные элементы; различающиеся элементы этих значений устойчиво нейтрализуются в определённых позициях
[6] Геснер (Gesner) Конрад (26.3.1516, Цюрих, - 13.12.1565, там же), швейцарский естествоиспытатель, филолог и библиограф. С 1537 профессор в Лозанне, с 1541 врач в Цюрихе, где умер от чумы.
[7] Эволюция - Развитие, процесс изменения кого-чего-н. от одного состояния к другому.
[8] Классификация - Отнесение объектов, элементов некоторого множества к тому или иному классу.
[9] Явление беспорядочного случайного поведения элементов некоторые системы называют хаосом.
[10] Фалес (Thales) (около 625–547 до н. э.), древнегреческий философ, родоначальник антич. и вообще европ. философии и науки, основатель милетской школы.
[11] Бердяев Николай Александрович (1874, Киев — 1948, Кламар, близ Парижа), философ, публицист.
