Вход
+7 831 235 38 53
Естествознание - готовые работы
2. Естествознание и его взаимодействие с гуманитарной культурой.
˙Разделение культуры на гуманитарную и естественнонаучную во многом обусловлено существованием двух основных способов процесса мышления, которые имеют физиологическую природу. Как известно, мозг человека асимметричен: правое его полушарие отвечает за образный интуитивный тип мышления, а левое - за логический тип. ˙Преобладание того или иного типа мышления часто определяет склонность человека либо к рациональному, либо к художественному типу восприятия мира. Разделение духовного и материального впервые встречается у Платона, а окончательно закрепилось после работ Р. Декарта, который разделил внутренний мир человека (сферу религии и искусства) и внешний мир (сферу изучения рациональным научным методом). ˙
Человек приобретает знание в процессе повседневного взаимодействия с различными предметами и явлениями окружающего мира. Рациональное знание относится к интеллекту, функции которого - различать, разделять, сравнивать, измерять и распределять по категориям. Оно хорошо приспособлено к формализации, ˙компактной записи и возможности трансляции, благодаря чему возникает феномен накопления, роста рационального знания увеличивающимся темпом. Таким образом, рациональный тип мышления в значительной степени формирует стереотипы и идеологию общества. ˙
Интуитивное восприятие мира, напротив, индивидуально. Интуитивное знание невозможно адекватно передать после того, как оно получено. Невозможно и объяснить, как˙ оно было получено, а также точно воспроизвести процесс его получения. Интуитивный опыт должен быть пережит индивидуально. Обычно интуитивное знание направлено на внутренний мир человека и не имеет строгих объективных критериев истинности. ˙ Однако оно обладает огромной познавательной силой, так как оно ассоциативно и метафорично. Используя принцип аналогии, оно ˙способно выходить за рамки логических конструкций и рождать новое в сфере искусства и науки. Если в русле логического мышления удается получить детерминированные следствия, не выходящие за рамки первичных посылок, то для интуиции и фантазии пределов не существует. ˙
С учетом сказанного о культуре в целом понятно, что вся наука, включая естествознание, является одной из важнейших форм культуры. А в эпоху научно-технической революции науку по праву считают ведущей формой культуры, без которой немыслимо современное производство материальных и духовных благ. ˙В ХХ в. реализуется мысль К. Маркса о том, что на определенном этапе истории возникнет такое производство, в котором создание общественного богатства начинает прямо зависеть от степени овладения человеком всеобщим общественным знанием. Наукоемкое производство требует постоянного повышения культуры труда, совершенствования профессиональной и морально-психологической подготовки специалистов. НТП создает ˙материальные предпосылки для более рационального использования свободного времени в целях физического и духовного развития личности. Вместе с этим повышается культура самого научно-исследовательского труда, усиливается связь науки с производством, техникой, другими сферами жизни общества, преодолевается профессионально-культурная замкнутость специалистов, вынужденных участвовать в решении комплексных междисциплинарных проблем. ˙
Вслед за делением культуры на материальную и духовную в ХХ в. установилось деление культур на естественнонаучную и гуманитарную. Гуманитарные науки, конечно, ˙имеют свою специфику в сравнении с естествознанием. ˙Гуманитарное знание тесно связано с герменевтикой как искусством истолкования текстов, проникновения во внутренний мир другого индивида, понимания его мыслей и переживаний. ˙Здесь познавательное отношение неотделимо от ценностного, объективное знание — от субъективно-пристрастных оценок.
˙Еще один важный аспект взаимоотношений гуманитарной и естественнонаучной отраслей культуры – это деление культуры и интеллигенции на научную и художественную. ˙Причем лишь художественную интеллигенцию принято считать творческой. С этим нельзя согласиться, так как научным исследованиям тоже несомненно присущ творческий характер. Указанные формы культуры и соответствующие группы деятелей культуры имеют определенные различия, но не настолько сильные и резкие, чтобы противопоставлять их друг другу и оправдывать реально проявляющийся отрыв их друг от друга. В своей общечеловеческой сути и основе культура едина при всем многообразии ее разновидностей. ˙
Не только в эпоху Возрождения, но и в более поздние века одни и те же творцы достигли высот и в науке, и в искусстве — Леонардо да Винчи, М.В. Ломоносов, И.-В. Гете, А.П. Бородин (ученый-химик и знаменитый композитор), И.А. Ефремов (ученый-палеонтолог и писатель). Многие ученые прошлого и настоящего были и являются знатоками искусства, некоторые оставили заметный след и в естественных, и в гуманитарных науках. П.А. Флоренского за разносторонность интересов называли Леонардо да Винчи ХХ века. А.Л. Чижевский, например, — основоположник науки о влиянии солнечных процессов на земные события, в том числе на социальные потрясения — известен и как историк. Из ныне живущих, например, академик И.Р. Шафаревич — крупнейший математик, историк, обществовед; академик Б.В. Раушенбах, один из теоретиков космонавтики, — знаток русской истории, иконописи, богословия.
Профессор-физик и поэт, автор 12 поэтических сборников В.Ф. Ноздрев составил целую книгу из поэтических произведений русских ученых (естествоиспытателей и специалистов в области техники) —
М.В. Ломоносова, декабриста Г.С. Батенькова (разностороннего специалиста — астронома, геолога, этнографа, языковеда), А.П. Бородина, Г.М. Кржижановского, Н.А. Морозова, А.П. Семенова-Тян-Шанского, В.П. Филатова, А.Л. Чижевского, А.С. Серебровского, А.Н. Несмеянова,
Д.И. Блохинцева, Н.П. Дубинина, О.К. Антонова и многих других.
˙Разделение культуры на гуманитарную и естественнонаучную во многом обусловлено существованием двух основных способов процесса мышления, которые имеют физиологическую природу. Как известно, мозг человека асимметричен: правое его полушарие отвечает за образный интуитивный тип мышления, а левое - за логический тип. ˙Преобладание того или иного типа мышления часто определяет склонность человека либо к рациональному, либо к художественному типу восприятия мира. Разделение духовного и материального впервые встречается у Платона, а окончательно закрепилось после работ Р. Декарта, который разделил внутренний мир человека (сферу религии и искусства) и внешний мир (сферу изучения рациональным научным методом). ˙
Человек приобретает знание в процессе повседневного взаимодействия с различными предметами и явлениями окружающего мира. Рациональное знание относится к интеллекту, функции которого - различать, разделять, сравнивать, измерять и распределять по категориям. Оно хорошо приспособлено к формализации, ˙компактной записи и возможности трансляции, благодаря чему возникает феномен накопления, роста рационального знания увеличивающимся темпом. Таким образом, рациональный тип мышления в значительной степени формирует стереотипы и идеологию общества. ˙
Интуитивное восприятие мира, напротив, индивидуально. Интуитивное знание невозможно адекватно передать после того, как оно получено. Невозможно и объяснить, как˙ оно было получено, а также точно воспроизвести процесс его получения. Интуитивный опыт должен быть пережит индивидуально. Обычно интуитивное знание направлено на внутренний мир человека и не имеет строгих объективных критериев истинности. ˙ Однако оно обладает огромной познавательной силой, так как оно ассоциативно и метафорично. Используя принцип аналогии, оно ˙способно выходить за рамки логических конструкций и рождать новое в сфере искусства и науки. Если в русле логического мышления удается получить детерминированные следствия, не выходящие за рамки первичных посылок, то для интуиции и фантазии пределов не существует. ˙
С учетом сказанного о культуре в целом понятно, что вся наука, включая естествознание, является одной из важнейших форм культуры. А в эпоху научно-технической революции науку по праву считают ведущей формой культуры, без которой немыслимо современное производство материальных и духовных благ. ˙В ХХ в. реализуется мысль К. Маркса о том, что на определенном этапе истории возникнет такое производство, в котором создание общественного богатства начинает прямо зависеть от степени овладения человеком всеобщим общественным знанием. Наукоемкое производство требует постоянного повышения культуры труда, совершенствования профессиональной и морально-психологической подготовки специалистов. НТП создает ˙материальные предпосылки для более рационального использования свободного времени в целях физического и духовного развития личности. Вместе с этим повышается культура самого научно-исследовательского труда, усиливается связь науки с производством, техникой, другими сферами жизни общества, преодолевается профессионально-культурная замкнутость специалистов, вынужденных участвовать в решении комплексных междисциплинарных проблем. ˙
Вслед за делением культуры на материальную и духовную в ХХ в. установилось деление культур на естественнонаучную и гуманитарную. Гуманитарные науки, конечно, ˙имеют свою специфику в сравнении с естествознанием. ˙Гуманитарное знание тесно связано с герменевтикой как искусством истолкования текстов, проникновения во внутренний мир другого индивида, понимания его мыслей и переживаний. ˙Здесь познавательное отношение неотделимо от ценностного, объективное знание — от субъективно-пристрастных оценок.
˙Еще один важный аспект взаимоотношений гуманитарной и естественнонаучной отраслей культуры – это деление культуры и интеллигенции на научную и художественную. ˙Причем лишь художественную интеллигенцию принято считать творческой. С этим нельзя согласиться, так как научным исследованиям тоже несомненно присущ творческий характер. Указанные формы культуры и соответствующие группы деятелей культуры имеют определенные различия, но не настолько сильные и резкие, чтобы противопоставлять их друг другу и оправдывать реально проявляющийся отрыв их друг от друга. В своей общечеловеческой сути и основе культура едина при всем многообразии ее разновидностей. ˙
Не только в эпоху Возрождения, но и в более поздние века одни и те же творцы достигли высот и в науке, и в искусстве — Леонардо да Винчи, М.В. Ломоносов, И.-В. Гете, А.П. Бородин (ученый-химик и знаменитый композитор), И.А. Ефремов (ученый-палеонтолог и писатель). Многие ученые прошлого и настоящего были и являются знатоками искусства, некоторые оставили заметный след и в естественных, и в гуманитарных науках. П.А. Флоренского за разносторонность интересов называли Леонардо да Винчи ХХ века. А.Л. Чижевский, например, — основоположник науки о влиянии солнечных процессов на земные события, в том числе на социальные потрясения — известен и как историк. Из ныне живущих, например, академик И.Р. Шафаревич — крупнейший математик, историк, обществовед; академик Б.В. Раушенбах, один из теоретиков космонавтики, — знаток русской истории, иконописи, богословия.
Профессор-физик и поэт, автор 12 поэтических сборников В.Ф. Ноздрев составил целую книгу из поэтических произведений русских ученых (естествоиспытателей и специалистов в области техники) —
М.В. Ломоносова, декабриста Г.С. Батенькова (разностороннего специалиста — астронома, геолога, этнографа, языковеда), А.П. Бородина, Г.М. Кржижановского, Н.А. Морозова, А.П. Семенова-Тян-Шанского, В.П. Филатова, А.Л. Чижевского, А.С. Серебровского, А.Н. Несмеянова,
Д.И. Блохинцева, Н.П. Дубинина, О.К. Антонова и многих других.
2.1. Понятие синергетики
Синергетика — это теория, исследующая процессы са¬моорганизации, устойчивости, распада и возрождения са¬мых разнообразных структур живой и неживой природы.
Синергетика стоит в одном ряду с такими дисципли¬нами, как теория систем и кибернетика, является есте¬ственным их продолжением. Как и эти науки, она пре¬тендует на статус обобщенной теории поведения систем различной природы.
Во всех рассматриваемых синергетикой системах про¬цесс самоорганизации идет обязательно с участием боль¬шого числа объектов (атомов, молекул или более слож¬ных преобразований) и, следовательно, определяется со¬вокупным, кооперативным действием. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, профессор Штутгартского универси¬тета Г. Хакен ввел специальный термин «синергетика». С одной стороны, имеется в виду сотрудничество ученых разных специальностей, разных областей знания, подо¬плекой которого выступает общность феномена самоор¬ганизации, С другой стороны, выражена суть явлений данного рода — кооперативность действий разрознен¬ных элементов, спонтанно организующихся в структуру некоторой системы.
Основатель синергетики Хакен пишет во введении к своей книге: «Я назвал эту дисциплину «синергетика» не только потому, что в ней исследуется совместное дей¬ствие многих элементов, но и потому, что для нахожде¬ния общих принципов, управляющих самоорганизаци¬ей, необходимо кооперирование многих различных дис¬циплин».
В фокусе внимания синергетики оказываются слож¬ные системы, в которых эволюция протекает от хаоса к порядку, от симметрии — ко все возрастающей слож¬ности.
2.2. Отличие синергетики от кибернетики
Первые серьезные успехи в изучении проблем разви¬тия и самоорганизации были заложены кибернетикой. Это направление имело дело прежде всего с технически¬ми управляющими и саморегулирующимися системами. В этом отношении примечательны гомеостатические си¬стемы, т.е. системы, поддерживающие свое функциони¬рование в заданном режиме. С этих позиций становятся ясными факты устойчивости и сохранения системы, но нельзя понять, как возникают новые системы.
Синергетика как новое направление междисциплинар¬ных исследований представляет собой интерес для науки в целом.
Во-первых, она представляет собой иной подход к изу¬чению процессов самоорганизации, развития различно¬го рода систем, чем кибернетика. Кибернетика ограничи¬валась анализом самоорганизующихся технических сис¬тем. Синергетика пытается раскрыть единые принципы самоорганизации в любых природных системах, т.е. как в живых, так и в неживых.
Во-вторых, принципы самоорганизации могут стать основой для создания общей концепции глобального эво¬люционизма, т.е. развития в масштабе всей Вселенной.
В-третьих, синергетика является более общей теори¬ей самоорганизации, чем теория, основанная на данных кибернетики. Обрисовывая единые механизмы структурогенеза, она становится целостной естественнонауч¬ной концепцией становления и развития материальных структур.
В-четвертых, для синергетики характерен особый под¬ход в постановке вопроса об изоморфных законах струк¬турной статики и динамики. У нее есть собственные основания для решения этого вопроса, которых нет ни у кибернетики, ни у теории систем. Это положение о когерентном, самосогласованном, самоинструктирован¬ном поведении большого ансамбля инородных объек¬тов, поставленных в определенные условия. Синергети¬ка рассматривает мир объектов, основываясь на не известном ранее моменте активности материи — «резо¬нансном возбуждении» вступающих во взаимодействие объектов.
2.3. Связь синергетики с другими науками
Процессы самоорганизации, которые изучает синерге¬тика, основываются на одном общем эффекте — способ¬ности разнокачественных единиц материи в известных условиях проявлять активность, и даже не просто актив¬ность, а своего рода двойственность, каким-то образом согласованную, протекающую по единому плану и на¬правленную в каждом конкретном случае на вполне конкретный факт структурирования или структурной трансформации.
Самоорганизующиеся системы приобретают присущие им свойства, структуры или функции и без какого бы то ни было вмешательства извне. Дифференциация клеток в биологии и рост снежинок могут в равной степени слу¬жить примерами самоорганизации. С другой стороны, такие устройства, как используемые в радиопередатчи¬ках электронные генераторы, сделаны руками человека. Однако мы часто забываем о том, что во многих случаях технические устройства функционируют на основе про¬цессов, тесно связанных с самоорганизацией. В элект¬ронном генераторе движение электронов становится ко¬герентным без воздействия извне когерентной вынуж¬денной силы. Самоустройство сконструировано так, что допускает специфические коллективные движения элек¬тронов.
В собственном смысле синергетика — это теория и методология, исследующая процессы самоорганизации. По своему рангу синергетика близка к философским на¬укам, поскольку объектом являются вопросы о том, как вообще возникают организационные структуры матери¬альных образований со всеми их функциями. Но в не меньшей мере это и мировоззренческие вопросы.
Однако проблемы, общие для философии и синерге¬тики, раскрываются в них по-разному. Синергетика выражает то же содержание, но на языке конкретных тер¬минов многих наук, использует значительный объем фак¬тологического материала целого ряда дисциплин, таких, как физика, химия, биология, общая теория вычисли¬тельных систем, экономика, социология, и не пользует¬ся абстрактно-всеобщей философской формой. Каждая из вышеперечисленных наук имеет достаточно веские ос¬нования считать синергетику своей составной частью. Но синергетика каждый раз привносит характерные особен¬ности, понятия, методы, чуждые традиционно сложив¬шимся научным направлениям.
Так, например, термодинамика действует в полную меру только в том случае, если рассматриваемые систе¬мы находятся в тепловом равновесии; термодинамика необратимых процессов применима только к системам вблизи теплового равновесия. Синергетические системы в физике, химии, биологии находятся вдали от теплово¬го равновесия и могут обнаруживать такие необычайные особенности, как колебания.
Хотя термодинамические понятия о макроскопиче¬ских переменных используются и в синергетике, такие переменные, называемые параметрами порядка, имеют совершенно иную природу, чем в термодинамике.
Таким образом, синергетика — не сумма физических идей или математических методов. Это система взгля¬дов, в которых физик, химик, биолог и математик ви¬дят свой материал. Эта наука уже сыграла роль своего рода катализатора между представителями разнообраз¬ных наук.
Синергетика — это теория, исследующая процессы са¬моорганизации, устойчивости, распада и возрождения са¬мых разнообразных структур живой и неживой природы.
Синергетика стоит в одном ряду с такими дисципли¬нами, как теория систем и кибернетика, является есте¬ственным их продолжением. Как и эти науки, она пре¬тендует на статус обобщенной теории поведения систем различной природы.
Во всех рассматриваемых синергетикой системах про¬цесс самоорганизации идет обязательно с участием боль¬шого числа объектов (атомов, молекул или более слож¬ных преобразований) и, следовательно, определяется со¬вокупным, кооперативным действием. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, профессор Штутгартского универси¬тета Г. Хакен ввел специальный термин «синергетика». С одной стороны, имеется в виду сотрудничество ученых разных специальностей, разных областей знания, подо¬плекой которого выступает общность феномена самоор¬ганизации, С другой стороны, выражена суть явлений данного рода — кооперативность действий разрознен¬ных элементов, спонтанно организующихся в структуру некоторой системы.
Основатель синергетики Хакен пишет во введении к своей книге: «Я назвал эту дисциплину «синергетика» не только потому, что в ней исследуется совместное дей¬ствие многих элементов, но и потому, что для нахожде¬ния общих принципов, управляющих самоорганизаци¬ей, необходимо кооперирование многих различных дис¬циплин».
В фокусе внимания синергетики оказываются слож¬ные системы, в которых эволюция протекает от хаоса к порядку, от симметрии — ко все возрастающей слож¬ности.
2.2. Отличие синергетики от кибернетики
Первые серьезные успехи в изучении проблем разви¬тия и самоорганизации были заложены кибернетикой. Это направление имело дело прежде всего с технически¬ми управляющими и саморегулирующимися системами. В этом отношении примечательны гомеостатические си¬стемы, т.е. системы, поддерживающие свое функциони¬рование в заданном режиме. С этих позиций становятся ясными факты устойчивости и сохранения системы, но нельзя понять, как возникают новые системы.
Синергетика как новое направление междисциплинар¬ных исследований представляет собой интерес для науки в целом.
Во-первых, она представляет собой иной подход к изу¬чению процессов самоорганизации, развития различно¬го рода систем, чем кибернетика. Кибернетика ограничи¬валась анализом самоорганизующихся технических сис¬тем. Синергетика пытается раскрыть единые принципы самоорганизации в любых природных системах, т.е. как в живых, так и в неживых.
Во-вторых, принципы самоорганизации могут стать основой для создания общей концепции глобального эво¬люционизма, т.е. развития в масштабе всей Вселенной.
В-третьих, синергетика является более общей теори¬ей самоорганизации, чем теория, основанная на данных кибернетики. Обрисовывая единые механизмы структурогенеза, она становится целостной естественнонауч¬ной концепцией становления и развития материальных структур.
В-четвертых, для синергетики характерен особый под¬ход в постановке вопроса об изоморфных законах струк¬турной статики и динамики. У нее есть собственные основания для решения этого вопроса, которых нет ни у кибернетики, ни у теории систем. Это положение о когерентном, самосогласованном, самоинструктирован¬ном поведении большого ансамбля инородных объек¬тов, поставленных в определенные условия. Синергети¬ка рассматривает мир объектов, основываясь на не известном ранее моменте активности материи — «резо¬нансном возбуждении» вступающих во взаимодействие объектов.
2.3. Связь синергетики с другими науками
Процессы самоорганизации, которые изучает синерге¬тика, основываются на одном общем эффекте — способ¬ности разнокачественных единиц материи в известных условиях проявлять активность, и даже не просто актив¬ность, а своего рода двойственность, каким-то образом согласованную, протекающую по единому плану и на¬правленную в каждом конкретном случае на вполне конкретный факт структурирования или структурной трансформации.
Самоорганизующиеся системы приобретают присущие им свойства, структуры или функции и без какого бы то ни было вмешательства извне. Дифференциация клеток в биологии и рост снежинок могут в равной степени слу¬жить примерами самоорганизации. С другой стороны, такие устройства, как используемые в радиопередатчи¬ках электронные генераторы, сделаны руками человека. Однако мы часто забываем о том, что во многих случаях технические устройства функционируют на основе про¬цессов, тесно связанных с самоорганизацией. В элект¬ронном генераторе движение электронов становится ко¬герентным без воздействия извне когерентной вынуж¬денной силы. Самоустройство сконструировано так, что допускает специфические коллективные движения элек¬тронов.
В собственном смысле синергетика — это теория и методология, исследующая процессы самоорганизации. По своему рангу синергетика близка к философским на¬укам, поскольку объектом являются вопросы о том, как вообще возникают организационные структуры матери¬альных образований со всеми их функциями. Но в не меньшей мере это и мировоззренческие вопросы.
Однако проблемы, общие для философии и синерге¬тики, раскрываются в них по-разному. Синергетика выражает то же содержание, но на языке конкретных тер¬минов многих наук, использует значительный объем фак¬тологического материала целого ряда дисциплин, таких, как физика, химия, биология, общая теория вычисли¬тельных систем, экономика, социология, и не пользует¬ся абстрактно-всеобщей философской формой. Каждая из вышеперечисленных наук имеет достаточно веские ос¬нования считать синергетику своей составной частью. Но синергетика каждый раз привносит характерные особен¬ности, понятия, методы, чуждые традиционно сложив¬шимся научным направлениям.
Так, например, термодинамика действует в полную меру только в том случае, если рассматриваемые систе¬мы находятся в тепловом равновесии; термодинамика необратимых процессов применима только к системам вблизи теплового равновесия. Синергетические системы в физике, химии, биологии находятся вдали от теплово¬го равновесия и могут обнаруживать такие необычайные особенности, как колебания.
Хотя термодинамические понятия о макроскопиче¬ских переменных используются и в синергетике, такие переменные, называемые параметрами порядка, имеют совершенно иную природу, чем в термодинамике.
Таким образом, синергетика — не сумма физических идей или математических методов. Это система взгля¬дов, в которых физик, химик, биолог и математик ви¬дят свой материал. Эта наука уже сыграла роль своего рода катализатора между представителями разнообраз¬ных наук.
Почти каждый вид состоит из различающихся по стро¬ению, но в то же время кровно родственных групп индиви¬дуумов; у многих животных личинки не только отличаются по внешнему виду, строению и физиологии, но и живут в других местах либо питаются иной пищей и имеют многие другие особенности. Также отличаются самцы и самки, а у многих видов насекомых, паразитических червей и других известны пищевые расы, живущие за счет разных кормов или по-разному размножающиеся, например, озимые и яровые расы рыб. Вид, таким образом, представляет не простое собрание одинаковых индивидуумов, а сложную систему группировок, соподчиненных, тесно связанных друг с другом и тем поддерживающих существование друг друга. Объединение разнородных индивидуумов в популяции, а различных популяций в виды создаст много преимуществ в борьбе за существование и обеспечивает более активные отношения вида к среде, поскольку здесь возникают более активные сложные формы групповой жизнедеятельности. Морфологическое разнообразие внутри вида, существова¬ние географических рас (подвидов) и биологических форм расширяют использование видом среды и имеют важное зна¬чение для успеха его борьбы с другими видами. Наконец, популяции разных видов образуют сообще¬ства (биоценозы), занимающие отдельные участки земной поверхности. В каждый биоценоз, где бы он ни находил¬ся, входят хлорофиллоносные растения, питающиеся ими растительноядные животные, хищники и паразиты, живу¬щие за счет растительноядных животных, и, наконец, мик¬роорганизмы, минерализующие трупы животных и расте¬ний. Такие сообщества представляют собой достаточно це¬лые системы, где существование одних видов без других невозможно, так как их обмен веществ приспособлен друг к другу и одни виды используют продукты метаболизма дру¬гих видов или их самих в качестве пищи. В биоценозах на основе взаимодействия составляющих их видов возникают новые формы отношений живых существ с неживой природой. Биоценозы отдельных биотопов и природных зон на основе общего круговорота веществ объединяются в единую систему − органический мир.
Все части единого органического мира отличаются не только степенью самостоятельности и автономности, но и тем, что по мере их усложнения возникают на каждой сту¬пени качественно новые, все более сложные проявления жизни, при этом углубляется и расширяется взаимодействие живого с неорганической средой.
Единство многообразной и сложно организованной живой природы выражается во взаимосвязях и взаимодей¬ствии качественно различных видов животных, растений и микроорганизмов. Эти взаимоотношения и служат осно¬вой возникновения и развития сообществ, состоящих из раз¬ных видов. Такова структура органического мира, покоя¬щаяся на основном свойстве живой материи − обмене ве¬ществ и энергии со средой.
Будучи единым целым, живая природа не представляет собой какой-то замкнутой автономной системы. Она нахо¬дится в тесном единстве и взаимодействии с окружающей ее неживой природой. Тела животных и растений состоят из тех же химических элементов, в них действуют те же хи¬мические и физические законы, которые присущи нежи¬вой природе. Неживая природа не только породила живое на определенной ступени своего развития, но и является необходимым условием его существования и развития . Су¬ществование жизни обеспечивается взаимодействием каж¬дой особи с окружающей ее абиотической и биотической сре¬дами, а также взаимоотношениями всего органического мира как целого с неживой природой. Первое исторически обусловило строение индивидуумов, их приспособленность к определенным условиям. Второе осуществляется посред¬ством определенной организации видов и образованием со¬обществ различных форм животных, растений и микроорганизмов.
Единство, тесная взаимосвязь организмов с окружаю¬щими абиотической и биотической средами нашли яркое выражение в трудах русского биолога К.Рулье, русско¬го физиолога И.М.Сеченова. Углубил эти представле¬ния о единстве организмов и среды И.В.Мичурин. «Каж¬дый организм, каждое свойство, каждый член, все внут¬ренние и наружные части всякого организма, − писал он, − обусловлены внешней обстановкой его существования. Если организация растения такова, какова она есть, то это потому, что каждая ее подробность исполняет известную функцию, возможную и нужную только при данных усло¬виях ».
Разнообразные формы животных, растений и мик¬роорганизмов отличаются друг от друга величиной, фор¬мой, строением, функциями (характером жизнедеятельно¬сти), местами обитания (географическим распространени¬ем), органическим веществом, синтезируемым с помощью хлорофилла. Помимо растений это делают бактерии − хемосинтетики, использующие при синтезе энергию химичес¬ких превращений. За счет растений живут другие организ¬мы. Животные питаются готовыми органическими веще¬ствами и являются его потребителями (консументами). На¬конец, значительная часть микроорганизмов (большая часть бактерий и низших грибов − актиномицетов) существует за счет мертвого органического вещества (трупов животных и растений), разлагая его и возвращая к исходному неорга¬ническому состоянию. Поэтому их называют разрушителями (редуцентами) органического вещества. Другие микроорганизмы ведут паразитический образ жизни, существуя за счет живых растений и животных.
Таким образом, животные, растения и микроорганиз¬мы не просто сосуществуют, а живут за счет друг друга, находятся в необходимой связи, без которой их жизнь не¬возможна. Эти связи сложились исторически в ходе разви¬тия органического мира в результате противоречий, с од¬ной стороны, между живой и неживой природой, с другой − между организмами, каждый из которых для своих партнеров представляет часть окружающей его среды, причем часть относительно более важную, нежели неорганическая природа.
2. Значение многообразия живых организмов для поддержания устойчивости экосистем
Все организмы прямо и косвенно связаны как с нежи¬вой природой, ее климатическими, географическими и дру¬гими физическими и химическими факторами, так и со сво¬ими партнерами по сообществу. В этом многообразии от¬ношений находит выражение взаимосвязь и взаимообуслов¬ленность абиотических и биотических факторов среды, воз¬действующих на всякий организм как целостная система, хотя каждый из перечисленных элементов среды в то же время самостоятелен и в определенных пределах может меняться независимо от других.
Отношения разных видов со средой всегда специфич¬ны, что и отличает их друг от друга. Каждый вид связан с определенными элементами (факторами) среды, которые могут быть безразличными или малозначительными для его соседей − других видов. Эта специфичность является пря¬мым следствием эволюции, происходящей по открытому Ч. Дарвином принципу расхождения (дивергенции) видов, каждый из которых имеет свою «экологическую нишу» в сообществе. Под экологической нишей понимают место, занимаемое данным видом в тех сообществах, куда он вхо¬дит в качествЙ^одного из членов. Это место определяется отношением к абиотическим условиям и связям данного вида с другими видами. Особенно важны пищевые связи. Опи¬раясь на них, можно выделить ниши травоядных копытных (преимущественно древоядных оленей), насекомоядных птиц, хищных птиц и т. д.
В результате объединения отдельных видов сложной си¬стемы − биоценоза − образуется единая структура органи¬ческого мира; она обладает высокой степенью слаженнос¬ти, чем и объясняется ее устойчивость. Но эти связи одно¬временно и противоречивы, что определяется характером отношений каждого со средой.
Отношения к среде отдельно взятого вида имеют одно¬сторонне необратимый характер. Вид извлекает из среды необходимые ему вещества и энергию, но возвращает их в иной, обычно измененной и непригодной для повторного использования форме. Этим вид истощает и засоряет свою среду, не восстанавливая причиненных нарушений. И если бы результаты его деятельности не ликвидировались проти¬воположно направленной восстановительной деятельностью других видов, его существование в скором времени стало бы невозможным. Так, растения, извлекая из почвы питательные вещества, обедняют ее, и, если бы не существо¬вали почвенные микроорганизмы, разлагающие мертвые тела погибших растений и животных, растительность очень скоро погибла бы.
Односторонний характер воздействия любого вида на окружающую среду и невозможность его непрерывного су¬ществования без восстановления другими видами исполь¬зованных ресурсов объясняют неизбежность возникновения и развития жизни как общего и единого круговорота веществ в биосфере. Биосфера представляет собой те части газооб¬разной, жидкой и твердой оболочек земного шара − атмос¬феры, гидросферы и литосферы, − которые заселены и преобразованы живыми существами.
Еще на заре жизни наметились два основных звена био¬генного круговорота веществ − гетеротрофного и автотрофного питания. Гетеротрофное питание означает усвоение организмами уже существующих органических веществ, а автотрофное − их синтез из веществ неживой природы. Круговорот веществ замкнулся при появлении сапрофитов, минерализующих мертвое органическое вещество и возвра¬щающих его в исходное неорганическое состояние. После¬дующий рост многообразия органического мира приводил к расширению и углублению биологического круговорота ве¬ществ. В ходе эволюции не только увеличилось многообра¬зие форм живой материи − росло число видов, усложни¬лось строение организмов. Одновременно усложнилась об¬щая структура живого покрова Земли и занимающих отдель¬ные участки земной поверхности сообществ животных, ра¬стений и микроорганизмов. Эволюция видов была нераз¬рывно связана с развитием их сообществ и тем самым − с усложнением и расширением их связей с неживой природой.
Все части единого органического мира отличаются не только степенью самостоятельности и автономности, но и тем, что по мере их усложнения возникают на каждой сту¬пени качественно новые, все более сложные проявления жизни, при этом углубляется и расширяется взаимодействие живого с неорганической средой.
Единство многообразной и сложно организованной живой природы выражается во взаимосвязях и взаимодей¬ствии качественно различных видов животных, растений и микроорганизмов. Эти взаимоотношения и служат осно¬вой возникновения и развития сообществ, состоящих из раз¬ных видов. Такова структура органического мира, покоя¬щаяся на основном свойстве живой материи − обмене ве¬ществ и энергии со средой.
Будучи единым целым, живая природа не представляет собой какой-то замкнутой автономной системы. Она нахо¬дится в тесном единстве и взаимодействии с окружающей ее неживой природой. Тела животных и растений состоят из тех же химических элементов, в них действуют те же хи¬мические и физические законы, которые присущи нежи¬вой природе. Неживая природа не только породила живое на определенной ступени своего развития, но и является необходимым условием его существования и развития . Су¬ществование жизни обеспечивается взаимодействием каж¬дой особи с окружающей ее абиотической и биотической сре¬дами, а также взаимоотношениями всего органического мира как целого с неживой природой. Первое исторически обусловило строение индивидуумов, их приспособленность к определенным условиям. Второе осуществляется посред¬ством определенной организации видов и образованием со¬обществ различных форм животных, растений и микроорганизмов.
Единство, тесная взаимосвязь организмов с окружаю¬щими абиотической и биотической средами нашли яркое выражение в трудах русского биолога К.Рулье, русско¬го физиолога И.М.Сеченова. Углубил эти представле¬ния о единстве организмов и среды И.В.Мичурин. «Каж¬дый организм, каждое свойство, каждый член, все внут¬ренние и наружные части всякого организма, − писал он, − обусловлены внешней обстановкой его существования. Если организация растения такова, какова она есть, то это потому, что каждая ее подробность исполняет известную функцию, возможную и нужную только при данных усло¬виях ».
Разнообразные формы животных, растений и мик¬роорганизмов отличаются друг от друга величиной, фор¬мой, строением, функциями (характером жизнедеятельно¬сти), местами обитания (географическим распространени¬ем), органическим веществом, синтезируемым с помощью хлорофилла. Помимо растений это делают бактерии − хемосинтетики, использующие при синтезе энергию химичес¬ких превращений. За счет растений живут другие организ¬мы. Животные питаются готовыми органическими веще¬ствами и являются его потребителями (консументами). На¬конец, значительная часть микроорганизмов (большая часть бактерий и низших грибов − актиномицетов) существует за счет мертвого органического вещества (трупов животных и растений), разлагая его и возвращая к исходному неорга¬ническому состоянию. Поэтому их называют разрушителями (редуцентами) органического вещества. Другие микроорганизмы ведут паразитический образ жизни, существуя за счет живых растений и животных.
Таким образом, животные, растения и микроорганиз¬мы не просто сосуществуют, а живут за счет друг друга, находятся в необходимой связи, без которой их жизнь не¬возможна. Эти связи сложились исторически в ходе разви¬тия органического мира в результате противоречий, с од¬ной стороны, между живой и неживой природой, с другой − между организмами, каждый из которых для своих партнеров представляет часть окружающей его среды, причем часть относительно более важную, нежели неорганическая природа.
2. Значение многообразия живых организмов для поддержания устойчивости экосистем
Все организмы прямо и косвенно связаны как с нежи¬вой природой, ее климатическими, географическими и дру¬гими физическими и химическими факторами, так и со сво¬ими партнерами по сообществу. В этом многообразии от¬ношений находит выражение взаимосвязь и взаимообуслов¬ленность абиотических и биотических факторов среды, воз¬действующих на всякий организм как целостная система, хотя каждый из перечисленных элементов среды в то же время самостоятелен и в определенных пределах может меняться независимо от других.
Отношения разных видов со средой всегда специфич¬ны, что и отличает их друг от друга. Каждый вид связан с определенными элементами (факторами) среды, которые могут быть безразличными или малозначительными для его соседей − других видов. Эта специфичность является пря¬мым следствием эволюции, происходящей по открытому Ч. Дарвином принципу расхождения (дивергенции) видов, каждый из которых имеет свою «экологическую нишу» в сообществе. Под экологической нишей понимают место, занимаемое данным видом в тех сообществах, куда он вхо¬дит в качествЙ^одного из членов. Это место определяется отношением к абиотическим условиям и связям данного вида с другими видами. Особенно важны пищевые связи. Опи¬раясь на них, можно выделить ниши травоядных копытных (преимущественно древоядных оленей), насекомоядных птиц, хищных птиц и т. д.
В результате объединения отдельных видов сложной си¬стемы − биоценоза − образуется единая структура органи¬ческого мира; она обладает высокой степенью слаженнос¬ти, чем и объясняется ее устойчивость. Но эти связи одно¬временно и противоречивы, что определяется характером отношений каждого со средой.
Отношения к среде отдельно взятого вида имеют одно¬сторонне необратимый характер. Вид извлекает из среды необходимые ему вещества и энергию, но возвращает их в иной, обычно измененной и непригодной для повторного использования форме. Этим вид истощает и засоряет свою среду, не восстанавливая причиненных нарушений. И если бы результаты его деятельности не ликвидировались проти¬воположно направленной восстановительной деятельностью других видов, его существование в скором времени стало бы невозможным. Так, растения, извлекая из почвы питательные вещества, обедняют ее, и, если бы не существо¬вали почвенные микроорганизмы, разлагающие мертвые тела погибших растений и животных, растительность очень скоро погибла бы.
Односторонний характер воздействия любого вида на окружающую среду и невозможность его непрерывного су¬ществования без восстановления другими видами исполь¬зованных ресурсов объясняют неизбежность возникновения и развития жизни как общего и единого круговорота веществ в биосфере. Биосфера представляет собой те части газооб¬разной, жидкой и твердой оболочек земного шара − атмос¬феры, гидросферы и литосферы, − которые заселены и преобразованы живыми существами.
Еще на заре жизни наметились два основных звена био¬генного круговорота веществ − гетеротрофного и автотрофного питания. Гетеротрофное питание означает усвоение организмами уже существующих органических веществ, а автотрофное − их синтез из веществ неживой природы. Круговорот веществ замкнулся при появлении сапрофитов, минерализующих мертвое органическое вещество и возвра¬щающих его в исходное неорганическое состояние. После¬дующий рост многообразия органического мира приводил к расширению и углублению биологического круговорота ве¬ществ. В ходе эволюции не только увеличилось многообра¬зие форм живой материи − росло число видов, усложни¬лось строение организмов. Одновременно усложнилась об¬щая структура живого покрова Земли и занимающих отдель¬ные участки земной поверхности сообществ животных, ра¬стений и микроорганизмов. Эволюция видов была нераз¬рывно связана с развитием их сообществ и тем самым − с усложнением и расширением их связей с неживой природой.
2. Дифракция электронов.
Де Бройль предположил, что между корпускулярными и волновыми свойствами электрона существует такая же связь, как и между соответствующими характеристиками фотонов. Де Бройль предположил, что для электрона, как и для фотона справедливо выражение:
(2.1)
(2.2)
Впоследствии оказалось что формулы (2.1) и (2.2) справедливы для любых микрочастиц и систем, состоящих из них.
Поскольку движение частиц неразрывно связано с рас¬пространением волны, было бы очень странно, если бы ма¬териальные частицы, например электроны, не проявляли интерференционных и дифракционных свойств подобно тому, как это происходит с фотонами и изучением кото¬рых занимается физическая оптика. Чтобы выяснить, ка¬кие из этих явлений можно реально наблюдать, нужно было, прежде всего, оценить длину волн, связанных с электро¬нами. Формулы волновой механики немедленно дают ответ на этот вопрос: длина волны, связанной с электронами, при обычных условиях всегда очень мала, порядка длины волны рентгеновских лучей. Поэтому можно было надеяться на¬блюдать у электронов те явления, которые происходят с рентгеновскими лучами. Фундаментальное свойство физики рентгеновских лучей – это дифракция на кристаллах. Не¬обычайно малая длина волны рентгеновских лучей почти исключает возможность использования для наблюде¬ния их дифракции приборов, сделанных руками человека. К счастью, сама природа позаботилась о том, чтобы со¬здать годные для этих целей дифракционные решетки – кристаллы.
Действительно, в кристаллах атомы и молекулы рас¬положены в правильном порядке и образуют трехмерную решетку. Причем оказалось, что расстояние между части¬цами в кристалле как раз порядка длины волны рентге¬новских лучей. Направляя пучок рентгеновских лучей на кристалл, можно получить дифракционную картину, со¬вершенно аналогичную картине дифракции обычного света на трехмерной точечной решетке.
Взяв пучок электронов с заданной кинетиче¬ской энергией, мы должны были бы наблюдать явление дифракции, такое же, как дифракция рентгеновских лучей. Поскольку структура кристаллов, применяемых в экспери¬ментах, хорошо изучена различными методами, из полученной при дифракции электронов информации можно вычислить длину волны электрона, и, сле¬довательно, подтвердить правильность соотношения.
Дэвиссону и Джермеру – сотрудникам лаборатории «Белл-телефон» в Нью-Йорке, выпала честь открытия ди¬фракции электронов на кристаллах. Бомбардируя кристалл никеля пучком моноэнергетических электронов, они твердо установили, что электроны дифрагируют как волны, и показали, что длина этих волн в точности совпадает с той, какую дают формулы волновой механики. Так было установлено существование дифракции электронов, предпо¬ложение о котором за несколько лет до этого вызывало удивление и недоверие физиков.
Повторенное почти одновременно в Англии Дж. П. Томсоном, сыном Дж. Дж. Томсона, применившим совершенно иной метод, явление дифракции электронов вскоре стали наблюдать почти во всех странах.
Как это часто бывает, явление дифракции электронов, как вначале казалось, очень трудно наблюдаемое и требу¬ющее высокого искусства экспериментатора, теперь стало относительно простым и повседневным. Приборы для на¬блюдения явления дифракции стали настолько совершенными, что сегодня это явление можно демонстрировать сту¬дентам на лекции. Наконец, условия этих экспериментов варьировались в таких широких пределах, что справедли¬вость основной формулы, выражающей соотношение между свойствами волны и характеристиками частицы, можно счи¬тать теперь доказанной во всем интервале энергий от не¬скольких эВ до миллиона эВ. Для больших значений энергии необходимо учитывать реляти¬вистские поправки. Таким образом, косвенно подтвержда¬ются и результаты теории относительности.
Справедливость формулы для длины волны, связанной с частицей, считается сегодня настолько очевидной, что яв¬ление дифракции электронов используется уже не для подтверждения этой формулы, а для изучения структуры некоторых кристаллических или частично ориентированных сред. Эксперименты по дифракции элек¬тронов дали великолепное прямое подтверждение пред¬ставления о связи волн и частиц, которое послужило исходным пунктом для создания новой механики.
Уместно отметить, что была получена дифракция не только электронов, но и других частиц. Так же, как и электроны, явление дифракции ис¬пытывают протоны и атомы. Подобные эксперименты очень сложны и не столь многочисленны, однако установлено, что даже здесь подтверждаются формулы волновой механики. Это не должно нас удивлять. Связь между волнами и ча¬стицами – это, по-видимому, великий закон природы, при¬чем такой дуализм тесно связан с существованием и внутренней сущностью кванта действия. Нет никаких причин считать, что только электроны обладают такими свойства¬ми. Неудивительно, что мы встречаемся с дуализмом вол¬на – частица при изучении всех физических объектов.
Де Бройль предположил, что между корпускулярными и волновыми свойствами электрона существует такая же связь, как и между соответствующими характеристиками фотонов. Де Бройль предположил, что для электрона, как и для фотона справедливо выражение:
(2.1)
(2.2)
Впоследствии оказалось что формулы (2.1) и (2.2) справедливы для любых микрочастиц и систем, состоящих из них.
Поскольку движение частиц неразрывно связано с рас¬пространением волны, было бы очень странно, если бы ма¬териальные частицы, например электроны, не проявляли интерференционных и дифракционных свойств подобно тому, как это происходит с фотонами и изучением кото¬рых занимается физическая оптика. Чтобы выяснить, ка¬кие из этих явлений можно реально наблюдать, нужно было, прежде всего, оценить длину волн, связанных с электро¬нами. Формулы волновой механики немедленно дают ответ на этот вопрос: длина волны, связанной с электронами, при обычных условиях всегда очень мала, порядка длины волны рентгеновских лучей. Поэтому можно было надеяться на¬блюдать у электронов те явления, которые происходят с рентгеновскими лучами. Фундаментальное свойство физики рентгеновских лучей – это дифракция на кристаллах. Не¬обычайно малая длина волны рентгеновских лучей почти исключает возможность использования для наблюде¬ния их дифракции приборов, сделанных руками человека. К счастью, сама природа позаботилась о том, чтобы со¬здать годные для этих целей дифракционные решетки – кристаллы.
Действительно, в кристаллах атомы и молекулы рас¬положены в правильном порядке и образуют трехмерную решетку. Причем оказалось, что расстояние между части¬цами в кристалле как раз порядка длины волны рентге¬новских лучей. Направляя пучок рентгеновских лучей на кристалл, можно получить дифракционную картину, со¬вершенно аналогичную картине дифракции обычного света на трехмерной точечной решетке.
Взяв пучок электронов с заданной кинетиче¬ской энергией, мы должны были бы наблюдать явление дифракции, такое же, как дифракция рентгеновских лучей. Поскольку структура кристаллов, применяемых в экспери¬ментах, хорошо изучена различными методами, из полученной при дифракции электронов информации можно вычислить длину волны электрона, и, сле¬довательно, подтвердить правильность соотношения.
Дэвиссону и Джермеру – сотрудникам лаборатории «Белл-телефон» в Нью-Йорке, выпала честь открытия ди¬фракции электронов на кристаллах. Бомбардируя кристалл никеля пучком моноэнергетических электронов, они твердо установили, что электроны дифрагируют как волны, и показали, что длина этих волн в точности совпадает с той, какую дают формулы волновой механики. Так было установлено существование дифракции электронов, предпо¬ложение о котором за несколько лет до этого вызывало удивление и недоверие физиков.
Повторенное почти одновременно в Англии Дж. П. Томсоном, сыном Дж. Дж. Томсона, применившим совершенно иной метод, явление дифракции электронов вскоре стали наблюдать почти во всех странах.
Как это часто бывает, явление дифракции электронов, как вначале казалось, очень трудно наблюдаемое и требу¬ющее высокого искусства экспериментатора, теперь стало относительно простым и повседневным. Приборы для на¬блюдения явления дифракции стали настолько совершенными, что сегодня это явление можно демонстрировать сту¬дентам на лекции. Наконец, условия этих экспериментов варьировались в таких широких пределах, что справедли¬вость основной формулы, выражающей соотношение между свойствами волны и характеристиками частицы, можно счи¬тать теперь доказанной во всем интервале энергий от не¬скольких эВ до миллиона эВ. Для больших значений энергии необходимо учитывать реляти¬вистские поправки. Таким образом, косвенно подтвержда¬ются и результаты теории относительности.
Справедливость формулы для длины волны, связанной с частицей, считается сегодня настолько очевидной, что яв¬ление дифракции электронов используется уже не для подтверждения этой формулы, а для изучения структуры некоторых кристаллических или частично ориентированных сред. Эксперименты по дифракции элек¬тронов дали великолепное прямое подтверждение пред¬ставления о связи волн и частиц, которое послужило исходным пунктом для создания новой механики.
Уместно отметить, что была получена дифракция не только электронов, но и других частиц. Так же, как и электроны, явление дифракции ис¬пытывают протоны и атомы. Подобные эксперименты очень сложны и не столь многочисленны, однако установлено, что даже здесь подтверждаются формулы волновой механики. Это не должно нас удивлять. Связь между волнами и ча¬стицами – это, по-видимому, великий закон природы, при¬чем такой дуализм тесно связан с существованием и внутренней сущностью кванта действия. Нет никаких причин считать, что только электроны обладают такими свойства¬ми. Неудивительно, что мы встречаемся с дуализмом вол¬на – частица при изучении всех физических объектов.
2. БИОЭНЕРГОИНФОРМАЦИОННЫЙ ОБМЕН
Термин биоэнергоинформатика был введен д.т.н., про¬фессором МГТУ им. Н.Э. Баумана В.Н. Волченко в 1989 г., когда им и его единомышленниками была прове¬дена первая Всесоюзная конференция по биоэнергоин-форматике в Москве.
Новое понятие — биоэнергоинформационный обмен — возникло в сфере биофизики, биоэнергетики и экологии в связи с последними достижениями в этих областях. Изучение его дало основание высказать пред¬положение об информационном единстве Вселенной, о наличии в ней «Информации — Сознания», а не только известных форм материи и энергии. Одним из элемен¬тов этой концепции выступает наличие во Вселенной некоторого общего замысла, плана. Эта гипотеза под¬тверждается современной астрофизикой, согласно ко¬торой фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант и даже формы физичес¬ких закономерностей тесно связаны с фактором струк¬турности Вселенной во всех ее масштабах и с возмож¬ностью Жизни. Иначе говоря, Вселенная такова, как это нужно ей для существования Жизни и Сознания в ней самой.
Отсюда следует второй элемент концепции биоэнерго-информатики — Вселенную нужно рассматривать как живую систему. А в живых системах фактор Сознания (информации) наряду с материей — энергией должен за¬нимать весьма существенное место. Принципы живого, как правило, связывают со вторым началом термодина¬мики. Э. Шредингер показал, что живое как бы питает¬ся отрицательной энтропией. Однако Л. Больцман пи¬сал, что «живое... борется за энтропию», но он имел в виду рост химического или структурного многообразия живого.
Причина отмеченных противоречий содержится в том, что термодинамика имеет модель «энергия—вещество» с безликими идеальными частицами — точками для тех структур, а следовательно, и не может быть того инфор¬мационного поля, которое мы вынуждены вводить. Имен¬но оно обеспечивает структурную изменчивость как жи¬вого, так и всей материи во Вселенной.
Таким образом, можно говорить о необходимости три¬единства Вселенной: материи, энергии, информации (эти вопросы еще будут затрагиваться и подробно рассматри¬ваться дальше). Но информация здесь не просто сооб¬щение, она глубоко структурирована вплоть до уровня Сознания. Исходя из этого триединства, можно по-но¬вому определить само понятие нетермодинамического равновесия в Природе.
С учетом концепций биоэнергоинформатики сфор¬мулированы основные свойства живых систем Вселенной:
избирательность информационно-энергетических вза¬имодействий (наряду с материально-энергетически¬ми), приводящих к иерархическому структурирова¬нию вещества, энергии, информации и наличию ин¬
формационно-энергетического обмена со средой;
целесообразность рассмотрения энтропии в трех со¬ставляющих: энергетической, конфигурационной и структурно-информационной вместо одной для обыч¬ных термодинамических систем;
изменчивость за счет наличия внутренних сил, само¬
произвольно реализующих состояние системы;
живые системы, изменяясь, эволюционируют. По
А. Эйнштейну, «жизни присущ элемент истории». Репродуцируемость, или же воспроизведение, упоминаемое обычно как признак живого, присуща и кос¬ной природе.
Неживые технические системы обладают высокой энергетичностью, например, лазерные технологии и термоядер¬ный синтез дают плотность мощности 1010—1020 Вт/см2. В космических лучах при столкновении частиц энергии достигают значений порядка 1012 эВ и выше. Но инфор¬мативность в перечисленных процессах невелика: десят¬ки — сотни бит. Для информативности суперкомпьюте¬ров известен предел Бреммермана — 1047 бит/с на грамм массы или 1093 бит. При переходе к живым организмам информативность, как структурное разнообразие, несом¬ненно, более высокая, но измерять ее в битах бессмыс¬ленно (хотя Д. фон Нейман дал приближенно оценку емкости человеческого мозга в 1019 Мегабайт).
В то же время энергетичность клеточных структур (по данным КВЧ-терапии ММ-радиоволнами) составляет 10-5эВ. Таким образом, структурное совершенство жи¬вых систем можно оценивать по их информационно-энергетическому показателю. В полевой форме жизни высочайшее информационно-структурное разнообразие достигается почти при нулевой энергетичности систе¬мы. Это скорее характерно для Сознания как элемента Вселенной.
Доказывать концепцию биоэнергоинформатики уже не надо. Ее надо развивать.
Термин биоэнергоинформатика был введен д.т.н., про¬фессором МГТУ им. Н.Э. Баумана В.Н. Волченко в 1989 г., когда им и его единомышленниками была прове¬дена первая Всесоюзная конференция по биоэнергоин-форматике в Москве.
Новое понятие — биоэнергоинформационный обмен — возникло в сфере биофизики, биоэнергетики и экологии в связи с последними достижениями в этих областях. Изучение его дало основание высказать пред¬положение об информационном единстве Вселенной, о наличии в ней «Информации — Сознания», а не только известных форм материи и энергии. Одним из элемен¬тов этой концепции выступает наличие во Вселенной некоторого общего замысла, плана. Эта гипотеза под¬тверждается современной астрофизикой, согласно ко¬торой фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант и даже формы физичес¬ких закономерностей тесно связаны с фактором струк¬турности Вселенной во всех ее масштабах и с возмож¬ностью Жизни. Иначе говоря, Вселенная такова, как это нужно ей для существования Жизни и Сознания в ней самой.
Отсюда следует второй элемент концепции биоэнерго-информатики — Вселенную нужно рассматривать как живую систему. А в живых системах фактор Сознания (информации) наряду с материей — энергией должен за¬нимать весьма существенное место. Принципы живого, как правило, связывают со вторым началом термодина¬мики. Э. Шредингер показал, что живое как бы питает¬ся отрицательной энтропией. Однако Л. Больцман пи¬сал, что «живое... борется за энтропию», но он имел в виду рост химического или структурного многообразия живого.
Причина отмеченных противоречий содержится в том, что термодинамика имеет модель «энергия—вещество» с безликими идеальными частицами — точками для тех структур, а следовательно, и не может быть того инфор¬мационного поля, которое мы вынуждены вводить. Имен¬но оно обеспечивает структурную изменчивость как жи¬вого, так и всей материи во Вселенной.
Таким образом, можно говорить о необходимости три¬единства Вселенной: материи, энергии, информации (эти вопросы еще будут затрагиваться и подробно рассматри¬ваться дальше). Но информация здесь не просто сооб¬щение, она глубоко структурирована вплоть до уровня Сознания. Исходя из этого триединства, можно по-но¬вому определить само понятие нетермодинамического равновесия в Природе.
С учетом концепций биоэнергоинформатики сфор¬мулированы основные свойства живых систем Вселенной:
избирательность информационно-энергетических вза¬имодействий (наряду с материально-энергетически¬ми), приводящих к иерархическому структурирова¬нию вещества, энергии, информации и наличию ин¬
формационно-энергетического обмена со средой;
целесообразность рассмотрения энтропии в трех со¬ставляющих: энергетической, конфигурационной и структурно-информационной вместо одной для обыч¬ных термодинамических систем;
изменчивость за счет наличия внутренних сил, само¬
произвольно реализующих состояние системы;
живые системы, изменяясь, эволюционируют. По
А. Эйнштейну, «жизни присущ элемент истории». Репродуцируемость, или же воспроизведение, упоминаемое обычно как признак живого, присуща и кос¬ной природе.
Неживые технические системы обладают высокой энергетичностью, например, лазерные технологии и термоядер¬ный синтез дают плотность мощности 1010—1020 Вт/см2. В космических лучах при столкновении частиц энергии достигают значений порядка 1012 эВ и выше. Но инфор¬мативность в перечисленных процессах невелика: десят¬ки — сотни бит. Для информативности суперкомпьюте¬ров известен предел Бреммермана — 1047 бит/с на грамм массы или 1093 бит. При переходе к живым организмам информативность, как структурное разнообразие, несом¬ненно, более высокая, но измерять ее в битах бессмыс¬ленно (хотя Д. фон Нейман дал приближенно оценку емкости человеческого мозга в 1019 Мегабайт).
В то же время энергетичность клеточных структур (по данным КВЧ-терапии ММ-радиоволнами) составляет 10-5эВ. Таким образом, структурное совершенство жи¬вых систем можно оценивать по их информационно-энергетическому показателю. В полевой форме жизни высочайшее информационно-структурное разнообразие достигается почти при нулевой энергетичности систе¬мы. Это скорее характерно для Сознания как элемента Вселенной.
Доказывать концепцию биоэнергоинформатики уже не надо. Ее надо развивать.
Введение.
Многие сотни и тысячи лет человечество пользовалось дарами Солнца, не задумываясь о его природе. Позже Солнце обожествляли древние египтяне, персы. Но они также мизерно мало знали о истинной природе Солнца. В те времена астрономия только зарождалась, делала первые шаги, училась измерять расстояния, предсказывать разливы рек и время солнечных и лунных затмений.
Развитие науки в Древнем мире и особенно греческой философии привело к тому, что зародилось учение о том, что звезды – это далекие солнца. Но природа и этих далеких солнц и нашего более близкого светила была не известной. Сократ сказал: «все это навсегда останется тайной для смертного и самим богам жалко смотреть на старания человека разгадать то, что они навсегда скрыли от человека…». Через две тысячи лет то же твердил и французский философ Огюст Конт: «мы ничего не можем узнать о звездах. Кроме того, что они существуют. Даже их температура навсегда останется неизвестной…». Но наука как и наш мир развивается и через сто лет все изменилось…
За последние сто лет, несмотря на пессимистические прогнозы Конта, удалось выяснить основные проблемы, что касаются природы звезд и физики процессов, которые происходят в их недрах. Астрономы шаг за шагом, постепенно, вторгаются в ту область, которая за Сократом навсегда должна быть тайной для смертного.
Целью нашей работы будет рассмотреть те физические процессы, которые являются источниками энергии звезд, рассмотреть процессы термоядерного синтеза и их виды, которые проходят в недрах звезд на разных этапах ее развития. Также рассмотрим механизмы переноса энергии к поверхности звезд, что также довольно важно при выяснении характера звезды.
Звезды вечны с точки зрения человека, но они не вечны с точки зрения самих звезд. Звезды рождаются и стареют, время жизни человека мизерно по сравнению с временем жизни самой звезды. Но при помощи математического аппарата и наблюдений вселенной астрономы смогли рассчитать модели развития звезд в зависимости от ее массы, радиуса и т.п. Поэтому в нашей работе мы рассмотрим также и процессы эволюции звезд.
. Источники энергии звезд.
На протяжении ста лет после формулирования Р. Майэром в 1842 году закона сохранения энергии высказывали много гипотез о природе источников энергии звезд, в частности была предложена гипотеза о выпадении на звезду метеорных тел, радиоактивном распаде элементов, аннигиляции протонов и электронов. Реальное значение имеют только гравитационное сжатие и термоядерный синтез.
а) гравитационное сжатие
Звезду массой т☼ и радиусом R можно характеризовать ее потенциальной энергией Е. Потенциальной, или гравитационной, энергией звезды называется работа, которую надо затратить, чтобы распылить вещество звезды на бесконечность. И наоборот, эта энергия высвобождается при сжатии звезды, т.е. при уменьшении ее радиуса. Значение этой энергии можно вычислить при помощи формулы:
Потенциальная энергия Солнца равна: Е☼= 5,9∙1041 Дж.
Теоретическое исследование процесса гравитационного сжатия звезды показало, что приблизительно половину своей потенциальной энергии звезда излучает, тогда, как вторая половина тратится на повышение температуры ее массы приблизительно до десяти миллионов кельвинов. Нетрудно, однако, убедиться, что эту энергию Солнце высветило бы за 23 млн. лет. Итак, гравитационное сжатие может быть источником энергии звезд только на некоторых, довольно кратких этапах их развития.
б) термоядерный синтез.
Теорию термоядерного синтеза сформулировали в 1938 г. немецкие физики Карл Вейцзеккер и Ганс Бете. Предпосылкой этого было, во-первых, определение в 1918 г. Ф. Астоном (Англия) массы атома гелия, который равняется 3,97 массы атома водорода, во-вторых, выявление в 1905 г. связи между массой тела т и его энергией Е в виде формулы Эйнштейна:
Е=тс2
где с – скорость света, в-третьих, выяснение в 1929 г. того, что благодаря туннельному эффекту две одинаково заряженные частицы (два протона) могут сближаться на расстояние, где превосходящей будет сила притяжения, а также открытие в 1932 г. позитрона е+ и нейтрона п.
Первой и наиболее эффективной из реакций термоядерного синтеза есть образования из четырех протонов р ядра атома гелия по схеме:
Очень важно то, что здесь возникает дефект массы: масса ядра гелия равняется 4,00389 а.е.м., тогда как масса четырех протонов 4,03252 а.е.м. За формулой Эйнштейна вычислим энергию, которая выделяется во время образования одного ядра гелия:
Нетрудно подсчитать, что если бы Солнце на начальной стадии развития состояло из одного водорода, то его превращение в гелий было бы достаточным для существования Солнца как звезды при нынешних потерях энергии около 100 млрд. лет. На самом деле же идет речь о «выгорании» около 10% водорода из глубочайших недр звезды, где температура достаточна для реакций синтеза.
Реакции синтеза гелия могут проходить двумя путями. Первый называется рр-циклом, второй – СNО-циклом. В том и другому случае дважды в каждом ядре гелия протон превращается в нейтрон по схеме:
, где V - нейтрино.
В таблице 1 указано среднее время каждой из термоядерных реакций синтеза, промежуток, за который количество исходных частичек уменьшится в е раз.
Таблица 1. Реакции синтеза гелия.
Реакция Выделяемая энергия, МэВ Среднее время реакции.
рр-цикл
1,44
5,9
12,85
14 млрд. лет
5 с
1 млн. лет
CNO-цикл
1,95
2,22
7,54
7,35
2,71
4,96
13 млн. лет
7 мин.
2,7 млн. лет
320 млн. лет
82 с
110 тыс. лет
Эффективность реакций синтеза характеризуется мощностью источника, количеством энергии, которая высвобождается в единице массы вещества за единицу времени. Из теории вытекает, что , тогда как . Граница температуры Т, выше которой главную роль сыграет не рр-, а CNO-цикл, равна 15∙106 К. В недрах Солнца основную роль сыграет рр-цикл. Именно потому, что первая из его реакций имеет очень большое характерное время (14 млрд. лет), Солнце и подобные ему звезды проходят свой эволюционный путь около десяти миллиардов лет. Для более массивных белых звезд это время у десятки и сотни раз меньше, поскольку значительно меньшим есть характерное время основных реакций CNO-цикла..
Многие сотни и тысячи лет человечество пользовалось дарами Солнца, не задумываясь о его природе. Позже Солнце обожествляли древние египтяне, персы. Но они также мизерно мало знали о истинной природе Солнца. В те времена астрономия только зарождалась, делала первые шаги, училась измерять расстояния, предсказывать разливы рек и время солнечных и лунных затмений.
Развитие науки в Древнем мире и особенно греческой философии привело к тому, что зародилось учение о том, что звезды – это далекие солнца. Но природа и этих далеких солнц и нашего более близкого светила была не известной. Сократ сказал: «все это навсегда останется тайной для смертного и самим богам жалко смотреть на старания человека разгадать то, что они навсегда скрыли от человека…». Через две тысячи лет то же твердил и французский философ Огюст Конт: «мы ничего не можем узнать о звездах. Кроме того, что они существуют. Даже их температура навсегда останется неизвестной…». Но наука как и наш мир развивается и через сто лет все изменилось…
За последние сто лет, несмотря на пессимистические прогнозы Конта, удалось выяснить основные проблемы, что касаются природы звезд и физики процессов, которые происходят в их недрах. Астрономы шаг за шагом, постепенно, вторгаются в ту область, которая за Сократом навсегда должна быть тайной для смертного.
Целью нашей работы будет рассмотреть те физические процессы, которые являются источниками энергии звезд, рассмотреть процессы термоядерного синтеза и их виды, которые проходят в недрах звезд на разных этапах ее развития. Также рассмотрим механизмы переноса энергии к поверхности звезд, что также довольно важно при выяснении характера звезды.
Звезды вечны с точки зрения человека, но они не вечны с точки зрения самих звезд. Звезды рождаются и стареют, время жизни человека мизерно по сравнению с временем жизни самой звезды. Но при помощи математического аппарата и наблюдений вселенной астрономы смогли рассчитать модели развития звезд в зависимости от ее массы, радиуса и т.п. Поэтому в нашей работе мы рассмотрим также и процессы эволюции звезд.
. Источники энергии звезд.
На протяжении ста лет после формулирования Р. Майэром в 1842 году закона сохранения энергии высказывали много гипотез о природе источников энергии звезд, в частности была предложена гипотеза о выпадении на звезду метеорных тел, радиоактивном распаде элементов, аннигиляции протонов и электронов. Реальное значение имеют только гравитационное сжатие и термоядерный синтез.
а) гравитационное сжатие
Звезду массой т☼ и радиусом R можно характеризовать ее потенциальной энергией Е. Потенциальной, или гравитационной, энергией звезды называется работа, которую надо затратить, чтобы распылить вещество звезды на бесконечность. И наоборот, эта энергия высвобождается при сжатии звезды, т.е. при уменьшении ее радиуса. Значение этой энергии можно вычислить при помощи формулы:
Потенциальная энергия Солнца равна: Е☼= 5,9∙1041 Дж.
Теоретическое исследование процесса гравитационного сжатия звезды показало, что приблизительно половину своей потенциальной энергии звезда излучает, тогда, как вторая половина тратится на повышение температуры ее массы приблизительно до десяти миллионов кельвинов. Нетрудно, однако, убедиться, что эту энергию Солнце высветило бы за 23 млн. лет. Итак, гравитационное сжатие может быть источником энергии звезд только на некоторых, довольно кратких этапах их развития.
б) термоядерный синтез.
Теорию термоядерного синтеза сформулировали в 1938 г. немецкие физики Карл Вейцзеккер и Ганс Бете. Предпосылкой этого было, во-первых, определение в 1918 г. Ф. Астоном (Англия) массы атома гелия, который равняется 3,97 массы атома водорода, во-вторых, выявление в 1905 г. связи между массой тела т и его энергией Е в виде формулы Эйнштейна:
Е=тс2
где с – скорость света, в-третьих, выяснение в 1929 г. того, что благодаря туннельному эффекту две одинаково заряженные частицы (два протона) могут сближаться на расстояние, где превосходящей будет сила притяжения, а также открытие в 1932 г. позитрона е+ и нейтрона п.
Первой и наиболее эффективной из реакций термоядерного синтеза есть образования из четырех протонов р ядра атома гелия по схеме:
Очень важно то, что здесь возникает дефект массы: масса ядра гелия равняется 4,00389 а.е.м., тогда как масса четырех протонов 4,03252 а.е.м. За формулой Эйнштейна вычислим энергию, которая выделяется во время образования одного ядра гелия:
Нетрудно подсчитать, что если бы Солнце на начальной стадии развития состояло из одного водорода, то его превращение в гелий было бы достаточным для существования Солнца как звезды при нынешних потерях энергии около 100 млрд. лет. На самом деле же идет речь о «выгорании» около 10% водорода из глубочайших недр звезды, где температура достаточна для реакций синтеза.
Реакции синтеза гелия могут проходить двумя путями. Первый называется рр-циклом, второй – СNО-циклом. В том и другому случае дважды в каждом ядре гелия протон превращается в нейтрон по схеме:
, где V - нейтрино.
В таблице 1 указано среднее время каждой из термоядерных реакций синтеза, промежуток, за который количество исходных частичек уменьшится в е раз.
Таблица 1. Реакции синтеза гелия.
Реакция Выделяемая энергия, МэВ Среднее время реакции.
рр-цикл
1,44
5,9
12,85
14 млрд. лет
5 с
1 млн. лет
CNO-цикл
1,95
2,22
7,54
7,35
2,71
4,96
13 млн. лет
7 мин.
2,7 млн. лет
320 млн. лет
82 с
110 тыс. лет
Эффективность реакций синтеза характеризуется мощностью источника, количеством энергии, которая высвобождается в единице массы вещества за единицу времени. Из теории вытекает, что , тогда как . Граница температуры Т, выше которой главную роль сыграет не рр-, а CNO-цикл, равна 15∙106 К. В недрах Солнца основную роль сыграет рр-цикл. Именно потому, что первая из его реакций имеет очень большое характерное время (14 млрд. лет), Солнце и подобные ему звезды проходят свой эволюционный путь около десяти миллиардов лет. Для более массивных белых звезд это время у десятки и сотни раз меньше, поскольку значительно меньшим есть характерное время основных реакций CNO-цикла..
Каждый из радиометрических методов имеет свои достоинства и недостатки. Например, недостатком уран-свинцового метода является редкая встречаемость минералов с достаточно высоким содержанием урана; недостатком калий-аргонового — высокая вероятность утечки образующегося аргона из уже затвердевшего минерала.
В итоге каждый отдельно взятый радиометрический метод часто дает ошибочные датировки. Поэтому ученые стараются проводить датирование одного и того же слоя при помощи нескольких независимых методов. Если результаты более или менее совпадают, все вздыхают с облегчением. Если нет, приступают к скрупулезному поиску возможных источников ошибок и разработке разнообразных замысловатых поправок. К сожалению, встречается и иная тактика: из нескольких полученных дат выбирается та, которая лучше всего соответствует взглядам исследователей, а для остальных датировок начинают целенаправленно искать «компромат».
Для определения абсолютного возраста самых молодых отложений (не старше 100 тысяч лет), особенно для сохранившихся в них органических материалов, широко используется радиоуглеродный метод. Радиоактивный изотоп углерода 14C образуется в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки ядер азота нейтронами космических лучей: 14N + n —> 14С + p. Углерод 14С окисляется до 14СO2 и распространяется в атмосфере. Растения используют 14СO2 в ходе фотосинтеза для производства органики наравне с обычной углекислотой. В результате соотношение 14C/12C в живых организмах оказывается таким же, как в атмосфере (порядка 10–12). После смерти организма приток углерода в него прекращается (система становится условно замкнутой, как и в случае с затвердевшим минералом), и начинается неуклонное экспоненциальное снижение соотношения 14C/12C за счет распада радиоактивного изотопа 14C.
Применение радиоуглеродного метода, однако, сталкивается с целым рядом трудностей. Захороненная органика может загрязняться посторонним углеродом, как «древним» (с низкой долей 14C), так и «молодым». В результате возникают, соответственно, «ошибки омоложения» и «ошибки удревнения». Кроме того, соотношение 14C/12C в атмосфере не постоянно. Например, хозяйственная деятельность человека и особенно испытания ядерного оружия очень сильно сказываются на этой величине. Темпы образования 14C в верхних слоях атмосферы зависят от интенсивности космического и солнечного излучения, а это величины переменные. Соотношение 14C/12C зависит и от общей концентрации СO2 в атмосфере, которая тоже склонна меняться. Все эти естественные колебания, однако, не очень велики по амплитуде и с определенной степенью точности могут быть учтены. По-настоящему серьезную проблему представляет лишь возможность загрязнения образца посторонним углеродом.
Люминесцентные методы абсолютной датировки основаны на способности некоторых широко распространенных минералов (например, кварца и полевого шпата) накапливать в себе энергию ионизирующего излучения, а затем, при определенных условиях, быстро отдавать ее в виде света. Ионизирующее излучение не только прилетает к нам из космоса, но и генерируется горными породами в ходе распада радиоактивных элементов. Под воздействием радиации некоторые электроны кристалла переходят в особое возбужденное состояние. Чем больше в кристалле трещин и других дефектов, тем большее число электронов способно к такой трансформации. Пока кристалл (например, песчинка) спокойно лежит в темном, прохладном месте (например, под слоем других песчинок), число «перевозбужденных» электронов в нем постепенно растет, энергия копится.
Если такой кристалл подвергнуть определенной стимуляции (нагреть до 500 градусов или даже просто осветить), он стремительно отдает накопленную энергию в виде света. Возбужденные электроны при этом успокаиваются и возвращаются на положенные орбиты, и «люминесцентный хронометр» обнуляется. Измерив количество излученного света, можно определить, как долго кристаллу дали спокойно пролежать в вышеупомянутом темном, прохладном месте после того, как он в последний раз подвергался аналогичной стимуляции (попадал на свет или нагревался). На этом и основаны методы люминесцентной датировки: соответственно, термолюминесцентный и оптико-люминесцентный (метод оптически стимулированной люминесценции). Впервые термолюминесцентный метод начали применять в середине XX века археологи для определения возраста обожженной керамики (это очень удобно, поскольку во время обжига люминесцентный хронометр гарантированно обнуляется).
В итоге каждый отдельно взятый радиометрический метод часто дает ошибочные датировки. Поэтому ученые стараются проводить датирование одного и того же слоя при помощи нескольких независимых методов. Если результаты более или менее совпадают, все вздыхают с облегчением. Если нет, приступают к скрупулезному поиску возможных источников ошибок и разработке разнообразных замысловатых поправок. К сожалению, встречается и иная тактика: из нескольких полученных дат выбирается та, которая лучше всего соответствует взглядам исследователей, а для остальных датировок начинают целенаправленно искать «компромат».
Для определения абсолютного возраста самых молодых отложений (не старше 100 тысяч лет), особенно для сохранившихся в них органических материалов, широко используется радиоуглеродный метод. Радиоактивный изотоп углерода 14C образуется в верхних слоях атмосферы в результате бомбардировки ядер азота нейтронами космических лучей: 14N + n —> 14С + p. Углерод 14С окисляется до 14СO2 и распространяется в атмосфере. Растения используют 14СO2 в ходе фотосинтеза для производства органики наравне с обычной углекислотой. В результате соотношение 14C/12C в живых организмах оказывается таким же, как в атмосфере (порядка 10–12). После смерти организма приток углерода в него прекращается (система становится условно замкнутой, как и в случае с затвердевшим минералом), и начинается неуклонное экспоненциальное снижение соотношения 14C/12C за счет распада радиоактивного изотопа 14C.
Применение радиоуглеродного метода, однако, сталкивается с целым рядом трудностей. Захороненная органика может загрязняться посторонним углеродом, как «древним» (с низкой долей 14C), так и «молодым». В результате возникают, соответственно, «ошибки омоложения» и «ошибки удревнения». Кроме того, соотношение 14C/12C в атмосфере не постоянно. Например, хозяйственная деятельность человека и особенно испытания ядерного оружия очень сильно сказываются на этой величине. Темпы образования 14C в верхних слоях атмосферы зависят от интенсивности космического и солнечного излучения, а это величины переменные. Соотношение 14C/12C зависит и от общей концентрации СO2 в атмосфере, которая тоже склонна меняться. Все эти естественные колебания, однако, не очень велики по амплитуде и с определенной степенью точности могут быть учтены. По-настоящему серьезную проблему представляет лишь возможность загрязнения образца посторонним углеродом.
Люминесцентные методы абсолютной датировки основаны на способности некоторых широко распространенных минералов (например, кварца и полевого шпата) накапливать в себе энергию ионизирующего излучения, а затем, при определенных условиях, быстро отдавать ее в виде света. Ионизирующее излучение не только прилетает к нам из космоса, но и генерируется горными породами в ходе распада радиоактивных элементов. Под воздействием радиации некоторые электроны кристалла переходят в особое возбужденное состояние. Чем больше в кристалле трещин и других дефектов, тем большее число электронов способно к такой трансформации. Пока кристалл (например, песчинка) спокойно лежит в темном, прохладном месте (например, под слоем других песчинок), число «перевозбужденных» электронов в нем постепенно растет, энергия копится.
Если такой кристалл подвергнуть определенной стимуляции (нагреть до 500 градусов или даже просто осветить), он стремительно отдает накопленную энергию в виде света. Возбужденные электроны при этом успокаиваются и возвращаются на положенные орбиты, и «люминесцентный хронометр» обнуляется. Измерив количество излученного света, можно определить, как долго кристаллу дали спокойно пролежать в вышеупомянутом темном, прохладном месте после того, как он в последний раз подвергался аналогичной стимуляции (попадал на свет или нагревался). На этом и основаны методы люминесцентной датировки: соответственно, термолюминесцентный и оптико-люминесцентный (метод оптически стимулированной люминесценции). Впервые термолюминесцентный метод начали применять в середине XX века археологи для определения возраста обожженной керамики (это очень удобно, поскольку во время обжига люминесцентный хронометр гарантированно обнуляется).
Введение
Синергетика — научное направление, изучающее процессы образования и коллективных взаимодействий объектов, происходящие в открытых системах в неравновесных условиях, сопровождающиеся интенсивным обменом веществом и энергией подсистем с системой и системы с окружающей средой, характеризуемые самопроизвольностью (отсутствием жесткой детерминации извне) поведения объектов и имеющие результатом упорядочение, самоорганизацию, уменьшение энтропии, также эволюцию систем.
Синергетика, основные положения которой были сформулированы Г. Хакеном, представляет собой эвристический метод исследования процессов самоорганизации систем различной природы. Синергетика возникла в ответ на кризис исчерпавшего себя стереотипного, линейного мышления, основными чертами которого являются [2]: представление о хаосе как исключительно деструктивном начале мира; рассмотрение случайности как второстепенного, побочного фактора; мир считается независимым от флуктуаций нижележащих уровней бытия и космических влияний; взгляд на неравновесность и неустойчивость как на досадные неприятности, которые должны быть преодолены, т.к. играют негативную, разрушительную роль; процессы, происходящие в мире, являются предсказуемыми на неограниченно большие промежутки времени (лапласовский детерменизм); развитие линейно, поступательно, безальтернативно; мир связан жесткими причинно-следственными связями; причинные цепи носят линейный характер.
Концепции теории самоорганизации
С середины 19 века происходила усиленная специализация наук, появлялись их новые отрасли. Специализация наук была существенно необходима, долгое время она являлась основой прогресса научных исследований. Но в 20 веке стала очевидной необходимость синтеза теоретический концепций, разработанных в рамках различных научных направлений. Концепцию самоорганизации можно рассматривать как новый важный этап эволюции науки, наступивший за специализацией и несущий новые возможности диалога наук [1].
Сама проблема самоорганизации возникла в связи с философским осмысление термодинамики открытых систем [1].
Под открытой системой понимают такую систему, которая взаимодействует с окружающей средой, т.е. обменивается с этой средой веществом или энергией. Напротив, замкнутой называется система, которая изолирована от внешних воздействий (нет обмена со средой веществом или энергией).
Рассмотрим основные концепции теории самоорганизации [4, 5]:
1. Самоорганизация характерна только для открытых систем, характеризуемых интенсивным обменом веществом и энергией между подсистемами и между системой и её окружением.
2. Самоорганизующиеся системы — нелинейные, т.е. они способны к самодействию. Самодействие приводит к тому, что малые воздействия на систему могут приводить к очень большим последствиям, а большие — к совершенно незначительным.
3. Самоорганизующиеся системы — неустойчивые.
3. Процесс самоорганизации характеризуется возрастанием порядка вследствие протекания процессов, противоположных установлению термодинамического равновесия независимо взаимодействующих элементов среды.
4. Результатом самоорганизации становится возникновение объектов, более сложных в информационном смысле, чем элементы среды, из которых они возникают.
5.Направленность процессов самоорганизации обусловлена внутренними свойствами объектов в их индивидуальном и коллективном проявлении, а также воздействиями со стороны среды, в которую ''погружена'' система.
6. Процессы самоорганизации происходят в среде наряду с другими процессами, в частности наряду с процессами противоположной направленности, и могут в отдельные фазы существования системы как преобладать над последними (прогресс), так и уступать им (регресс).
Хотя в природе все системы в той или иной степени открыты, исторически первой классической идеализацией была модель замкнутой, изолированной системы, не взаимодействующей с другими телами. Важно отметить, что любую систему можно с заданной точностью считать замкнутой достаточно малое время, тем меньшее, чем больше открыта система. И если это время существенно больше времени наблюдения за системой, то такая модель оправдана. Например, наша Земля — это, с хорошей точностью, изолированный, свободный волчок, вращающийся вокруг Солнца. Но неучтённое при этом взаимодействие с Луной приводит к очень слабому замедлению скорости вращения волчка, а взаимодействие с Солнцем — к медленному повороту оси волчка (прецессии) с периодом около 25 тысяч лет [3].
Для замкнутой системы справедливы фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса), радикально упрощающие описание простых систем. Но самое лавное: в замкнутых системах с очень большим числом частиц справедлив второй закон термодинамики, согласно которому энтропия S (мера хаоса) со временем возрастает. По достижении максимума энтропии все макроскопические процессы в такой системе прекращаются и система переходит в состояние теплового равновесия. Все макроскопические процессы в этом состоянии прекращаются. С точки зрения внутренней структуры система из упорядоченного состояния переходит в полностью неупорядоченное. Причём с макроскопической точки зрения этот процесс необратим. Т.е. термодинамика замкнутых систем доказала практическую невозможность макроскопической самоорганизации (спонтанного возникновения порядка из хаоса) замкнутых системах. Если хаос в замкнутой системе не может убывать, а может только возрастать, то порядок обязан исчезнуть. Следовательно, замкнутая Вселенная идёт к хаосу — так называемой тепловой смерти, когда всё вещество превратится в излучение [1, 3].
Но все живые организмы и сама по себе человеческая цивилизация — открытые системы. Они создают порядок в себе и вокруг себя за счёт увеличения общего беспорядка, энтропии планеты. Для подобных открытых систем, потребляющих вещество и энергию, второе начало термодинамики неприменимо, их энтропия может уменьшаться [1, 3].
Синергетика — научное направление, изучающее процессы образования и коллективных взаимодействий объектов, происходящие в открытых системах в неравновесных условиях, сопровождающиеся интенсивным обменом веществом и энергией подсистем с системой и системы с окружающей средой, характеризуемые самопроизвольностью (отсутствием жесткой детерминации извне) поведения объектов и имеющие результатом упорядочение, самоорганизацию, уменьшение энтропии, также эволюцию систем.
Синергетика, основные положения которой были сформулированы Г. Хакеном, представляет собой эвристический метод исследования процессов самоорганизации систем различной природы. Синергетика возникла в ответ на кризис исчерпавшего себя стереотипного, линейного мышления, основными чертами которого являются [2]: представление о хаосе как исключительно деструктивном начале мира; рассмотрение случайности как второстепенного, побочного фактора; мир считается независимым от флуктуаций нижележащих уровней бытия и космических влияний; взгляд на неравновесность и неустойчивость как на досадные неприятности, которые должны быть преодолены, т.к. играют негативную, разрушительную роль; процессы, происходящие в мире, являются предсказуемыми на неограниченно большие промежутки времени (лапласовский детерменизм); развитие линейно, поступательно, безальтернативно; мир связан жесткими причинно-следственными связями; причинные цепи носят линейный характер.
Концепции теории самоорганизации
С середины 19 века происходила усиленная специализация наук, появлялись их новые отрасли. Специализация наук была существенно необходима, долгое время она являлась основой прогресса научных исследований. Но в 20 веке стала очевидной необходимость синтеза теоретический концепций, разработанных в рамках различных научных направлений. Концепцию самоорганизации можно рассматривать как новый важный этап эволюции науки, наступивший за специализацией и несущий новые возможности диалога наук [1].
Сама проблема самоорганизации возникла в связи с философским осмысление термодинамики открытых систем [1].
Под открытой системой понимают такую систему, которая взаимодействует с окружающей средой, т.е. обменивается с этой средой веществом или энергией. Напротив, замкнутой называется система, которая изолирована от внешних воздействий (нет обмена со средой веществом или энергией).
Рассмотрим основные концепции теории самоорганизации [4, 5]:
1. Самоорганизация характерна только для открытых систем, характеризуемых интенсивным обменом веществом и энергией между подсистемами и между системой и её окружением.
2. Самоорганизующиеся системы — нелинейные, т.е. они способны к самодействию. Самодействие приводит к тому, что малые воздействия на систему могут приводить к очень большим последствиям, а большие — к совершенно незначительным.
3. Самоорганизующиеся системы — неустойчивые.
3. Процесс самоорганизации характеризуется возрастанием порядка вследствие протекания процессов, противоположных установлению термодинамического равновесия независимо взаимодействующих элементов среды.
4. Результатом самоорганизации становится возникновение объектов, более сложных в информационном смысле, чем элементы среды, из которых они возникают.
5.Направленность процессов самоорганизации обусловлена внутренними свойствами объектов в их индивидуальном и коллективном проявлении, а также воздействиями со стороны среды, в которую ''погружена'' система.
6. Процессы самоорганизации происходят в среде наряду с другими процессами, в частности наряду с процессами противоположной направленности, и могут в отдельные фазы существования системы как преобладать над последними (прогресс), так и уступать им (регресс).
Хотя в природе все системы в той или иной степени открыты, исторически первой классической идеализацией была модель замкнутой, изолированной системы, не взаимодействующей с другими телами. Важно отметить, что любую систему можно с заданной точностью считать замкнутой достаточно малое время, тем меньшее, чем больше открыта система. И если это время существенно больше времени наблюдения за системой, то такая модель оправдана. Например, наша Земля — это, с хорошей точностью, изолированный, свободный волчок, вращающийся вокруг Солнца. Но неучтённое при этом взаимодействие с Луной приводит к очень слабому замедлению скорости вращения волчка, а взаимодействие с Солнцем — к медленному повороту оси волчка (прецессии) с периодом около 25 тысяч лет [3].
Для замкнутой системы справедливы фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса), радикально упрощающие описание простых систем. Но самое лавное: в замкнутых системах с очень большим числом частиц справедлив второй закон термодинамики, согласно которому энтропия S (мера хаоса) со временем возрастает. По достижении максимума энтропии все макроскопические процессы в такой системе прекращаются и система переходит в состояние теплового равновесия. Все макроскопические процессы в этом состоянии прекращаются. С точки зрения внутренней структуры система из упорядоченного состояния переходит в полностью неупорядоченное. Причём с макроскопической точки зрения этот процесс необратим. Т.е. термодинамика замкнутых систем доказала практическую невозможность макроскопической самоорганизации (спонтанного возникновения порядка из хаоса) замкнутых системах. Если хаос в замкнутой системе не может убывать, а может только возрастать, то порядок обязан исчезнуть. Следовательно, замкнутая Вселенная идёт к хаосу — так называемой тепловой смерти, когда всё вещество превратится в излучение [1, 3].
Но все живые организмы и сама по себе человеческая цивилизация — открытые системы. Они создают порядок в себе и вокруг себя за счёт увеличения общего беспорядка, энтропии планеты. Для подобных открытых систем, потребляющих вещество и энергию, второе начало термодинамики неприменимо, их энтропия может уменьшаться [1, 3].
1. Понятие и причины деградации природных систем
Материалы, которые общество изымает из окружающей среды, называя их «ресурсами», являются одновременно компонентами природы. При их изъятии происходит изменение состава и свойств не только этих природных компонентов, но и других, с ними связанных. Сведение лесов в ходе лесозаготовок означает не только истощение ресурсов древесины, но и трансформацию растительного покрова, круговорота воды, углерода, потоков энергии, снижение биоразнообразия и т.п. Не только отдельные компоненты, но и вся окружающая среда в целом становится «другой».
Основным следствием антропогенной трансформации окружающей среды является снижение регенерационного потенциала природы как в региональном, так и в планетарном масштабе. Практически все виды природных ресурсов по мере снижения их запасов постепенно теряют естественную способность восстановления. Загрязнение воды сопровождается ослаблением самоочистительной способности водоемов, деградация пастбищ при перевыпасе проявляется в изменении почв и видового состава травостоя. Истощение одних ресурсов может влиять на снижение восстановительной способности других. Так, сведение лесов уменьшает возобновление водных ресурсов, загрязнение атмосферы − растительных и др. Картина усложняется наличием в окружающей среде многочисленных пороговых эффектов и явлений самоусиления. Когда изменение природного компонента достигает определенного уровня, процесс его дальнейшей деградации резко ускоряется и становится неконтролируемым. Уменьшение численности популяции ниже минимального значения приводит к ее необратимой гибели, превышение критического уровня деградации пастбищ активизирует эрозию, которая ускоряет уничтожение травостоя, и пр.
Материалы, которые общество изымает из окружающей среды, называя их «ресурсами», являются одновременно компонентами природы. При их изъятии происходит изменение состава и свойств не только этих природных компонентов, но и других, с ними связанных. Сведение лесов в ходе лесозаготовок означает не только истощение ресурсов древесины, но и трансформацию растительного покрова, круговорота воды, углерода, потоков энергии, снижение биоразнообразия и т.п. Не только отдельные компоненты, но и вся окружающая среда в целом становится «другой».
Основным следствием антропогенной трансформации окружающей среды является снижение регенерационного потенциала природы как в региональном, так и в планетарном масштабе. Практически все виды природных ресурсов по мере снижения их запасов постепенно теряют естественную способность восстановления. Загрязнение воды сопровождается ослаблением самоочистительной способности водоемов, деградация пастбищ при перевыпасе проявляется в изменении почв и видового состава травостоя. Истощение одних ресурсов может влиять на снижение восстановительной способности других. Так, сведение лесов уменьшает возобновление водных ресурсов, загрязнение атмосферы − растительных и др. Картина усложняется наличием в окружающей среде многочисленных пороговых эффектов и явлений самоусиления. Когда изменение природного компонента достигает определенного уровня, процесс его дальнейшей деградации резко ускоряется и становится неконтролируемым. Уменьшение численности популяции ниже минимального значения приводит к ее необратимой гибели, превышение критического уровня деградации пастбищ активизирует эрозию, которая ускоряет уничтожение травостоя, и пр.
3. Концепции происхождения и эволюции галактик и звезд
Галактикой называется большая система из звёзд, межзвёздного газа, пыли, тёмной материи и, возможно, тёмной энергии, связанная силами гравитационного взаимодействия. Обычно галактики содержат от 10 миллионов до нескольких триллионов звёзд, вращающихся вокруг общего центра тяжести. Кроме отдельных звёзд и разрежённой межзвёздной среды, большая часть галактик содержит множество кратных звёздных систем, звёздных скоплений и различных туманностей. Как правило, диаметр галактик составляет от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет, а расстояния между ними исчисляются миллионами световых лет. Хотя около 90 % массы галактик приходится на долю тёмной материи и энергии, природа этих невидимых компонентов пока не изучена. Существуют свидетельства того, что в центре многих (если не всех) галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры.
Альберт Эйнштейн, однажды сказал: «если рассматривать замкнутую систему, то общая масса системы и, следовательно, ее общее гравитирующее действие будут зависеть от всей энергии системы, то есть от совокупности энергии вещества и энергии поля тяготения». Межгалактическое пространство является практически чистым вакуумом со средней плотностью меньше одного атома вещества на кубический метр. Возможно, что в наблюдаемой части Вселенной находится около 1011 галактик.
В начале формирования Вселенной, плотных космических объектов еще не было, им еще только предстояло сформироваться из той чрезвычайно разреженной водородно-гелиевой смеси, которая была беспорядочно разбросана по всему пространству Вселенной в виде отдельных облаков, скоплений и сверхскоплений. Приостановив хаотический разлет вещества, принудив его к движению по геодезическим направлениям, возвратившаяся на свое место гравитационная сущность вновь приступила к своей характерной деятельности - самоуплотнению. Только теперь, когда в едином теле эфира оказался не один неподвижный, а великое множество подвижных локальных, региональных и зональных центров тяжести масс, строение гравитационного организма Вселенной приобрело сложную иерархическую структуру, характеризующуюся большой асимметрией и внутрисистемной изменчивостью. Перемещаясь совместно с гравитационно-значащими массами водородно-гелиевой смеси, совершающими свои замысловатые движения, непрерывный эфир превратился в своеобразный бурный космический океан с многочисленными интенсивными глубинными течениями.
Естественно, что в условиях практически полного отсутствия какого-либо порядка в распределении масс и энергии вещества и эфира в пространстве Вселенной никакой речи о едином механизме ее стягивания к общему центру тяжести, как это имело место на этапе Протовселенной, быть не могло. Общий гравитационный механизм некогда одноэлементного эфира был раздроблен на неподдающиеся непосредственному счету количество составных частей. Однако это отнюдь не мешало его врожденной способности к самоуплотнению, а всего лишь придало этой способности широко разветвленный характер. Теперь, когда материя стала двух субстанциальной, высоко динамичной, неоднородной и асимметричной, существо противоборства вещества и эфира стало состоять в следующем. Обладающие кинетической энергией гравитационно-значащие массы вещества оказались внутри сопровождающих их инерциальное движение оболочек эфира, общесистемное единство которых надежно обеспечивалось чрезвычайно разветвленной, простирающейся по всей Вселенной эфирной перемычкой. Каждая из взаимосвязанных таким образом локальных оболочек наряду с приобретенной ею кинетической энергией обладала самостоятельной энергией стягивания, которой противодействовали силы внутреннего давления, возникающие вследствие хаотического теплового движения частиц вещества. в силу того, что для этапа действительности характерен некоторый перевес общей гравитирующей потенциальной энергии эфира над общей антигравитирующей кинетической энергией вещества, локальные оболочки эфира тоже получили некоторый энергетический перевес над внутренним давлением водородно-гелиевых облаков. Так в пространстве Вселенной сформировались многочисленные протогалактические туманности, представлявшие собой гравитационно-значащие массы вещества, полностью погруженные в контролирующие их движение эфирные оболочки.
...
Галактикой называется большая система из звёзд, межзвёздного газа, пыли, тёмной материи и, возможно, тёмной энергии, связанная силами гравитационного взаимодействия. Обычно галактики содержат от 10 миллионов до нескольких триллионов звёзд, вращающихся вокруг общего центра тяжести. Кроме отдельных звёзд и разрежённой межзвёздной среды, большая часть галактик содержит множество кратных звёздных систем, звёздных скоплений и различных туманностей. Как правило, диаметр галактик составляет от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч световых лет, а расстояния между ними исчисляются миллионами световых лет. Хотя около 90 % массы галактик приходится на долю тёмной материи и энергии, природа этих невидимых компонентов пока не изучена. Существуют свидетельства того, что в центре многих (если не всех) галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры.
Альберт Эйнштейн, однажды сказал: «если рассматривать замкнутую систему, то общая масса системы и, следовательно, ее общее гравитирующее действие будут зависеть от всей энергии системы, то есть от совокупности энергии вещества и энергии поля тяготения». Межгалактическое пространство является практически чистым вакуумом со средней плотностью меньше одного атома вещества на кубический метр. Возможно, что в наблюдаемой части Вселенной находится около 1011 галактик.
В начале формирования Вселенной, плотных космических объектов еще не было, им еще только предстояло сформироваться из той чрезвычайно разреженной водородно-гелиевой смеси, которая была беспорядочно разбросана по всему пространству Вселенной в виде отдельных облаков, скоплений и сверхскоплений. Приостановив хаотический разлет вещества, принудив его к движению по геодезическим направлениям, возвратившаяся на свое место гравитационная сущность вновь приступила к своей характерной деятельности - самоуплотнению. Только теперь, когда в едином теле эфира оказался не один неподвижный, а великое множество подвижных локальных, региональных и зональных центров тяжести масс, строение гравитационного организма Вселенной приобрело сложную иерархическую структуру, характеризующуюся большой асимметрией и внутрисистемной изменчивостью. Перемещаясь совместно с гравитационно-значащими массами водородно-гелиевой смеси, совершающими свои замысловатые движения, непрерывный эфир превратился в своеобразный бурный космический океан с многочисленными интенсивными глубинными течениями.
Естественно, что в условиях практически полного отсутствия какого-либо порядка в распределении масс и энергии вещества и эфира в пространстве Вселенной никакой речи о едином механизме ее стягивания к общему центру тяжести, как это имело место на этапе Протовселенной, быть не могло. Общий гравитационный механизм некогда одноэлементного эфира был раздроблен на неподдающиеся непосредственному счету количество составных частей. Однако это отнюдь не мешало его врожденной способности к самоуплотнению, а всего лишь придало этой способности широко разветвленный характер. Теперь, когда материя стала двух субстанциальной, высоко динамичной, неоднородной и асимметричной, существо противоборства вещества и эфира стало состоять в следующем. Обладающие кинетической энергией гравитационно-значащие массы вещества оказались внутри сопровождающих их инерциальное движение оболочек эфира, общесистемное единство которых надежно обеспечивалось чрезвычайно разветвленной, простирающейся по всей Вселенной эфирной перемычкой. Каждая из взаимосвязанных таким образом локальных оболочек наряду с приобретенной ею кинетической энергией обладала самостоятельной энергией стягивания, которой противодействовали силы внутреннего давления, возникающие вследствие хаотического теплового движения частиц вещества. в силу того, что для этапа действительности характерен некоторый перевес общей гравитирующей потенциальной энергии эфира над общей антигравитирующей кинетической энергией вещества, локальные оболочки эфира тоже получили некоторый энергетический перевес над внутренним давлением водородно-гелиевых облаков. Так в пространстве Вселенной сформировались многочисленные протогалактические туманности, представлявшие собой гравитационно-значащие массы вещества, полностью погруженные в контролирующие их движение эфирные оболочки.
...
Наши гарантии:
Финансовая защищенность
Опытные специалисты
Тщательная проверка качества
Тайна сотрудничества