3. Мегамир.

Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд; звезд и звездных систем-галактик.

Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка - Метагалактику. Размеры ее очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15-20 млрд. световых лет.

Понятие «Вселенная» и «Метагалактика»- очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры - как упорядоченную систему галактик.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. В основе космологических моделей Вселенной лежат определенные мировоззренческие предпосылки.

Концепции космологии.

1. Космологические модели Вселенной.

2. Происхождение и эволюция Вселенной.

3. Происхождение солнечной системы и Земли.

Современные космологические модели Вселенной.

В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной.

Классическая космология принимала следующие постулаты:

- Вселенная-это всесуществующая, «мир в целом»;

- пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов;

- пространство и время однородны и изотропны;

-Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции.

В классической космологии возникли два парадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной. Первый парадокс получил название гравитационного. Суть его заключается в том, что если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

Второй парадокс называется фотометрическим: если существует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается.

Эти парадоксы, не разрешимые в рамках классической космологии, разрешает современная космология.

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна. Модель Эйнштейна, описанная в 1917 году, оказалась не вполне удовлетворительной.

В 1922 году русский математики и геофизик А. Фридман описывает Вселенную с «расширяющимся» пространством. В 1927 году бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр представил рождение Вселенной как Большого взрыва.

В 1929 году американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скорости галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию – система галактик расширяется. Расширение Вселенной считается научно установленным фактом.

Структура Вселенной

Вселенной на самых разных уровнях присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

МЕТАГАЛАКТИКА представляет собой совокупность звездных систем – галактик, а ее структура определяется их распределением в пространстве, заполненном разреженным межгалактическим газом. Согласно современным представлениям, для метагалактики характерна ячеистая структура.

Возраст метагалактики близок к возрасту Вселенной и по современным данным, оценивается в 15 млрд. лет.

ГАЛАКТИКА – это гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно разделяются на 3 типа: эллиптические, спиральные и неправильные. Самый многочисленный вид галактик – это спиральные (к ним относится наша галактика – Млечный путь).

ЗВЕЗДЫ. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии (97 % вещества в нашей галактики сосредоточено в звездах).

Возраст звезд различен: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч – самых молодых.

Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и др. сил. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций.

Звезды проходят путь эволюции от протозвезд, слабосветящихся и с низкой температурой, к звездам – с температурой внутри в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений. В итоге на завершающем этапе эволюции звезду превращаются в инертные («мертвые»).

Звезды не существуют изолированно, а образуют системы.

СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, 9 больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотки комет и бесчисленное множество метеоритных тел.

Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения:

1). Все планеты вращаются вокруг солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости;

2). Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям;

3). Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от солнца примерно в 2 раза дальше, чем предыдущая.

Солнечная система, по оценкам ученых, образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем солнце – звезда 2-ого (или еще более позднего) поколения. Таким образом, Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущих поколений, скапливавшихся в газово - пылевых облаках. Это обстоятельство дает основание назвать Солнечную систему малой частью звездной пыли.

О происхождении о Солнечной системы существует много теорий, но не одна из них не стала общепризнанной.

. Космологические модели Вселенной.

Сейчас выдвигаются различные гипотезы и модели возникновения и эволюции Вселенной. Они обсуждаются в рамках современной космологии – науке о Вселенной как едином целом.

Коснемся в основном принципов космологии с точки зрения концепции бесконечности и конечности ее моделей.

Модели Вселенной, как и любые другие, строятся на основе тех теоретических представлений, которые существуют в данное время в космологии. Современная космология возникла после появления общей теории относительности, и ее называют релятивистской. Эмпирической базой для нее послужили открытия внегалактической астрономии, важнейшим из которых, было обнаружение явлений «разбегания галактик».

На первом этапе релятивистская космология уделяла главное внимание геометрии Вселенной, и в частности, кривизне четырехмерного пространства – времени.

Новый (второй) этап ее развития был связан с исследованиями русского ученого Александра Александровича Фридмана(1888-1925) , которому удалось впервые теоретически доказать, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. В связи с этим на первый план выдвигаются проблемы исследования расширения Вселенной и определение ее возраста по продолжительности этого расширения.

Начало третьего периода развития космологии связано с работами известного американского физика Георгия А. Гамова (1904-1968), русского по происхождению. В них исследуются физические процессы, происходившие на разных стадиях расширяющейся Вселенной.

Все эти особенности развития нашли отражение в различных моделях Вселенной. Общим для них является представление о нестационарном, изотропном и однородном характере ее моделей.

НЕСТАЦИОНАРНОСТЬ означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. «Разбегание» галактик, по-видимому, свидетельствует о ее расширении, хотя существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из фаз так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением происходит ее сжатие.

ИЗОТРОПНОСТЬ указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек и направлений, т.е. ее свойства не зависят от направления.

ОДНОРОДНОСТЬ характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной.

Последнее утверждение часто называют космологическим постулатом.

В зависимости от кривизны пространства различают:

1) открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю;

2) замкнутую модель с положительной кривизной.

Независимо от того, рассматриваются ли открытые или замкнутые модели Вселенной, все ученые сходятся в том, что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться с некоторого момента, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения.

Такая модель «горячей» Вселенной впервые была выдвинута Г.А.Гамовым и впоследствии названа СТАНДАРТНОЙ.

СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ.

Эта модель предполагает, что начальная температура внутри сингулярности превышала 10 градусов по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало шкалы отсчета соответствует -273 градусам шкалы Цельсия. Плотность материи равнялась приблизительно 10¹³ г/см³.

В подобном состоянии неизбежно должен был произойти «большой взрыв», с которым связывают начало эволюции в стандартной модели Вселенной, называемой, поэтому также моделью «большого взрыва». Предполагают, что такой взрыв произошел примерно 15-20 млрд. лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более умеренным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной.

Полагают, например, что через 0,01 секунды после взрыва плотность материи с невообразимо большой величины должна была упасть. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов).

Через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия.

Вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде РЕЛИКТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. Это явление находится в полном соответствии с моделью «горячей» Вселенной.

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших раньше симметрий на этой основе новых структур.

Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением симметрий, непосредственно следует из принципа положительной обратной связи, согласно которому неравновесность и неустойчивость, возникающая в открытой системе, со временем не ликвидируется, а наоборот, усиливается.

Предполагают, что одним из первых результатов расширения и соответственно охлаждения Вселенной было нарушение симметрии между веществом и антивеществом, а именно такими разноименно заряженными материальными частицами, как электрон и позитрон. Их взаимодействие при столкновении приводит к образованию двух фотонов.

Таким образом, между частицами происходили непрерывные столкновения, в результате чего возникали пары фотонов, а из столкновения последних – электрон и позитрон.

Иными словами, на этой стадии происходило непрерывное превращение вещества в излучение и наоборот, излучения в вещество. Вследствие этого между веществом и излучением сохранялась симметрия.

Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и соответственно понижения ее температуры. Именно на этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы – протоны и нейтроны.

Самым главным результатом этой стадии микроэволюции Вселенной было образование незначительного перевеса вещества над излучением. Из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникло то огромное богатство и разнообразие материальных образований, явлений и форм, начиная от атомов, молекул, кристаллов, минералов и кончая разнообразными горными образованиями, планетами, звездами и звездными ассоциациями, галактиками скоплениями галактик.

Процессы микроэволюции Вселенной, продолжавшиеся не менее 10 млрд. лет, привели к образованию молекул и тем самым явились предпосылкой для начала макроэволюции Вселенной, в результате которой и возникли окружающие нас макротела, разнообразие их системы вплоть до галактических. Здесь существенная роль принадлежит уже нарушению симметрий между различными физическими взаимодействиями.

Напомню, что в настоящее время различают четыре типа физических взаимодействий.

1) Гравитационные взаимодействия, т.е. силы тяготения, которые действуют на все макротела и притом на достаточно больших расстояниях. Именно они определяют движения планет, звезд, галактик и других космических систем.

2) Электромагнитные силы, которые играют решающую роль при образовании молекул, химических соединений, кристаллов и всех тел и систем, которые занимают промежуточное положение между микромиром и мегамиром.

3) Остальные два типа физических взаимодействий (ядерные и слабые) непосредственно не воспринимаются человеком, но играют существенную роль при образовании разнообразных объектов микромира.

На первоначальном этапе, когда Вселенная была достаточно горячей, ядерные силы находились в симметрии с гравитационными, а силы электромагнитного взаимодействия – со слабыми взаимодействиями.

Но благодаря разрушению симметрии между разными типами физических взаимодействий стало возможно не только возникновение микро- и макрообъектов, но также их последующая взаимосвязанная эволюция.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ.

Биологической эволюции предшествовала длительная предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни.

Началом предбиотической эволюции было постепенное возникновение молекул из неорганических. Предполагают, что по мере охлаждения Земли возникали все условия для образования сложных органических молекул из неорганических. Это могло вызвать воздействие ультрафиолетовых лучей или электрических разрядов.

Надо сказать, что существует несколько гипотез о возникновении жизни. Но многие из них являются мало обоснованными. В том числе и гипотеза 1938 года Александра Ивановича Опарина (1894-1980), которая рассматривала процесс возникновения биополимеров из мономеров, но недостаточно отводила роль среды для дальнейшей эволюции жизни.

Согласно гипотезе немецкого физика-химика Манфреда Эйгена (р.1927), процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов, являющихся материальными носителями информации, и протеинов (полипептидов), служащих катализаторами химических реакций.

В процессе взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят себя и в свою очередь передают информацию следующему за ним протеину, так что в результате возникает замкнутая автокаталитическая цепь, которую М.Эйген называет ГИПЕРЦИКЛОМ.

В ходе дальнейшей эволюции из них возникают первые живые клетки, сначала без ядер, называемые прокариотами, а затем с ядрами – эукариоты.

На предбиотической стадии эволюции до возникновения первых живых клеток, как показывают современные исследования, существовали материальные системы, обладавшие способностью к самовоспроизведению и метаболизму.

Таким образом, жизнь возникла из самоорганизации структур.

Особо следует отметить, что в ходе самоорганизации постоянно возникают МУТАЦИИ, а с ними неизбежно связан отбор.

Нельзя также не отметить, что жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции. Предполагают, что первыми стали осваивать землю растения, которые появились примерно 500 млн. лет назад. Такое предположение представляется достаточно обоснованным, т.к. именно растения способны к фотосинтезу, и, следовательно, способны накапливать энергию и отдавать в атмосферу кислород.

Спустя 50 млн. лет после растений появились первые животные – гетеротрофы, которые стали использовать растения в качестве пищи.

В результате дальнейшей эволюции из этих основных царств живых систем возникло огромное разнообразие форм и видов растений и животных.

III. / Химия и её роль в становлении естественнонаучных знаний. Химическая картина мира. Современные концепции химии.

1. система химии, логика её развития и построения.

2. открытие основных законов химии.

3. современные проблемы химии как части естествознания.

Существует множество определений химии, в которых содержится попытка в одной фразе отразить сущность данной науки – ее предмет и назначение.

В одних учебниках химию называют:

«наукой о химических элементах и их соединениях». Такого определения придерживался, в частности, и Д.И.Менделеев.

В других – химию именуют «наукой о веществах и их превращениях»; в третьих «наукой о процессах качественного превращения веществ» и т.д.

Надо сказать, что химия является не просто суммой знаний о веществах, но и высоко упорядоченной - постоянно развивающейся системой знаний.

Основанием химии, по Менделееву, является двуединая проблема:

1) получение веществ с заданными свойствами;

2) выявление способов управления свойствами вещества.

Эта проблема возникла в древности и не теряет своего значения в наши дни. Естественно, что в различные исторические эпохи она решалась по-разному, т.к. способы ее решения зависят от уровня материальной и духовной культуры общества.

Таким образом, вся история химии, все ее развитие является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы.

Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего только четыре способа решения. А эти способы решения, безусловно, зависят от свойств вещества, которые в свою очередь также зависят от четырех факторов:

1- от элементарного и молекулярного состава вещества;

2- от структуры его молекул;

3- от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;

4- от высоты химической организации вещества.

Решить названную выше проблему пытались еще в древности. Однако этот период не входит в число четырех названных способов, потому что оказался совершенно бесплодным в практическом отношении, хотя и просуществовал многие сотни лет с древности и до 17-го столетия.

За это время было предложено два принципиально разных объяснения происхождения свойств тел и их бесконечного качественного разнообразия в природе.

Демокрит, Эпикур и другие представители атомистической натурфилософии высказали гениальные догадки о том, что тела состоят из атомов различной величины и разной формы, чем и объяснялось их качественное различие.

Аристотель же и Эмпедокл объяснили все видимое разнообразие тел природы с антиатомистических позиций, т.е. посредством сочетания в теле различных элементов-стихий, или элементов-свойств: тепла и холода, сухости и влажности.

Первый по-настоящему действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине 17 века в работах английского ученого Р.Бойля (1627-1691). Исследования Р.Бойля показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких материальных элементов эти тела составлены.

Вывод этот явился принципиально новым потому, что:

1) он отверг представления об элементах-качествах, о том, что свойства определяются свойствами-стихиями;

2) он утвердил новое представление о химических элементах как простых далее неразложимых телах;

3) на основе признания материальности элементов он впервые установил общность разрозненных ранее учений Демокрита и Аристотеля. Из этого он сделал вывод о том, что наименьшей частицей простого тела является состоящая из атомов молекула.

Способ решения основной проблемы химии стал выражаться посредством схемы:

СОСТАВ-----------> СВОЙСТВА.

Этот способ положил начало учению о составе веществ, которое явилось ПЕРВЫМ УРОВНЕМ научных химических знаний и просуществовало до 1820-1830 годов.

ВТОРОЙ УРОВЕНЬ химических знаний получил название «структурная химия». Стало ясным положение о том, что свойства веществ, а следовательно и их качественное разнообразие, обусловливаются не только их составом, но еще структурой их молекул.

Второй способ решения основной проблемы химии можно изобразить схемой:

СТРУКТУРА -------------------------------->ФУНКЦИЯ

МОЛЕКУЛЫ (реакционная способность)

ЭЛЕМЕНТНЫЙ---------------------------->СВОЙСТВА

СОСТАВ ТЕЛА ТЕЛА

На втором уровне своего развития химия превратилась из науки преимущественно аналитической в науку главным образом синтетическую. Период становления структурной химии часто называют «триумфальным маршем органического синтеза».

На этом уровне развития химии возникла технология органических веществ.

Под влиянием новых требований общества и производства возник ТРЕТИЙ СПОСОБ решения проблемы химии. Его можно изобразить с помощью следующей схемы:

организация --------------------------------->производительность

процессов реактора

в реакторе

структура ----------------------------------->реакционная

молекулы способность

реагента

состав молекул------------------------------------>свойства реагента

реагента

Этот способ послужил основанием нового – ТРЕТЬЕГО УРОВНЯ химических знаний – учения о химических процессах.

Химия становится наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, но наукой о процессах и механизмах изменения вещества.

На этом уровне достижениями химии было налажено производство различных синтетических материалов, заменяющих дерево и металл; производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта, лаков, кожезаменителей, резины, различных удобрений и т.д.

В 1960-1970 годах появился следующий – четвертый – способ решения основной проблемы химии, открывающий пути использования в производстве материалов самые высокоорганизованные химические системы, какие только возможны в настоящее время.

Этот способ лег в основание ЧЕТВЕРТОГО и последнего УРОВНЯ развития химических знаний, который назван эволюционной химией. В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем.

В сущности речь идет об использовании живой природы в химии.

Весь спектр причин, обусловливающих свойства вещества, его реакционную способность, производительность реактора и поведение системы реагирующих веществ, можно изобразить следующей схемой:

самоорганизация----------------------------------- >поведение

системы системы

реагентов реагентов

организация ----------------------------------> производительность

реакционной реактора

системы

структура ________________________ реакционная

молекул способность молекул

реагента реагента

состав ________________________ свойства сырья

исходного

сырья

Четыре уровня развития химических знаний принято называть четырьмя концептуальными системами. Их также можно изобразить схемой, где видна определенная иерархия уровней.

4.Эволюционная химия

3.Учение о

химических

процессах

2.Структурная

химия

1.Учение

о составе

1660-е 1800-е 1950-е 1970-е - наст.время

Теперь можно подвести некоторые итоги наших рассуждений и системе химии, логике ее развития и построения. Под системой химии понимают единую целостность всех химических знаний.

Теперь, что касается основной производственной задачи химии.

Решение основной производственной задачи химии – получение вещества с заданными свойствами осуществляется:

На 1-уровне с учетом лишь одного фактора- изменения состава; на 2-уровне – с учетом двух факторов – изменения состава и структуры; на 3-уровне – многих факторов (состава, структуры, кинетических, термодинамических, гидродинамических факторов); на 4-уровне – с учетом самоорганизации реакторной системы.

Причиной строгой упорядоченности построения системы химии можно считать логику этой науки.