Контрольная работа по КСЕ

Подождите немного. Документ загружается.

По дисциплине: «Концепции современного естествознания»

Пермь 2008

1. Специальная и общая теории относительности А. Эйнштейна.

Принцип относительности – фундаментальный физический закон, согласно

которому любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной

системе, находящейся в состоянии покоя, и в такой же системе в состоянии

равномерного прямолинейного движения. Состояния движения или покоя

определяются по отношению к произвольно выбранной инерциальной системе

отсчета. Принцип относительности лежит в основе специальной теории

относительности А. Эйнштейна.

Существует фактически две различных теории относительности, известных

в физике, одна из них называется специальной (частной), теорией

относительности, другая – общей теорией относительности. Альберт Эйнштейн

предложил первую из них в 1905 г., вторую - в 1916 г. Принимая во внимание,

что специальная теория относительности связана, в первую очередь, с

электрическими и магнитными явлениями и с их распространением в

пространстве и времени, общая теория относительности была разработана,

прежде всего, чтобы иметь дело с тяготением.

Известность Эйнштейну принесла специальная теория относительности,

изложенная им впервые в 1905 г. в статье «К электродинамике движущихся

тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель,

если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. Будучи

студентом, Эйнштейн изучал труды Максвелла, был убежден в существовании

всепроникающего эфира и размышлял о том, как на него действуют различные

поля (в частности, магнитное) и как можно экспериментально обнаружить

движение относительно эфира. Теперь Эйнштейн решительно отверг

концепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всех

инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный

рамками механики. Исходя из невозможности обнаружить абсолютное

движение, Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем

отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, делавших излишней

гипотезу о существовании эфира, которые составили основу обобщенного

принципа относительности:

1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной

системе отчета и не должны меняться при преобразованиях Лоренца;

2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той

же скоростью, независимо от движения источника.

Эйнштейн выдвинул парадоксальный постулат, что скорость света для всех

наблюдателей, как бы они ни двигались, одинакова. Этот постулат (при

выполнении дополнительных условий) приводит к полученным ранее Х.

Лоренцем формулам, а именно (x'= g(x-vt); y'= y; z'=z; t'=g(t-vx/c2), где g = (1-

v2/ c2)-1/2, а с - скорость света в вакууме), формулам для преобразований

координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчета в

другую, движущуюся относительно первой. Но Лоренц рассматривал эти

преобразования как вспомогательные, или фиктивные, не имеющие

непосредственного отношения к реальному пространству и времени. Эйнштейн

понял реальность этих преобразований, в частности, реальность

относительности одновременности.

Таким образом, принцип относительности, установленный для механики

еще Галилеем, был распространен на электродинамику и другие области

физики. Это привело, в частности, к установлению важного универсального

соотношения между массой М, энергией Е и импульсом Р: E2 = М2c4 + P2с2

(где с - скорость света), которое можно назвать одной из теоретических

предпосылок использования внутриядерной энергии.

В результате совместных усилий Эйнштейна и его бывшего студенческого

товарища М. Гроссмана в 1912 г. на свет появляется статья «Набросок

обобщенной теории относительности», а окончательная формулировка теории

датируется 1915 г. Эта теория, по мнению многих ученых, явилась самым

значительным и самым красивым теоретическим построением за всю историю

физики.

Ответ, предложенный Эйнштейном, был ошеломляюще неожиданным: в

роли такого посредника выступала сама «геометрия» пространства - времени.

Любое массивное тело, по Эйнштейну, вызывает вокруг себя «искривление»

пространства, то есть делает его геометрические свойства иными, чем в

геометрии Евклида, и любое другое тело, движущееся в таком «искривленном»

пространстве, испытывает воздействие первого тела.

Созданная А. Эйнштейном общая теория относительности является

обобщением ньютоновской теории тяготения на основе специальной теории

относительности. В основе общей теории относительности лежит принцип

эквивалентности - локальной неразличимости сил тяготения и сил инерции,

возникающих при ускорении системы отсчета.

Теория Эйнштейна описывает тяготение как воздействие физической

материи на геометрические свойства пространства-времени; в свою очередь,

эти свойства влияют на движение материи и другие физические процессы. В

таком искривленном пространстве-времени движение тел «по инерции» (т.е.

при отсутствии внешних сил, кроме гравитационных) происходит по

геодезическим линиям, аналогичным прямым в неискривленном пространстве,

но эти линии уже искривлены. В сильном поле тяготения геометрия обычного

трехмерного пространства оказывается неевклидовой, а время течет медленнее,

чем вне поля.

Общая теория относительности привела к предсказанию эффектов

(конечной скорости изменения поля тяготения, равной скорости света в

вакууме - это изменение переносится в виде гравитационных волн;

возможности возникновения черных дыр и др.), которые вскоре получили

экспериментальное подтверждение. Она позволила также сформулировать

принципиально новые модели, относящиеся ко всей Вселенной, в том числе и

модели нестационарной (расширяющейся) Вселенной.

Теория относительности выявила ограниченность представлений

классической физики об «абсолютных» пространстве и времени,

неправомерность их обособления от движущейся материи; она дает более

точное, по сравнению с классической механикой, отображение объективных

процессов реальной действительности.

Представления о пространстве и времени составляют основу физического

миропонимания, что уже само по себе определяет значение теории

относительности. Особенно велика ее роль в физике ядра и элементарных

частиц, в том числе и для расчетов гигантских установок, которые

предназначены для потоков очень быстрых частиц, необходимых для

экспериментов, позволяющих продвинуться в изучении строения материи.

2. Самоорганизация химических систем и энергетика химических

процессов.

Понятие «самоорганизация» означает упорядоченность существования

материальных динамических, т. е. качественно изменяющихся систем. В

отличие от понятия «организация» оно отражает особенности существования

динамических систем, которые сопровождаются их восхождением на все более

высокие уровни сложности и системной упорядоченности, или материальной

организации.

Существуют два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических

систем, которые все чаще обсуждаются в естественнонаучной и философской

литературе. Это так называемые субстратный и функциональный подходы. К

первому из них относят теорию происхождения жизни с вполне определенными

особенностями вещественной основы биологических систем, т. е. со строго

определенным составом элементов-органогенов и не менее определенной

структурой входящих в живой организм химических соединений.

Рациональный результат субстратного подхода к проблеме биогенеза -

накопленная информация об отборе химических элементов и структур.

В настоящее время известно более ста химических элементов.

Большинство из них попадает в те или иные живые организмы и, так или иначе,

участвует в их жизнедеятельности. Однако основу живых систем составляют

только шесть элементов, давно получивших наименование органогенов:

углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в

организмах составляет 97,4%. За ними следуют 12 элементов, входящих в

состав многих физиологически важных компонентов биосистем. К ним

относятся натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор,

медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организмах примерно 1,6%. Можно

назвать еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании

отдельных узкоспецифических биосистем (например, водорослей, состав

которых определяется в известной мере питательной средой). Их доля в

организмах составляет около 1%. Участие всех остальных элементов в

построении биосистем практически не зафиксировано.

Картина химического мира весьма отчетливо свидетельствует об отборе

элементов. К настоящему времени известно около 8 млн. химических

соединений. Из них подавляющее большинство (около 96%) - органические

соединения, основной строительный материал которых - все те же 6-18

элементов. И как ни парадоксально, из всех остальных 95- 99 химических

элементов природа (по крайней мере, на Земле) создала лишь около 300 тыс.

неорганических соединений.

О том, как происходил отбор структур, каков его механизм, сказать

довольно трудно. Подобно тому, как из всех химических элементов только

шесть органогенов да 10-15 других элементов отобраны природой, чтобы

составить основу биосистем, так же в результате - эволюции шел тщательный

отбор и химических соединений.

Из миллионов органических соединений в построении живого организма

участвуют лишь несколько сотен; из 100 известных аминокислот в состав

белков входит только 20; лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в

основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за

наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Удивительно, что из такого узкого круга отобранных природой

органических веществ составлен трудно обозримый, многообразный мир

животных и растений. Полагают, что когда период химической подготовки -

период интенсивных и разнообразных превращений - сменился периодом

биологической эволюции, химическая эволюция словно застыла. Теперь

находят массу доказательств того, что аминокислотный состав гемоглобина

самых низших позвоночных и человека практически один и тот же; более или

менее одинаковыми остаются у разных видов растений состав ферментативных

средств, состав веществ, и т. д.

Каким образом проводилась та химическая подготовка, в результате

которой из минимума химических элементов и минимума химических

соединений образовался сложнейший высокоорганизованный комплекс -

биосистема? Химику важно это понять для того, чтобы научиться у природы

так легко и просто приспосабливать для своих нужд «менее организованные

материалы», например: синтезировать сахар, получать стереоспецифические

соединения и т. п.

В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали

резкому повышению активности и селективности действия каталитических

групп. Примером может служить система пирольных циклов в гемине,

обеспечивающая повышение активности атома железа в окислительно-

восстановительных реакциях в миллиарды раз.

Энергетика химических процессов тесно связана с законами

термодинамики. Химические реакции, протекающие с выделением энергии -

обычно в виде тепла и света, называются экзотермическими. Существуют

также эндотермические реакции, протекающие с поглощением энергии. Все

сказанное не противоречит законам термодинамики: в случае горения энергия

высвобождается одновременно с уменьшением внутренней энергии системы. В

эндотермических реакциях идет повышение внутренней энергии системы за

счет притока тепла. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции

(тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении

внутренней энергии системы. Он измеряется в килоджоулях на моль

(кДж/моль).

Частным случаем первого начала термодинамики является закон Гесса. Он

гласит, что тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного

состояния веществ и не зависит от промежуточных стадий процесса. Закон

Гесса позволяет вычислить тепловой эффект реакции в тех случаях, когда его

непосредственное измерение почему-либо неосуществимо.

3. Многообразие живых организмов, самоорганизация в природе.

Огромное многообразие видов, населяющих Землю, образовалось

благодаря постоянно возникающим в природе разнонаправленным

наследственным изменениям и естественному отбору. Способность организмов

к интенсивному размножению, и одновременное выживание немногих особей

привели к мысли о наличии между ними борьбы за существование, следствием

которой является выживание организмов, наиболее приспособленных к

конкретным условиям среды и вымиранию неприспособленных.

Образование новых видов начинается в популяциях, насыщенных

постоянно возникающими мутациями, которые при свободном скрещивании

приводят к изменениям генотипов и фенотипов. Изменение условий

существования ведет к расхождению признаков среди особей данной

популяции, к дивергенции. Исходная популяция образует группу форм,

имеющих различную степень отклонений признаков. Отдельные организмы с

измененными признаками способны осваивать новые места обитания,

увеличивать свою численность. При движущем отборе наибольшие

возможности выжить и оставить плодовитое потомство имеют особи с

крайними, контрастными отклонениями. Промежуточные формы больше

контактируют и быстрее вымирают. Так в исходной популяции возникают

новые группы особей, из которых вначале образуются новые популяции, а

затем, при последующей дивергенции, новые подвиды и виды. Принцип

дивергенции объясняет происхождение многообразия жизненных форм.

В настоящее время для исследования процессов самоорганизации (под

самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой

неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам

организации) в открытых нелинейных системах формируется новое научное

направление, которое получило наименование «синергетика». Термин

синергетика ввел немецкий ученый Г. Хакен. Буквально он означает «теория

совместного действия». Синергетика являет собой новый этап изучения

сложных систем, продолжающий и дополняющий кибернетику и общую теория

систем.

Если кибернетика занимается проблемой поддержания устойчивости путем

использования отрицательной обратной связи, а общая теория систем –

принципами их организации (дискретностью, иерархичностью и т.п.), то новая

наука фокусирует своё внимание на неравновесности, нестабильности как

естественном состоянии открытых нелинейных систем, на множественности и

неоднозначности путей их эволюции. Синергетика исследует типы поведения

таких систем, то есть нестационарные структуры, которые возникают в них под

действием внешних воздействий или из-за внутренних факторов (флуктуаций).

Направление, называемое «синергетикой», в фокусе внимания которого

оказываются сложные системы с самоорганизующимися процессами, системы,

в которых эволюция протекает от хаоса к порядку, от симметрии к все

возрастающей сложности.

В современной науке «порядок» и «хаос» - вполне определенные понятия.

Насколько важно изучать хаос и переходы в это состояние из равновесия,

показывает пример энергетической катастрофы в Нью-Йорке, когда в 1977 году

из-за неожиданно возникшего дисбаланса между выработкой и потреблением

электроэнергии энергетическая система города перешла в хаотическое

состояние, ее поведение стало беспорядочным и непредсказуемым. Город

погрузился во тьму, остановились фабрики, заводы, мелкие предприятия,

поезда «подземки», застряли между этажами кабины лифтов, отключились

сложные больничные устройства, поддерживавшие жизнь больным. Огромный

город охватила паника, «физический» родил социальный.

Порядок в физических, экологических, экономических и любых других

системах может быть двух видов: равновесный и неравновесный. При

равновесном порядке система находится в равновесии со своим окружением;

параметры, которые её характеризуют, одинаковы с теми, которые

характеризуют окружающую среду. При неравновесном порядке эти

параметры различны.