Беломестных В.Н., Теслева Е.П., Чинахов Д.А. Основы современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

Иногда эти методы называют вычислительным экспериментом или

имитационным математическим моделированием.

3.Частные методы – это специальные методы, действующие в

определенной области знаний. Но в развитии науки научные методы

могут переходить из одной группы методов в другую.

Статистические методы, позволяющие получить средние значе-

ния измеряемых величин для общей характеристики изучаемых явле-

ний, приобрели большое значение. Изобретение дифференциального и

интегральной исчислений Ньютоном и Лейбницем, развитие методов

статистической обработки результатов опыта способствовали освоению

приложений математики во всех областях естествознания. Была “непо-

стижима эффективность применения математики”, но по ее законам бы-

ли “на кончике пера” открыты планеты Нептун и Плутон, ток смещения

в уравнениях Максвелла

, электромагнитная природа света, нестацио-

нарность модели Вселенной А.Фридмана и обнаружение красного сме-

щения в спектрах далеких галактик и многое другое.

Развитие математики и появление ЭВМ позволили решать неверо-

ятно сложные нелинейные уравнения теории с огромным числом взаи-

мосвязанных параметров. Такие уравнения описывают сложные систе-

мы, более реальные, чем идеальные

модели классической науки. Созда-

ны совершенно новые разделы математики – кибернетика, теория ката-

строф и др. И от статических моделей систем, находящихся почти в

равновесии, переходят к моделированию сложных систем в далеких от

равновесия состояниях. Широко используются понятия случайности,

вероятности, выбора варианта развития, эволюции, скачкообразных пе-

реходов. Необратимость процессов, существование обратных связей

нелинейность стали главными доминантами современного описания

процессов.

Системный метод все шире используется, когда каждое явление

или предмет рассматривается как часть целостного организма. Взаимо-

действие частей друг с другом придает системе свойства, которых нет у

ее отдельных элементов. Это свойство систем называют эмерджентно-

стью, и оно фактически является определяющим для

системы. Все ком-

поненты системы находятся в тесной взаимосвязи. Совокупность этих

взаимосвязей и взаимодействий, обеспечивающая возникновение цело-

стных свойств всей сложной системы называют ее структурой. Выделе-

ние системы от других, с которыми она взаимодействует непосредст-

венно, приводит к понятию окружающей среды. Важное свойство сис-

тем – иерархичность любого системного образования, т.е

. существова-

ние различных взаимосвязанных структурных уровней рассмотрения

систем. Строение системы определяется ее компонентами – подсисте-

мами и элементами. Так, живой организм состоит из пищеварительной,

нервной, дыхательной и других подсистем; подсистемы – из органов,

органы – из тканей, ткани – из клеток, клетки – из молекул. По подоб-

ному иерархическому принципу построены многие системы.

Третьим важнейшим свойством систем является их открытость,

т.е. степень связанности с внешней средой. Все реальные системы

природе являются открытыми, т.е. взаимодействующими с окружающей

средой путем обмена веществом, энергией или информацией. Послед-

ний обмен имеет место в живых, социально-экономических и других

системах. При полном отсутствии связей с окружающей средой говорят

о том, что система изолирована, и никакое взаимодействие с ней невоз-

можно в принципе.

Поскольку это представление абстрактно, можно го-

ворить лишь о степени изолированности системы от окружающей сре-

ды. Если внешний мир влияет на систему, но система не откликается на

внешнее воздействие, ее называют закрытой. Полная определенность и

предсказуемость описания и поведения систем характеризуется детер-

минированностью. Это свойство является некоей удобной при расчетах

идеализацией

, поскольку все явления обладают стохастичностью (веро-

ятностным характером протекающих процессов).

Стационарность – следующее важное свойство систем. Стацио-

нарны системы, параметры которых не меняются во времени. Но таких

систем в природе тоже не бывает (за исключением внутренних областей

звезд типа черных дыр), поэтому определяют интервал времени, в тече-

ние которого система может

считаться стационарной. Большинство сис-

тем являются нестационарными. Устойчивость отражает свойство

системы возвращаться в равновесное состояние после прекращения

внешних воздействий. Это свойство может исчезать при изменении

внешних условий или самой системы. Поэтому приобрело большое зна-

чение определение границ устойчивости систем. Вблизи этих границ

система находится в неравновесном состоянии, что может служить од

ним из условий возникновения в ней перестройки и появления самоор-

ганизации и являться, в свою очередь, основой для системной эволю-

ции. При различных нестационарных процессах может проявляться

свойство систем – колебательность, или способность систем к перио-

дическому изменению своих параметров при приближении к новому со-

стоянию. В некотором роде это свойство

связано с консерватизмом сис-

тем. Свойство систем сопротивляться воздействию окружающей среды

характеризуется инерционностью. Инерционность отражает консерва-

тизм природы и присуща всем системам, хотя и в разной степени. Ме-

рой инерционности в механике служит масса, в электродинамике – ин-

дуктивность, в биологии – наследственность. Эти последние два свой-

ства выделяются как динамические среди прочих общесистемных

свойств.

Фундаментальная роль системного подхода в его междисцип-

линарности, с его помощью единство знания достигается наиболее

полно. Системный подход обеспечивает рассмотрение проблемы как бы

сверху, с более высокого уровня системной иерархии. Он дает путь ре-

шения сложной проблемы исходя из рассмотрения ее как

системы в це-

лом во взаимосвязи ее с другими проблемами и большим числом внеш-

них и внутренних связей. Это позволяет выбрать наиболее оптимальный

путь решения среди прочих, реализуя общенаучный метод дедукции –

от общего рассмотрения сложной проблемы к частному оптимальному

ее решению. Возможность использовать общий подход к процессам

управления в системах различной

природы не нова, этим занимается

кибернетика. В ней создан мощный аппарат количественного описания

процессов, основанный на методах теории информации, теории дина-

мических систем, теории алгоритмов и теории вероятностей. Рассмот-

рение управляемых систем в развитии изменило подходы к их изуче-

нию. Управляющие воздействия могут переводить управляемую систе-

му в одно из

возможных состояний, появляется выбор возможного из-

менения, а потенциальной возможностью к управлению обладают орга-

низованные системы. Так, на первый план вышли проблемы устойчиво-

сти систем, наличие прямых и обратных связей. О важности проблем

(проблем стратегических), решаемых методами системного анализа,

свидетельствует факт организации в РАН специального Института сис-

темного анализа. Использование

системного подхода не только в есте-

ствознании, но и в общественных науках имеет большое мировоззрен-

ческое значение.

Лекция №4. ПРОЦЕСС СТАНОВЛЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННО-

НАУЧНЫХ ЗНАНИЙ

Краткий определитель современных наук:

Если зеленое или извивается – это биология.

Если с резким запахом – химия.

Если не срабатывает – физика.

А.П. Кондрашов. 4048 законов жизни.

Становление естественно-научных знаний в историческом контек-

сте представляет собой многогранный процесс, изучаемый представите-

лями разных наук. В настоящей лекции мы попытаемся кратко остано-

виться только на одном аспекте данного процесса, связанного с меж-

дисциплинарными познавательными “идеалами” и внутринаучной

идеологией. В этой связи заметим, что в философско-методологической

литературе идеалы и

нормы исследовательской деятельности разделя-

ются на четыре основные группы: идеалы объяснения и описания; дока-

зательности и обоснованности знаний; строения (организации) знаний и

идеалы создания искусственных объектов с заданными свойствами. Рас-

смотрим следующие междисциплинарные влияния (“идеологии”): 1)

физико-математическая идеология в химии; 2) химические знания и

идеи в кристаллофизике и минералогии; 3) минералогический идеал

химии; 4) физико-химический идеал в биологии и биологический идеал

в химии.

4.1. Классическая (ньютонова) механика оказала большое, можно

сказать, однонаправленное воздействие на развитие химии. В период

XVIII – XIX веков от Ньютона до Менделеева механика выступала

донором, а химия акцептором идей, сложившихся в естествознании в

связи с влиянием механической идеологии. Например, небесная

механика

послужила моделью и основанием для развития

соответствующих концепций о строении микромира (планетарная

модель атома). Основной побудительной причиной активного

внедрения идей классической механики в область химического знания

(равно как и в области других знаний) явился труд И. Ньютона

“Математические начала натуральной философии” (1687 г.), в котором

взаимодействие тел объяснялось действием сил

различной природы с

обоснованием возможности их математического описания. Именно сам

Ньютон ввел в химическое знание представление о химическом

сродстве (сродством к электрону называют энергию, освобождающуюся

при присоединении к атому электрона с образованием аниона;

например, для водорода сродство к электрону составляет 71 кДж ⋅

моль

1−

, для хлора – 350 кДж ⋅ моль

1−

) как проявлении особой силы

притяжения на малых расстояниях. Механическое представление о

массе революционизировало развитие теоретической химии, всего

естествознания в целом и, по сути, явилось основой для открытия

закона сохранения вещества (1756 г. М.В. Ломоносов; 1774 г. А.Л.

Лавуазье). Как мы сейчас знаем, масса вещества сама по себе, равно как

и атомная масса сама по себе

, не является непосредственным фактором

химического движения, химических, качественных превращений

вещества (например, изотопы заметно различаясь по массе, практически

эквивалентны по своим химическим свойствам).

Действенность законов классической механики в химии, по мнению

ученых, во второй половине XIX века подтверждал закон действующих

масс (К. Гульдберг, П. Вааге) – основной закон химической кинетики.

Однако роль “действующей

массы”, как мы сейчас знаем, не сводится к

специфике химического взаимодействия, подобного тяготению, а имеет

иное объяснение: пропорциональность скорости химической реакции

массе реагентов связана со статистикой столкновений молекул – чем

больше “действующая масса”, или иными словами концентрация, тем

больше вероятность встреч частиц соответствующих реагентов и

больше скорость химической реакции.

Распространение математических

методов в химии было связано с

посреднической ролью физики (на начальных этапах механики). Идеал

математики для науки в целом пропагандировал в свое время И. Кант.

”В любом частном учении о природе, – писал великий мыслитель, –

можно найти науки в собственном смысле столько, сколько имеется в

ней математики”. Программа и методологические основания

математизации химии были предложены в 1741 г. М.В. Ломоносовым

по следующей логической схеме: химия есть наука о смешанных телах –

изменения смешанного тела происходят посредством движения – наука

о движении есть механика – механика основана на математике – химия

должна находить основания в математическом аппарате механики.

Математизация химии прошла путь от использования арифметики до

квантовых

представлений и вычислительной математики (химической

кибернетики).

Понятие “физическая химия” возникло в конце XVII века (изучение

химических явлений физическими методами).

4.2. Прикладная технологическая область взаимосвязи химии и

минералогии начала проявляться в деятельности древних металлургов.

В трактатах Бируни, Ибн Сины (Авиценны) минералы

классифицировались на камни, горючие ископаемые, соли и металлы.

Эмпирический базис для взаимодействия

химии и геологии складывался

естественным путем, в рамках различных практических технологий

переработки минеральных продуктов. Так, в XV – XVIII веках в

различных производствах, особенно в фармации, широко

использовались соли: квасцы (например, KAl(SO

)

⋅12H

O), купорос

(медный купорос CuSO

⋅5H

O), селитра (чилийская NaNO

, индийская

KNO

, норвежская Ca(NO

)

) и др. Технологический процесс

получения и очистки таких солей основывался на их кристаллизации из

растворов. Первое естественно-научное определение понятия

“кристалл” дал химик А. Любавий в своем учебнике “Алхимия”.

Минерал как продукт физико-химических процессов, происходящих

при эволюции планетарной системы, был включен со второй половины

XVIII века в программу междисциплинарных

исследований. Напомним

один из вариантов современного определения понятия “минерал”:

“Минералом называют любой гомогенный материал,

встречающийся в природе как продукт неорганических процессов;

т.е. минерал не является продуктом деятельности живых

организмов” (гомогенный материал – материал, состоящий из одной

фазы). Отметим также, что открытие химических элементов –

элементарных составляющих материальных тел, происходило во

многих

случаях в результате химических исследований минералов.

4.3. Первые продукты, приготавливаемые как аналоги

минеральным природным, были получены еще в первой половине XVIII

века: в 1735г. немецкий ученый Ф. Гофман приготовил первые

искусственные минеральные воды. Воспроизведение минералов в XIX

веке, за исключением воспроизведения драгоценных минералов,

преследовало, главным образом, научные цели. Экспериментальные

работы по искусственному синтезу

минералов (как редких, так и

драгоценных) успешно стали развиваться только в XX веке на

основании моделирования тектонических структур. Первый успешный

синтез алмазов в искусственных условиях был проведен в 1954 г. почти

одновременно в США и Швеции при давлении 50000 бар

(бар=атмосфере) и температуре 2000ºC , т.е. в условиях, близких к

естественным условиям алмазообразования

в земной коре. В настоящее

время найдены пути синтеза алмазов при более легких условиях

(давление 6000 бар, температура 300ºC). Кроме алмазов сейчас

получают сапфиры, рубины, гранаты, кварц и другие природные

материалы. При экстремальных условиях (100000 бар и 2000ºC) удалось

даже получить вещество (на основе нитрида бора – боразон),

превосходящее по твердости алмаз.

4.4. В период

алхимии, т.е. вплоть до XVI века, в качестве целевых

решались три задачи: нахождение рецепта приготовления золота

(“философского камня”), эликсира долголетия и универсального

растворителя. Из указанных задач получение эликсира долголетия на

современном языке есть не что иное как получение биологически

активного вещества. Отсюда эликсир долголетия – исторически первый

“биологический идеал” в химии, определяющий направление

деятельности химиков через натрохимию (лекарственную химию) к

биологии в целом.

Начиная с XVI века идеалы

алхимии стали вырождаться и такие

химеры как “философский камень” и универсальный растворитель были

полностью дискредитированы. Третий же идеал алхимии – эликсир

долголетия – не был дискредитирован полностью и начал

трансформироваться в сторону приготовления лекарств.

Следующий после натрохимии этап развития химии (“новая

химия”) относится к XVII – XVIII векам. Начинающийся со становления

химии газов, теории флогистона (

от греческого “флигистос” – горючий;

считалось, что во всех телах, способных гореть и окисляться,

содержится особое вещество – “флогистон”, удаляющийся из них при

горении или окислении), корпускулярных представлений, учении об

элементах, кислородной теории и т.п., этот этап характерен поворотом к

идеалам физики и особенно механики.

В первой половине XIX века в институте химии

стали зарождаться

и выделяться в качестве особых направлений электрохимия, учение о

катализе, минералогическая химия, теоретическая и другие, в том числе

органическая химия. Именно в последней сосредоточился

“биологический идеал”. Началась достаточно широкая постановка работ

по исследованию веществ животного и растительного происхождения,

особенно известных химикам органических спиртов, кислот, эфирных

масел, мочевины (главный

продукт обмена веществ в организме

человека, карбамид, (NH

)

CO). Именно кристаллы мочевины были

первым органическим веществом, полученным в искусственных

условиях методами препаративной химии (1828 г., Ф. Велер, при

нагреве цианита аммония, NH

NCO). Несомненно также, что

органическая химия – химия углерода, являясь по своей объективной

природе химией живых организмов, вне прямого и непосредственного

взаимодействия с биологией сформировала экспериментальную и

теоретическую базу для многих пограничных разделов естествознания –

биохимии, молекулярной биологии, биоорганической химии и их

прикладных разделов в сфере биотехнологии.

Вопрос о взаимосвязи химии и биологии

в области изучения

химических явлений в связи с функциями целостных живых организмов

(органов) специфичен. Взаимодействие химии и биологии в сфере

органической химии характеризуют становление непосредственного

синтеза химического и биологического знаний на молекулярном уровне.

Физиологическая химия представляет собой уже интегративную

область взаимосвязи химии и биологии. Правда в те времена (XVII –

XVIII века) организация живых организмов уподоблялась

механическим устройствам (механический метод Р. Декарта).

Более продуктивный уровень

в химии был достигнут во второй

половине XVIII века. Так, в 70 – 80-е годы А. Лавуазье установил, что

связывание “жизненного воздуха” при дыхании аналогично его

связыванию химическими веществами при окислении. В это же время

Дж. Пристли исследовал процессы связывания воздуха при дыхании и

гниении и сформулировал важное для физиологии положение: растения

выделяют

газ, способствующий горению и необходимый для животных.

В свою очередь М.В. Ломоносов (1753 г.) высказал предположение, что

растения получают питание из воздуха через листья, поскольку

массивные растения вырастают на бедном питательными веществами

песке. В это время Лавуазье определил основные элементы –

составляющие продуктов животного и растительного происхождения:

углерод, азот, водород, кислород, серу

, фосфор.

Раскрытие закономерностей молекулярных процессов,

происходящих в живой клетке (структуры ферментов, нуклеиновых

кислот, липидов, надмолекулярных образований, систем биосинтеза с

механизмами регуляции и т.п.), объективно обусловило становление в

современной химии нового “биологического идеала” – лаборатории

живой клетки. В промышленной биотехнологии, как правило,

эксплуатируется ”фабрика живой клетки” целиком, т.е. получение

полезных

биопродуктов осуществляется путем культивирования целых

клеток микроорганизмов или тканевых культур. Преимущество такого

подхода в том, что для реализации технологического процесса

необязательно знать все детали биохимии клетки. Подобные процессы

используются в настоящее время в различных областях

промышленности: фармацевтической, пищевой, текстильной, в

очистных сооружениях, в органическом синтезе, а также в научной

лабораторной практике

Биотехнология – в широком смысле – пограничная между

биологией и техникой научная дисциплина и сфера практики,

изучающая пути и методы изменения окружающей человека природной

среды в соответствии с его потребностями. Биотехнология – в узком

смысле – совокупность методов и приемов получения полезных для

человека продуктов и явлений с помощью биологических агентов. В

состав биотехнологии входят генная, клеточная и экологическая

инженерии.

Примечание: ферменты (от латинского fermentum – дрожжи,

закваска, брожение), энзимы – специфические белки, играющие роль

катализаторов, т.е. веществ, изменяющих скорость химических

процессов, протекающих в организмах (пепсин, трипсин, гиалуронидаза

и др.)

Нуклеиновые кислоты – гены, молекулы ДНК

(дезоксирибонуклеиновой кислоты), отвечающие за наследственность.

Структура молекулы ДНК

расшифрована около 50 -ти лет назад. ДНК

состоит из нуклеотидов (их несколько сот), которые удерживаются

вместе химическими связями в линейной последовательности,

называемой нуклеотидной цепью или молекулой нуклеиновой кислоты.

Каждый нуклеотид состоит из трех частей: молекулы фосфорной

кислоты, молекулы сахара (дезоксирибозы,C

) и молекулы

азотсодержащего соединения, называемого азотистым основанием.

Липиды – эргостерины, жироподобные вещества, содержащиеся в

рыбьем жире (получают из печени трески), яичных желтках, молоке и в

очень небольших количествах в других пищевых продуктах; богаты

витамином D, который необходим для предотвращения рахита.

Лекция №5. СИММЕТРИЯ И ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ

СОХРАНЕНИЯ

Природу побеждают, только повинуясь ее законам.

Бекон Ф.

Весьма важным для понимания законов природы является принцип

инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени, т. е.

параллельных переносов начала координат и начала отсчета времени.

Он формулируется так: смещение во времени и в пространстве не влия-

ет на протекание физических процессов.

Инвариантность непосредственно связана с симметрией, пред-

ставляющей собой неизменность

структуры материального объекта от-

носительно его преобразований, т. е. изменения ряда физических усло-

вий.

Многие процессы в природе имеют симметричный характер. Сим-

метричное расположение органов живых организмов, оптически актив-

ные вещества, способные поворачивать плоскость поляризации, лево-

стороннее расположение сердца и закручивание кишечника у человека,

правовращающая форма глюкозы, левовращающая – фруктозы, форма

снежинки, дождевой капли, градины и др. Наибольшей симметрией об-

ладают кристаллы (рис.5).

а) б) в)

Рис. 5. Симметрия в природе:

а) структура ДНК, б) форма снежинки, в) структура поваренной соли

Красота тесно связана с симметрией. Орнамент – наверное, самое

древнее отображение идеи симметрии, лежащей в основе многих фун-

даментальных законов. Фактически, во многих случаях законы сохране-

ния просто вытекают из принципов симметрии.