Естествознание как наука
2. Целостности
– существует взаимодействие частиц с определенными состояниями физического
вакуума, частицы могут рождаться из физического вакуума.
3. Запрета
(Паули) – для фермионов: две тождественные частицы не могут находиться в одном
квантовом состоянии.
4. Тождественности
– состояния системы, полученные перестановкой тождественных частиц местами,
нельзя различить ни в каком эксперименте.
5. Симметрии
волновой функции для системы тождественных частиц – (симметрия – инвариантность
свойств системы при некоторых преобразованиях ее параметров) – существует
обменное взаимодействие между частицами (Гейзенберг).
6. Эквивалентности
– (в основе ОТО)- ускорение эквивалентно однородному полю тяготения. Следствие
– равенство инертной и гравитационной масс.
7. Соответствия
(Н.Бор) – любая неклассическая теория в предельном случае переходит в
классическую. (Пример – СТО – классическая механика).
8. Неопределенности
(В.Гейзенберг) – невозможность одновременно точного определения координаты и
импульса частицы: ?x.?px?h.
9. Дополнительности
– волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают, а дополняют
друг друга. Этот принцип утверждает зависимость описания поведения физических
объектов от условий наблюдения.
10. Суперпозиции
– два тела взаимодействуют друг с другом независимо от наличия других тел.
11. Относительности
(Галилея – в классической механике, Эйнштейна – в релятивистской): все инерциальные
системы отсчета (ИСО) равноправны относительно любых физических явлений.
Релятивистская физика отказывается от принципов механистического детерминизма.
И
другие принципы…
Лекция
6. Состояние и способы его описания
Динамические
и статистические закономерности в природе.
Понятие
состояния - центральный элемент физических теорий - совокупность данных,
характеризующих объект в данный момент времени. Для задания состояния системы
необходимо:
1) определить
параметры состояния – совокупность физических величин, описывающих явление,
2) выделить
начальные условия (параметры в начальный момент времени),
3) 3)применить
законы, описывающие эволюцию системы.
Закон
- объективная, необходимая, всеобщая повторяющаяся связь между явлениями и
событиями.
Структурность
и системность - общие свойства материи.
Структурность
– внутренняя расчлененность материи.
Системность
– организованность, упорядоченность существования материи.
Единство
структурности и системности – определяет существование мира как систему систем:
система объектов, система свойств или отношений и т.п.
Бытие
– сложноорганизованная иерархия систем, все элементы которой находятся в
закономерной связи друг с другом.
Система
- комплекс взаимодействующих элементов (неразложимых компонентов системы). По
характеру связей между элементами системы и с окружающей средой системы делятся
на:
a) суммативные
(элементы автономны) и целостные (каждый элемент зависит от целостности);
b) открытые
(обменивающиеся энергией, ве6ществом, информацией с окружающей средой) и
закрытые (элементы взаимодействуют только между собой).
Лекция
7. Законы сохранения в макропроцессах
Теорема
Нётер и законы сохранения.
В
1918 г. Эмми Нётер доказала теорему, из которой следует, что если некоторая
система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для
нее существует определенная сохраняющаяся величина. (Каждый закон сохранения
связан с какой-либо симметрией).
a. закон
сохранения энергии – следствие временной трансляционной симметрии (однородности
времени),
b. закон
сохранения импульса – трансляционной симметрии (однородности) пространства,
c. закон
сохранения момента импульса - симметрии относительно поворотов в пространстве
(изотропности пространства) и т.д.
Диссипация
энергии - (необратимый процесс) - переход энергии из одних форм в другие, более
низкие по классу (самая низкая – тепловая энергия).
Закон
сохранения и превращения энергии - всеобщий закон Природы.
В
обратимых процессах S= const, в необратимых - S^. (Отличие прошлого от будущего
).
В
равновесных состояниях S= const и max, а энергия min.
Принцип
Больцмана – любое макросостояние может быть осуществлено определенным числом
микросостояний (W).
Законы
термодинамики.
I. (Закон
сохранения энергии) ?U=Q – A (изменение внутренней энергии равно полученному
количеству теплоты минус работа системы). Первый закон не указывает направления
тепловых процессов.
II. Несколько
формулировок:
a) процесс,
единственным результатом которого было бы изъятие теплоты из резервуара,
невозможен;
b) невозможно
осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение
тепла в работу при постоянной температуре (Карно);
c) тепло
не может передаваться самопроизвольно от холодного тела к горячему;
d) энтропия
изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает.
II
закон устанавливает наличие фундаментальной асимметрии в природе -
однонаправленности самопроизвольных процессов.
III. Невозможно
достижение абсолютного нуля ( 0К = - 273,15 оС) как сверху, так и снизу.
В
18 веке произошла промышленная революция (паровые машины - Уатт, Стефенсон,
Фултон, Черепанов; цикл Карно; телеграф - Морзе).
21.Эволюционно-синергетическая
парадигма.
Синергетика
– теория самоорганизации в сложных, открытых, неравновесных и нелинейных
системах любой природы. (Совокупность идей о принципах самоорганизации и суммы
общих математических методов ее описания).
Самоорганизация
- возникновение порядка из хаоса без управляющего воздействия извне, за счет
внутренней перестройки системы – общее свойство сложных (состоящих из множества
элементов), открытых (находящихся в состоянии обмена энергией, веществом,
информацией с окружающей средой), нелинейных (описываемых нелинейными
уравнениями) и неравновесных (находящихся вдали от состояния термодинамического
равновесия) систем.
Обратная
связь – непременный атрибут самоорганизации, а именно положительная ОС
(усиливающая) – изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а
накапливаются и усиливаются, что приводит к появлению нового порядка и
структуры. Отрицательная (успокаивающая) ОС приводит к устранению внешнего
воздействия.
Эволюция
- постепенное развитие. Развитие самоорганизующейся системы проходит через
скачки (точки бифуркации, в которых имеется несколько возможных направлений
развития).
Кибернетика
(«искусство управления») – изучает системы с отрицательной ОС.
Составляющие
эволюционно-синергетической парадигмы.
a) принцип
глобального эволюционизма,
b) концепция
фундаментального единства материи,
c) представление
об универсальности алгоритма развития как проявления самоорганизации в природных
и социальных системах,
d) принцип
необратимости эволюции.
Примеры
самоорганизации в неживой природе - реакция Белоусова-Жаботинского, лазер,
сверхпроводимость. (Эффект Мейснера – явление полного вытеснения магнитного
поля из объема сверхпроводника при понижении температуры ниже критической).
22.
Связь между энтропией и информацией.
Информация
– центральное понятие кибернетики.
• одна
из сущностей мира (материя - дух - информация);
• философская
категория;
• всеобщее
свойство материи;
• сведения,
которыми обменивается система;
• система
знаков;
• мера
свободы чьего-либо выбора, логарифм доступных выборов.
Информационная
энтропия – мера неполноты информации о внутренней структуре системы.
Теорема
Шеннона - (касается передачи сигнала при наличии помех, приводящих к
искажениям), возможность восстановления сигнала зависит от скорости его
передачи, при скорости выше критической сигнал не может быть восстановлен.
Лекция
8. Современные взгляды на устройство и происхождение Вселенной.
23.Гипотезы
образования Вселенной.
1) Больцман
– флуктуационная гипотеза: на фоне всеобщей тепловой смерти появляются и
существуют отдельные миры.
2) Фридман
А.А. – Вселенная должна изменяться со временем: расширяться, сжиматься, либо
пульсировать.
3) Сахаров
А.Д. – до рождения Вселенной была антивселенная, которая сжалась в
сингулярность.
4) Бонди,
Голд, Хойл (Кэмбридж) – гипотеза «стационарной Вселенной» – идея непрерывного
творения материи.
5) В
настоящее время наиболее популярны две гипотезы: Большой Взрыв Г.Гамова и
инфляционная модель Линде и Гута. Отличаются до 10–30 секунд наличием во второй
модели стадии инфляции (раздувания).
Хаббл
обнаружил «разбегание» галактик - расширение Вселенной в настоящее время.
Фотометрический парадокс – Ж.Шеро - при бесконечности Вселенной небо должно
быть освещено равномерно.
Время
существования Вселенной – 13-20 млрд лет.
Галактики
- спиральные, эллиптические, неправильные. Наша Галактика - Млечный путь.
Квазары – ядра галактик в состоянии активности. Черные дыры- звезды, которые в
результате гравитационного коллапса сжались до такой плотности, что даже
излучение не может выйти наружу.
Лекция
9. Химические процессы
Периодический
закон Д.И.Менделеева и строение атомов.
Открыт
в 1869 г., в то время в таблице было 62 элемента. Свойства элементов находятся
в периодической зависимости от заряда их атомных ядер. Штарк – ввел понятие
валентности, связав его с числом электронов на внешнем энергетическом уровне.
Гайтлер
и Лондон – предложили модель электронного облака вокруг ядра.
Эрнест
Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома: в ядре протоны 11p
(положительно заряженные частицы) и нейтроны 01n (незаряженные частицы). Вокруг
ядра вращаются отрицательно заряженные частицы – электроны. Число протонов
равно числу электронов и равно номеру элемента в периодической таблице.
Изотопы
– совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.
Место
и роль химии в современной цивилизации.
Основные
понятия химии:
1)Молекула
– мельчайшая частица вещества, сохраняющая его индивидуальные свойства.
Молекулы состоят из атомов, связанных химическими связями. Расстояние между
атомами в молекуле 1 – 4 ангстрема (1A=10–10м). В настоящее время молекулы,
макромолекулы, монокристаллы и другие квантово-механические системы относятся к
химическим соединениям. Известно около 8 млн. химических соединений, 96% из них
– органические.
2)Типы
химических связей:
-ионная
(один атом отдает другому один или 2 электрона), например, NaCl;
-ковалентная
(возникает обобществленная пара электронов), например, Si, H2;
-водородная
(атом Н соединен ковалентной связью с другим атомом так, что его водородная
часть оказывается положительной и соединенной с третьим атомом) – самая слабая,
но наиболее распространенная в природе.
3)Принцип
Ле-Шателье: внешнее воздействие, которое выводит систему из состояния
термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на
ослабление такого влияния (это пример отрицательной ОС).
4)Валентность
– число электронов на внешнем уровне.
5)Химические
реакции – образование новых соединений из реагентов.
Время
реакции – примерно 1 фс (фемтосекунда) = 10–15с.
- экзотермические
– с выделением энергии,
- эндотермические
– с поглощением энергии,
- для
начала химической реакции необходима энергия активации;
- фотохимические
реакции – под действием света;
- цепные
реакции, которые раз начавшись, продолжаются до полного завершения (например,
фотохимическая цепная реакция:
Cl
+ H2 HCl + H,
H
+ Cl2 HCl + Cl, и т.д. )
- катализаторы
(и ингибиторы) – вещества, изменяющие скорость химических реакций, энергию
активации стараются снизить с помощью катализаторов;
- самопроизвольные
химические реакции происходят в направлении возрастания энтропии (S);
- химические
реакции возможны, если они сопровождаются уменьшением свободной энергии (F = E
– TS).
Особенность
химии – она сама создает объект своей науки.
Фундаментальные
основы современной химии:
- квантовая
механика;
- атомная
физика;
- термодинамика;
- статистическая
физика;
- физическая
кинетика.
Значение
химии в современной цивилизации. Химия связана с:
• химической
промышленностью;
• сельским
хозяйством;
• фармакологией;
• пищевой
промышленностью,
• производством
СМС, лаков и красок.
Химия
внедрилась в естественный круговорот веществ (например, ДДТ –
дихлордифенилтрихлорметилметан- (ClC6H4)2CH-CCl3).
Концептуальные
уровни современной химии.
Сложились
4 подхода к решению основной задачи – 4 концептуальных уровня химических
знаний:
1. Учение
о составе (17 – 19 в.в.) (Авогадро в 1811 г. ввел понятие «молекула» –
микрочастица, способная к самостоятельному существованию)
2. Структурная
химия (с 19 в.) (реакционная способность соединения зависит от химической
активности отдельных фрагментов; хиральность – неодинаковость свойств веществ с
левосторонней и правосторонней симметрией)
3. Учение
о химических процессах (с 1950–х г.) (область взаимного проникновения химии,
физики и биологии)
4. Эволюционная
химия (с 1970–х г.) (поиск условий, при которых в процессе химических
превращений происходит самосовершенствование катализаторов реакций; изучение
самоорганизации химических систем, происходящей в живых клетках).
Основные
направления современной химии. Химические процессы.
Химию
принято разделять на пять разделов: неорганическая, органическая, физическая,
аналитическая и химия высокомолекулярных соединений. Органическая химия – наиболее
крупный раздел химии. Еще в 1910 г. С.В.Лебедев разработал промышленный способ
получения бутадиена, а из него каучука.
В
1960-х годах было обнаружено самосовершенствование катализаторов в ходе
химических реакций.
Основная
задача современной химии – исследование генезиса (происхождения) свойств
веществ и разработка методов получения веществ с заранее заданными свойствами.
А.Е.
Арбузов: «Подражание живой природе есть химизм будущего». Основные направления
биохимии - изучение биокатализа, установление структуры и синтез витаминов,
белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков и т.д.
Новые
направления: химия экстремальных состояний (высокие температуры и давления),
плазмохимия, элионные технологии – химические процессы в электрических полях.
Сущность
химической эволюции.
В
настоящее время открыты и получены на ускорителях 118 элементов.
6
из них - органогены (основные элементы биологических систем):
C,
O, H, N, P, S. Их общая доля составляет ~ 97,4% в органических соединениях. 12
элементов
– Na, K, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Zn, Co, Mn ~ 1,6 %. Всего
~ 8 млн. химических соединений, из них только ~ 300 000 – неорганические
соединения.
На
Земле: O –47,0%, Si – 27,5%, Al – 8,8%, Fe – 4,6%, Ca –3,6%, Na - 2,6%, K
–2,5%, Mg – 2,1%. С – на 16 месте. Весовая доля C, N, P, S – 0,24 %.
Таким
образом, геохимические условия не сыграли существенной роли в отборе химических
элементов для формирования органических систем.
Принципы
отбора химических элементов:
1) способность
образовывать прочные энергоемкие химические связи;
2) лабильность(
изменчивость) образуемых химических связей.
Органоген
№1 – углерод!
В
биохимии особую роль играют три класса молекул мономеров:
Аминокислоты
(мономеры белков), нуклеотиды (мономеры нуклеиновых кислот) и моносахариды
(мономеры полисахаридов).
В
организме человека синтезируются 12 аминокислот, 8 должны поступать с пищей. Из
100 известных аминокислот только 20 входят в состав белков.
Белок
состоит из тысяч аминокислот и имеет сложную структуру.
Нуклеиновые
кислоты – ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота)
- самые крупные молекулы в живых организмах.
Роль
воды в живой материи.
Вода
имеет уникальные свойства:
- большие
поверхностное натяжение и капиллярность (так как молекулы воды притягиваются
друг к другу и к молекулам трубок);
- в
воде растворяется больше веществ, чем в любом другом растворителе (растворяет
полярные вещества);
- имеет
высокие теплопроводность, температуру плавления и температуру кипения;
- имеет
максимальную плотность при +4Со, при кристаллизации объем резко увеличивается;
- вода
– среда, в которой происходят все биохимические реакции, и их участник. Жизнь
зародилась в воде!
Лекция
10. Современные концепции развития геосферных оболочек
Внутреннее
строение и история геологического развития земли.
Происхождение
планет изучает космогония.
Гипотезы
происхождения:
- небулярные
(из тумана) - материя планет выброшена из недр Солнца ударом комет (Леклерк,
Бюффон); из космического облака - хаоса - Кант;
- ротационная
небулярная гипотеза (Кант-Лаплас): по мере вращения первичного Солнца от него
отделялись газовые кольца, которые, разрываясь, образовали планеты;
- катастрофическая
(Джинс)- массивная звезда, проходя мимо Солнца, вызвала приливные волны и
вырвала газовые струи;
- метеоритная
(О.Ю.Щмидт) – планеты образовались из метеоритов;
Гипотезы
образования горных пород и ландшафтов:
- нептуническая
(Вернер) - вначале Земля была покрыта океанами;
- плутоническая
(Геттон) – землетрясения, вулканическая деятельность;
- теория
единообразных изменений (Лайель) - геологические явления вызваны природными
факторами.
Первичная
атмосфера - CO2, NH3, CH4, пары H2O, несколько инертных газов. Резкое изменение
состава – ок.2 – 3 млрд. лет назад связано с зарождением жизни. Последние 200
млн. лет состав постоянный:
21%
O2 ,78% N2, 1% - другие вещества.
Влияние
Солнца и Луны вызывает приливы не только в жидкой, но и в твердой оболочке
Земли - в результате сутки удлиняются примерно на 0,002 с за 100 лет. 2 млрд.
лет назад сутки составляли 10 часов.
В
фанерозое (изученный период геохронологии) были две обширные платформы -
Гондвана и Лавразия (Лаврентьевский щит + Азия), около 250 млн. лет назад –
единый суперконтинент – Пангея. Сейчас примерно 15 жестких плит, 6-7 крупных.
Происходит дрейф континентов. (Тихий океан уменьшается, а Атлантический –
расширяется со скоростью несколько см в год).
Геохронология
- в 1881 г. в г.Болонья была принята геохронологическая шкала: эра, период,
эпоха, век, время. Фанерозой (570 млн.лет) – лучше изученная часть – состоит из
эр: палеозоя, мезозоя и кайнозоя. Более древняя часть – криптозой (от 570 млн.
до 3800 млн. лет назад).
Все
тела Солнечной системы состоят, в основном, из небольшого числа элементов. Все
элементы разделены на 4 группы:
• атмофильные
– склонны накапливаться в атмосфере;
• литофильные
– образуют твердую оболочку планет;
• халькофильные
– создают соединения с серой;
• сидерофильные
– способны растворяться в сплавах железа.
Страницы: 1, 2, 3, 4
|