СОДЕРЖАНИЕ

УЧЕБНИК
КОНЦЕПЦИИ
СОВРЕМЕННОГО
ЕСТЕСТООЗНАИИЯ
М. И. Потеев
Рекомендовано Министерством общего и профессионального образования
Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений
Санкт-Петербург Москва • Харьков • Минск
1999
М. И. Потеев Концепции современного естествознания
Главный редактор В. Усманов
Заведующий редакцией М. Чураков
Литературный редактор Е. Филимонов
Художественный редактор Е. Панадин
Корректоры Е. Шнитникова
Оригинал-макет подготовила Е. Кузъменок
ББК20я7+32.81я7 УДК 50 (075) Потеев М. И.
П64 Концепции современного естествознания — СПб.:, Издательство «Питер», 1999. — 352 с.: ISBN 5-8046-0004-4
Дисциплина «Концепции современного естествознания» включена в обязательный минимум содержания вузовских учебных программ более чем по 20 направлениям. Предлагаемый учебник ориентирован прежде всего на студентов экономистов и гуманитариев. Автор книги, проф. М. И. Потеев — крупный специалист по механике и по кибернетике, известный методист и опытнейший преподаватель, прекрасно знающий нужды и интересы современного студента. Тщательно отобранный и систематизированный материал, доступное изложение, прекрасный дизайн, обилие ссылок на естественнонаучные сайты Интернета делают эту книгу удобным, интересным и эффективным учебным пособием.
©М. И. Потеев, 1999
© Серия, оформление. Издательство «Питер», 1999
Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.
ISBN 5-8046-0004-4
Издательство «Питер». 196105, С.-Петербург, ул. Благодатная, 67. Лицензия ЛР № 066333 от 23.02.99.
Подписано в печать 30.01.99. Формат 70X100 V,,. Усл. п. л. 28,6. Тираж 7000 экз. Заказ № 802.
Отпечатано с диапозитивов в ГПП «Печатный Двор» Государственного комитета РФ по печати.
197110, С.-Петербург. Чкаловский пр., 15.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие, адресованное студентам ...................................................... 4
Предисловие, адресованное преподавателям.............................................. 5
Введение ............................................................................................. 6
ГЛАВА 1. Материя
1.1. Элементарные частицы, атомы и молекулы............................... 15
1.2. Превращение вещества...........................................................22
1.3. Механическое движение тел ...................................................32
1.4. Движение электрических зарядов ........................................... 42
1.5. Взаимодействие тел, полей и сред ............................................55
1.6. Колебания и волны ............................................................... 66
1.7. Свет .....................................................................................78
1.8. Пространство и время ............................................................ 88
ГЛАВА 2. Земля и Солнечная система
2.1. Земной шар и геосферы....................................................... 100
2.2. Литосфера Земли ................................................................ 108
2.3. Гидросфера Земли............................................................... 122
2.4. Атмосфера Земли ................................................................ 132
2.5. Физические поля Земли....................................................... 141
2.6. Солнечная система, проникновение в нее человека.................. 147
2.7. Климат, погода и ее прогнозирование .................................... 162
ГЛАВА 3. Живое вещество
3.1. Клетка и ее функции ........................................................... 174
3.2. Растения............................................................................. 190
3.3. Животные........................................................................... 205
3.4. Человек .............................................................................. 215
3.5. Биосфера Земли.................................................................. 234
3.6. Взаимодействие человека и биосферы ................................... 252
ГЛАВА 4. Управление и самоорганизация
4.1. Общие закономерности управления в биологических,
технических и социальных системах. Обратная связь............. 265
4.2. Самоорганизация и самодезорганизация................................ 276
Заключение. Естествознание — экономисту, менеджеру, коммерсанту ..... 291
Тесты для самоконтроля ...................................................................... 295
Основоположники естествознания (именной указатель) ......................... 309
Предметный указатель.........................................................................317
Происхождение иностранных слов, используемых в естествознании ........ 320
Толковый словарь ............................................................................... 327
По естествознанию в Internet............................................................... 341
Послесловие ............................т.......................................................... 350
Предисловие, адресованное студентам
Этот учебник — не для обычного чтения: он для работы, для работы ума и сердца. В нем алгоритм размышлений об окружающем нас мире, точнее, о той его грани, которая охватывается естествознанием — совокупностью наук о природе.
Учебник содержит четыре основных раздела: «Материя», <Земля и Солнечная система», «Живое вещество», «Управление и самоорганизация», — в которых затрагиваются основы таких наук, как физика, химия, физическая география, биология, экология, кибернетика, синергетика, а также решаемые в них проблемы.
Во введении и заключении обосновывается необходимость знания специалистами с общеэкономическим и инженерно-экономическим образованием окружающего мира, методов его исследования, истории его познания, вклада выдающихся естествоиспытателей в развитие экономических учений.
В изложении материала используется системный подход. Количество формул сведено к минимуму. Часть учебного материала поясняется языком поэзии, которая как вид искусства полифункциональна. Одной из ее функций является художественно-концептуальная, то есть функция передачи средствами искусства (в данном случае — поэзии) знаний об окружающем нас мире.
В учебнике содержатся справки по истории естествознания. Он имеет также несколько приложений. К ним относятся прежде всего набор тестов для контроля результатов обучения и «путеводитель» по естествознанию в Internet. Учебник снабжен именным и предметным указателями, а также толковым словарем. Кроме того, в приложениях представлена информация о наиболее видных ученых — основоположниках естествознания, имеется справочник по происхождению иностранных слов, используемых в естествознании.
При работе с учебником рекомендуется придерживаться следующей последовательности самообучения.
1. Перелистать весь учебник, познакомиться с его структурой, запомнить рубрикацию разделов, врезок и приложений.
2. Ознакомиться с введением и сформировать свое мнение 'о целях изучения фактов, методов и взаимосвязей естествознания с учетом направления или специальности получаемого образования.
3. Проработать нужный раздел и отдельно (до или после) познакомиться с содержанием врезок. В них — информация к размышлению, дополнительное чтение, фрагменты из истории естествознания.
4. Постараться понять соответствующий учебный материал на концептуальном уровне.
5. Поработать с приложениями: предметным и именным указателями, указателем иностранных слов, толковым словарем.
6. Обратиться к соответствующему тесту, ответить на содержащиеся в нем вопросы и проверить по учебнику правильность ответов.
7. Совершить «экскурсию» по Internet, начав с адресов, указанных в учебнике, и запросить информацию с других серверов.
8. По мере продвижения вперед не забывать регулярно «оглядываться назад», повторяя содержание пройденного материала и раздвигая границы естествознания в Internet.
Предисловие, адресованное преподавателям
Согласно Государственным образовательным стандартам высшего профессионального образования дисциплина «Концепции современного естествознания» включена в обязательный минимум содержания профессиональных образовательных программ более чем по 20 направлениям. К последним относятся: Культурология. Теология. Филология. Философия. Журналистика. Книговедение. История. Политология. Психология. Социальная работа. Социология. Регионоведение. Юриспруденция. Менеджмент. Экономика. Искусство. Физическая культура. Коммерция. Агроэкономика. Статистика. Информационные системы в экономике. Религиоведение.
Предлагаемый учебник ориентирован на студентов общеэкономических и инженерно-экономических специальностей технических вузов (экономика, менеджмент, коммерция и т. п.), изучающих названную дисциплину.
Основное содержание дисциплины, согласно стандарту, определяется следующими дидактическими единицами: естественнонаучная и гуманитарная культура; научный метод; история естествознания; панорама современного естествознания; тенденции развития; корпускулярная и континуальная концепции описания природы; порядок и беспорядок в природе; хаос; структурные уровни организации материи; микро-, макро- и мегамиры; пространство, время; принципы относительности; принципы симметрии; законы сохранения; близко-действие, дальнодействие; состояние; принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности; динамические и статические закономерности в природе; законы сохранения энергии в макроскопических процессах; принципы возрастания энтропии; химические системы; энергетика химических процессов, реакционная способность веществ; особенности биологического уровня организации материи; принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем; многообразие живых организмов — основа организации и устойчивости биосферы; генетика и эволюция; человек: физиология, здоровье, эмоции, творчество, работоспособность, биоэтика; человек, биосфера и космические циклы; ноосфера, необратимость времени; самоорганизация в живой и неживой природе; принципы универсального эволюционизма; путь к единой культуре.
Все это в той или иной степени нашло отражение в предлагаемом учебнике. Но специалистам понятно, что материал указанной дисциплины в принципе невозможно уместить в книгу любого наперед заданного объема. Ведь по определению дисциплина «Концепции современного естествознания» энциклопедична!
Одним из вариантов преодоления этого противоречия является использование информации, которая в настоящее время уже хранится в огромном объеме в ячейках памяти мирового образовательного пространства. Именно поэтому в дополнение к материалу, содержащемуся в учебнике, автор приглашает и студентов, и преподавателей в увлекательное путешествие «По естествознанию в Internet».
Остальное — в книге.
ВВЕДЕНИЕ
«Богатство народов» Адама Смита,
влияние на него И. Ньютона, других ученых-естествоиспытателей,
или Что такое естествознание
Бранил Гомера, Феокрита; Зато читал Адама Смита И был глубокий эконом, То есть умел судить о том, Как государство богатеет, И чем живет, и почему Не нужно золота ему, Когда простой продукт имеет. Отец понять его не мог И земли отдавал в залог.
А. С. Пушкин, «Евгений Онегин»,
В 1776 году в Лондоне был опубликован двухтомник <<Исследование о природе и причинах богатства народов. Сочинение Адама Смита, доктора прав, члена Королевского общества, ранее профессора нравственной философии в университете Глазго». Он содержал пять книг: в первой излагалась теория стоимости; во второй описывались характеристики капитала, процесс его накопления и применение; в третьей анализировалось развитие экономики Европы в период феодализма и становления капитализма; в четвертой сравнивались различные системы политической экономии, приводилась критика меркантилизма и физиократии; в пятой рассматривались составляющие финансов государства, его расходы, доходы и долги.
По мнению физиократов, только сельское хозяйство является источником благосостояния страны и, следовательно, богатство страны — в массе товаров, ежегодно воспроизводимых трудом общества, а необходимым условием роста размеров этого воспроизводства является экономическая свобода.
Сторонники меркантилизма считали, что богатство страны выступает лишь в денежной форме и увеличивается только за счет внешней торговли и превышения вывоза товаров над ввозом. Так как последнее оплачивается золотом, то отсюда рост богатства страны. Поэтому меркантилисты выступали за приоритетное развитие промышленности — источника товаров для экспорта, требовали вмешательства государства в экономику, жесткой регламентации хозяйственной жизни (в частности, ограничения импорта, поощрения экспорта, запрещения вывоза драгоценных металлов).
Величайшей заслугой Смита явилось научное обоснование в «Богатстве народов» трудовой теории стоимости. Согласно этой теории, стоимость товаров и богатство создаются трудом и только трудом. Товары обмениваются, как правило, по их трудовой стоимости. Вследствие того что стоимость создается
Что такое естествознание
только трудом, собственники капитала и земли не являются производителями стоимости товаров, а лишь предоставляют необходимый материал для производства, их же личные доходы представляют собой лишь вычет из стоимости продукта, создаваемой трудом.
Адам Смит родился в Шотландии в 1723 году. Он получил образование в Глазговском университете, в котором были два основных класса: нравственной и естественной философии. Первая охватывала все науки об обществе, вторая включала в себя науки о природе и математику. Смит обучался в классе нравственной философии. Ее преподавал профессор Френсис Хатчесон, один из виднейших деятелей шотландского Просвещения, основатель шотландской философской школы. Энциклопедизм Смита, его широчайший круг знаний и интересов был воспитан именно Хатчесоном. Но Смит посещал также лекции по естественной философии. Преподававший ее профессор Симеон преклонялся перед гением Исаака Ньютона. Это преклонение Смит пронес через всю жизнь.
В 1740,году Смит получил ученую степень магистра искусств и стипендию, выплачиваемую за счет наследства одного из первых шотландских богачей-благотворителей. Эта стипендия составляла сумму, на которую он мог жить и учиться в течение 11 лет. Он поехал на учебу в Англию и там поступил в Баллиольский колледж Оксфордского университета. Благодаря природным способностям к языкам он начал достаточно скоро говорить на чистом английском языке почти без акцента. Но, еще занимаясь в университете, Смит изучил греческий и французский языки. Обучаясь, он много читал: древнегреческих историков, английских поэтов, французских философов, особенно Вольтера.
Во время жизни в Оксфорде Смиту посчастливилось наблюдать и зафиксировать признаки новой эпохи: в Англии надвигался экономический переворот, происходила промышленная революция, начиналось массовое внедрение рабочих машин, особенно в текстильной промышленности. Правительство спо-
ополнительное чтение
«Годичный труд каждого народа представляет собою первоначальный фонд, который доставляет ему все необходимые для существования и удобства жизни продукты, потребляемые им в течение года и состоящие всегда или из непосредственных продуктов этого труда, или из того, что приобретается в обмен на эти продукты у других народов.
В зависимости поэтому от большего или меньшего количества этих продуктов или того, что приобретается в обмен на них, сравнительно с числом тех, кто их потребляет, народ оказывается лучше или хуже снабженным всеми необходимыми предметами и удобствами, в каких он нуждается.
Но это отношение у каждого народа определяется двумя различными условиями: во-первых, искусством, умением и сообразительностью, с какими в общем применяется его труд, и, во-вторых, отношением между числом тех, кто занят полезным трудом, и числом тех, кто им не занят. Каковы бы ни были почва, климат или размеры территории того или иного народа, обилие или скудность его годового снабжения всегда будет зависеть в таком случае от этих двух условий».
А. Смит. Из введения н «Исследованию о природе...»
• Введение____
собствовало накоплению частного капитала. Широко использовалась система протекционизма: ввоз иностранных промышленных товаров облагался высокими пошлинами, а при вывозе своих товаров английские промышленники получали особые премии. Никаких налогов на прибыли не было. Финансисты, банкиры, биржевики становились большой силой. Вместе с богатыми промышленниками они основывали акционерные компании, объединяли капиталы предприятий. Отчетливо выделялись три главных класса общества: землевладельцы, буржуа, наемные рабочие. Адаму Смиту предстояло первому научно проанализировать эти процессы.
В 1747 году Смит решил покинуть Оксфорд и выехать на родину. Почти два года он безвыездно прожил вместе с матерью в Керколди (его отец умер незадолго до рождения сына). Назначенная стипендия сохранялась. Поэтому он имел возможность подолгу просиживать над книгами, которые доставляли ему с оказией из Эдинбурга. Однажды, находясь там, Смит познакомился с Генри Хьюмом, богатым помещиком, видным юристом, писателем, покровителем наук и искусств. В его доме часто собирались ученые, писатели и просто образованные люди. Одна из страстей Хьюма состояла в том, чтобы выискивать молодых талантливых людей. Осенью 1748 года, по предложению Хьюма, Смит начал читать в Эдинбургском университете лекции по английской литературе. Через два года в своих лекциях Смит перешел от изящной словесности к социологии и политической экономии. Этот курс назывался «О юриспруденции, или естественном праве». В XVIII веке этот предмет охватывал все науки об обществе. Одна из концепций Смита сводилась к тому, что «человек обычно рассматривается государственными деятелями и прожектерами (то есть политиками) как некий материал для политической механики. Прожектеры нарушают естественный ход человеческих дел. Надо же предоставить природу самой себе и дать ей полную свободу в преследовании ее целей и осуществлении ее собственных проектов... Для того чтобы поднять государство с самой низкой ступени варварства до высшей ступени благосостояния, нужны лишь мир, легкие налоги и терпимость в управлении; все остальное сделает естественный ход вещей. Все правительства, которые насильственно направляют события иным путем или пытаются приостановить развитие общества, противоестественны» .
В своих лекциях Смит поставил проблему разделения труда, ставшую центральной в «Богатстве народов». Именно разделение труда, по мнению Смита, является силой, которая увеличивает богатство. Но для разделения труда необходим широкий рынок сбыта, ибо оно предполагает то, что теперь называется массовым производством. Чтобы обеспечить такой рынок, нужна свобода торговли — как внутренней, так и внешней. Если какая-то отрасль эффективна, то она выдержит любую конкуренцию, в том числе иностранную. Если же она не выдержит конкуренции, то это не потеря для страны: просто будут развиваться другие, более эффективные отрасли. Идеи свободы торговли и ограничения вмешательства государства в экономику «открыла» промышленная революция, а Смиту суждено было подвести под эти идеи теорию и создать новую политэкономию.
В 1751 году Смит перешел в Глазговский университет. Сначала он преподавал логику, а затем нравственную философию. При этом он возглавил
I
____Что такое естествознание •
кафедру, которую ранее занимал его учитель Френсис Хатчесон. Сперва, следуя Хатчесону, он излагал в своих лекциях только этику, но потом стал все больше и больше обращаться к социологии и экономике. В 1759 году Смит опубликовал книгу «Теория нравственных чувств». Основополагающей в книге была идея равенства: каждый человек от природы равен другому, а поэтому принципы морали должны применяться одинаково ко всем — лордам и купцам, королям и мастеровым; надо предоставить каждому возможность свободно преследовать свой материальный интерес, но в пределах, не нарушающих равное право остальных. После выхода книги проблемы этики из лекций Смита почти исчезли. Теперь они состояли из двух основных разделов: государство и право; политическая экономия.
В своих лекциях Смит часто обращал внимание на различия в экономике Англии и Франции. Он делил причины этих различий на две группы: природные и общественные. Например, во Франции природа всегда благоприятствовала человеку, но в то же время большая часть земли обрабатывалась крестьянами, лишенными земли и сельскохозяйственных орудий. Они арендовали их у помещиков, отдавая им половину урожая. Такие крестьяне не были заинтересованы в улучшении обработки земли. Они не стремились вводить новшества, направленные на увеличение производительности труда. В Англии крестьяне были не бесправными арендаторами, а капиталистическими фермерами. Их интересы защищало государство: фермеры платили ренту, и их никто не мог лишить права аренды. Они были заинтересованы в прогрессе сельского хозяйства, ибо вкладывали в землю свой капитал.
Сопоставляя естествознание и экономику, Смит писал: «Как производительные, так и непроизводительные работники, а также те, кто совсем не работает, одинаково все существуют за счет годового продукта земли и труда страны... Весь годовой продукт, если не считать естественные плоды земли, является результатом производительного труда».
В 1763 году Смит принял предложение герцога Баклю сопровождать в качестве воспитателя его сына в путешествии на континент. За это ему полагалось жалованье, а в дальнейшем — пожизненная пенсия в 300 фунтов в год. Это превышало его профессорский оклад вдвое и позволяло работать впоследствии десять'лет над «Богатством народов» без особых денежных забот. Воспитанник Смита, 17-летний Генри Баклю, закончил к тому времени обучение в Итонской школе. Путешествие по Европе со Смитом должно было заменить ему университет. Они посетили Францию, Швейцарию, Англию. Путешествие значительно обогатило знания и самого Смита. В частности, в Швейцарии он встречался с Вольтером. В 1767 году Смит возвратился в Керколди и несколько месяцев работал в роли личного секретаря министра финансов, готовя для него материалы о государственном долге, налогах, колониальной политике.
Одновременно он писал свою главную книгу «Богатство народов». В ней он дал подробное описание развивавшегося капиталистического способа производства, вскрыл множество общественных связей: как они проявляются, как действует разделение труда, из чего складывается заработная плата рабочих, как обращаются деньги, как действуют банки. Он также создал, закрепил и упорядочил терминологию экономической науки: она оставалась в основном
10 • Введение
юрмация к размышлению
«Каждый отдельный человек старается употреблять свой капитал так, чтобы продукт его обладал наибольшей стоимостью. Обычно он не имеет в виду содействовать общественной пользе и не сознает, насколько он содействует ей. Он имеет в виду лишь свой собственный интерес, преследует лишь собственную выгоду, причем в этом случае он невидимой рукой направляется к цели, которая совсем и не входила в его намерения. Преследуя свои собственные интересы, он часто более действенным образом служит интересам общества, чем тогда, когда сознательно стремится служить им».
А. Смит. «Исследование о природе...»
неизменной около ста лет, а многое применяется и теперь. Именно им были введены такие понятия, как потребительная и меновая стоимость, основной и оборотный капитал, производительный труд.
Смит обосновал экономическую политику прогрессивной буржуазии. Сотни страниц «Богатства народов» посвящены критике того, что сдерживало накопление капитала в промышленности и рост буржуазии: монопольные компании во внешней торговле, высокие пошлины на ввоз товаров, стесняющие производство налоги и многое другое. Основной замысел книги был подчинен единой идее «естественной свободы». Доказательством этого постулата был огромный фактический материал, содержавшийся в исторической части книги. Последняя особенно интересна с методологической точки зрения автора: причины важнейших исторических событий он искал в развитии хозяйства, с одной стороны, и отношений между основными классами общества — с другой.
Даже такая широта анализа представлялась Смиту недостаточной. В дальнейшем он хотел создать глобальную, всеобъемлющую теорию человека и общества. В его воображении этот труд должен был состоять из трех частей: в первой из них — «Теории нравственных чувств» — он хотел исследовать мир морали, человеческих чувств и мотивов действий человека; во второй части — «Богатстве народов» — описать экономический базис общества; в третьей части — изложить историю и теорию культуры, в частности науки и искусства.
Последние 12 лет жизни Смит работал в таможенном управлении Шотландии. Он умер в 1790 году. Через 70 лет автор «Истории цивилизации в Англии» Г. Бокль написал: «Об Адаме Смите можно сказать, не боясь опровержения, что этот одинокий шотландец изданием одного сочинения больше сделал для благоденствия человечества, чем было когда-либо сделано совокупно взятыми способностями всех государственных людей и законодателей, о которых сохранились достоверные известия в истории».
Созданию «Богатства народов» способствовали такие качества Адама Смита, как энциклопедическая ученость, исключительное трудолюбие, уравновешенность, любовь к систематизации, научное беспристрастие, независимость суждений, аналитический склад ума. Последний позволял сопоставлять весьма далекие друг от друга факты, использовать методы разных наук, в частности
11
Что такое естествознание


естествознания. Так, работая над лекциями по экономике, Смит тщательно изучал жизнь и научную деятельность Исаака Ньютона. Родившись всего за четыре года до смерти великого предшественника, он общался с людьми, которые лично знали Ньютона.
Однажды в разговоре с Хьюмом Смит заметил: «Сэр Айзек (то есть Ньютон) полагал, что его методы применимы и к нашим наукам. Недавно я .разбирался в его "Оптике" и натолкнулся на замечательную мысль. Это звучит примерно так: если натуральная философия усовершенствует свой экспериментальный метод, то это расширит пределы и нравственной философии. Человека и общество надо исследовать так же, как природу».
Рис. 1. И. Ньютон и А. Смит, англичанин и шотландец, естествоиспытатель и экономист, два гения, почти современники
Среди друзей Смита был известный в то время физик и химик доктор Блэк. Однажды, слушая сообщение Блэка о теплоте и ее измерении, Смит думал о том, каковы должны быть научный метод и форма изложения в его области? Чтобы исследовать явление, «натуральный философ» (физик, химик) мысленно выделяет его из окружающей природы, абстрагируется, отвлекается от всего несущественного, побочного; очевидно, так же надо поступать и при исследовании человеческого общества, то есть выделить предмет исследования, рассмотреть его в чистом виде. Он не мог, как Блэк, продемонстрировать опыты и тем более повторить их. Он мог только наблюдать, сопоставлять, анализировать жизненные ситуации. Жизнь общества сложна и многообразна. Прежде чем что-то анализировать, от чего-то отвлекаться, надо все это просто описать, изобразить картину в целом. Он все больше и больше убеждался в том, что в рассуждениях естествоиспытателя и философа есть что-то общее.
Так что же такое естествознание! Земля, на которой мы живем, Вселенная, простирающаяся вокруг нас, живая и неживая материя, которую мы познаем в своих ощущениях, и наконец сам человек — вот то, что изучает естествознание. Другими словами, Земля, Вселенная, материя, жизнь и человек состав-
12 • Введение____
ляют предмет естествознания. Современное естествознание образуется из таких областей научного знания, как
• физика, химия, физическая химия, механика;
• география, геология, минералогия;
• метеорология, астрономия, астрофизика, астрохимия;
• биология, ботаника, зоология, генетика;
• анатомия и физиология человека, —
и многих-многих других, изучающих нашу планету, ближний и дальний Космос, твердое вещество, жидкости и газы, живое вещество и человека как продукта природы. •
Невозможно назвать всех ученых, внесших в развитие естествознания наиболее весомый вклад, но нельзя говорить о естествознании, не вспоминая таких гениев, как Г. Галилей, И. Ньютон, Р. Декарт, М. В. Ломоносов, Ч. Дарвин, Г. Мендель, М. Фарадей, Д. И. Менделеев, В. И. Вернадский.
Ниже описываются основные концепции современного естествознания. Как известно, под термином «концепция» понимается система взглядов, то или иное понимание явлений, процессов или единый, определяющий замысел, ведущая мысль какого-либо произведения.
В 1687 году, когда вышли в свет «Начала» Ньютона, физический мир представлялся ученым цельным и взаимосвязанным. Казалось, что его можно описать с помощью небольшого числа компактных формул. Но «тот, кто копается в глубоких шахтах знания, — писал в одном из своих писем И. Ньютон, — должен, как и всякий землекоп, время от времени подниматься на поверхность подышать свежим воздухом».
Вряд ли Ньютон, однако, имел в виду издержки специализации, когда говорил о «свежем воздухе». Вряд ли он мог предвидеть, как разветвится в будущем фундаментальная наука. И вряд ли он предполагал, что углубление «шахт знания» рано или поздно может привести к результатам, обратным желаемым. Но именно это и произошло: через 300 лет круг замкнулся. Обилие новейших специальных знаний, информационный бум привели к тому, что вновь возникла острая ностальгия по универсальности.
Еще сравнительно недавно физика казалась химикам или биологам закрытой сектой, члены которой смотрят на непосвященных свысока. Это было
время бурного развития теории элементарных частиц,
_ первых экспериментов на больших ускорителях, уве-
кПрирода проста в ренности в самом скором решении проблемы получе
ния термоядерной энергии, популярных изложений
неизмеримо огата те0рии относительности и квантовой механики, когда
и разнообразна в г .
широкая публика смогла получить хоть какое-то пред-приложениях» •
ставление обо всем этом. Но теперь даже специалисты,
. ьютон работающие в близких областях физики, перестали понимать друг друга. Чтобы оценить сделанное соседом по смежной теме, требуются специальные знания. Ушли в прошлое золотые времена, когда универсалы
могли заниматься то электричеством, то теплотой, то разрабатывать математические методы. Сегодня, например, физику-ядерщику переквалифицироваться в геофизика не проще, чем в специалиста по филологии. Стало ясно: в одном
13
Что такое естествознание
нформация к размышлению
Правила философствования (Правила умозаключений в физике)
«Правило I. Не должно принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений. По этому поводу философы утверждают, что природа ничего не делает напрасно, а было бы напрасным совершать многим то, что может быть сделано меньшим. Природа проста и не роскошествует излишними причинами вещей.
Правило II. Поэтому, поскольку возможно, должно приписывать те же причины того же рода проявлениям природы.
Правило III. Такие свойства тел, которые не могут быть ни усиляемы, ни ослабляемы и которые оказываются присущими всем телам, над которыми возможно производить испытания, должны быть почитаемы за свойства тел вообще.
Правило IV. В опытной физике предложения, выведенные из совершающихся явлений с помощью наведения, несмотря на возможность противных им предположений, должны быть почитаемы за верные или в точности, или приближенно, пока не обнаружатся такие явления, которыми они еще более уточнятся или же окажутся подверженными исключениям. Так должно поступать, чтобы доводы наведения не уничтожались предположениями».
И. Ньютон. «Математические начала натуральной философии»
физическом государстве живут многие племена, говорящие на разных языках. И физика, и другие науки продолжают стремительно специализироваться. Конечно, еще можно встретить химика, переливающего раствор из колбы в колбу, или биолога, собирающего гербарий, но и в этих науках происходит модернизация методов и концепций, размежевание, выделение новых «под-наук», углубление «колодцев».
Наука стала тоньше, ювелирнее, изощреннее. Стало совершеннее оснащение науки, появились искусные косвенные методы наблюдений и регистрации в эксперименте, разработан изящный и разветвленный математический аппарат. Но при всей филигранности современные исследования стали уже, чем прежде. Объект нынешней науки расчленен и разложен на составляющие, раздроблен и отчасти рассеян. Конечно, само такое дробление — неминуемый этап познания: сначала изучается часть, потом судят о целом. Но дело как раз в том, что первый этап налицо, а второй лишь мерцает на горизонте.
Тенденция, обратная специализации, существовала всегда. Сейчас она возобладала. В объединении усилий специалистов разных отраслей знаний очень часто кроется путь к решению проблем, которые долго не могли решить методами лишь одной науки. Ярким примером является решение проблемы генетического кода: при его раскрытии использовались и сугубо биологические наблюдения, и рентгено-структурный анализ — метод экспериментальной физики. Другими примерами служат освоение медициной термометра, биологией — микроскопа.
Сегодня взаимопроникающими оказываются целые системы научных представлений. Выявляются такие объекты исследований, которые обладают свойствами и физических, и химических, и живых систем. Бывает так, что универсальная (как правило, математическая) теория сначала возникает не из нужд конкретных приложений, а в рамках фундаментальных исследований.
14 • Введение____
Потом выясняется, что она «работает» в таких конкретных областях, куда ее создатели и не думали заглядывать. Примерами могут служить теория колебаний и теория самоорганизации "(синергетика).
Свойство различных систем (физических, химических, биологических, экономических, социальных) самоструктурироваться, самоорганизовываться было отмечено задолго до появления синергетики. Изучением этих систем и их свойств занимались тысячи ученых на протяжении многих лет. Однако изучение самоорганизации как таковой долго представлялось непродуктивным. Немецкий ученый Г. Хакен сумел выделить одно общее свойство всех самоструктурирующихся систем: согласованность действий их элементов. С помощью сложного математического аппарата ему удалось описать многие явления самоорганизации.
Современную науку, переживающую фазу синтеза и наведения мостов между еще недавно весьма далекими друг от друга областями, нельзя оценивать и описывать в прежних категориях. Устаревает на глазах и существующая структура естествознания.
Призыв к объединению различных отраслей знаний не нов, как не нов и путь, который предлагает для этого современная наука: создание некоторой общей концепции, опирающейся на ряд аналогий между процессами различной природы. Ведь еще в начале XX века выдающийся немецкий физик Л. Больц-ман однажды заметил, что процесс познания есть отыскание аналогий. Учитывая тенденции к объединению идей самых различных отраслей знаний, отмечая аналогии в окружающем нас мире, исходя из способности систем самой различной природы к самоорганизации, в книге сделана попытка дать самый общий взгляд на нашу планету и Вселенную, материю и ее часть, представленную в живом веществе, человека и его взаимодействие с биосферой, а также на такие обобщающие дисциплины, как кибернетика и синергетика.
Литература
/. Аникин А. В. Адам Смит. М., 1968.
2. Климонтович Н. Ю. Без формул о синергетике. Минск, 1986.
Рисунок на обложке содержит схему радиопослания, которое было отправлено с Земли 16 ноября 1974 года в сторону большого звездного скопления М13 в созвездии Геркулеса. Сигнал был послан с помощью одного из крупнейших радиотелескопов диаметром более 300 м, построенного в кратере потухшего вулкана в Пуэрто-Рико.
Послание содержит 1679 бит информации. В нем указаны числа от 1 до 10 в двоичной системе, а также атомные номера наиболее важных химических элементов: водорода, углерода, азота, кислорода, фосфора; отмечены химические формулы составляющих ДНК — основной молекулы живого вещества. Ниже изображена химическая структура самой молекулы ДНК — двойная спираль, завершающаяся на фигуре человека. Рядом сней указан средний рост человека (176 см) и население Земли в двоичной системе. Под фигурой человека содержится условное обозначение Солнечной системы, в котором третий кружок, обозначающий Землю, приподнят к фигуре человека. Под изображением Солнечной системы в виде дуги показана антенна радиолокатора, с помощью которого послан сигнал, а стрелки указывают траекторию посланного сигнала: от излучателя в центре чаши к отражательной поверхности, а от нее — в космическое пространство. В последней строке указан диаметр антенны — 306 м. Так как звездное скопление, в сторону которого отправлен сигнал, удалено от Солнечной системы на 25 тысяч световых лет, то в случае, если сигнал будет принят разумными существам, и если они его смогут расшифровать, и у них будут технические средства для ответного послания, то в Солнечную систему оно поступит минимум через 50 тысяч лет...
ГЛАВА 1. МАТЕРИЯ
Основные проблемы главы
Из чего построен мир? Полезна ли алхимия? В чем смысл производной от ускорения? Каковы заслуги Фарадея перед человечеством?
Действуют ли силы? Часто ли встречаются колебания? Возможны ли они в химических реакциях? В чем прелесть «девятого вала»? Можно ли построить туннель, в котором свет виден не только в конце? • Почему время течет «только вперед»?
1.1. Элементарные частицы, атомы и молекулы
Все, что нас окружает, и вблизи, и в дали космических глубин, все, что составляет основу наблюдаемых нами свойств, связей и форм движения, или, по-другому, бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, — объединяется термином материя. Материя несотворима и неуничтожима, вечна и бесконечна. Неотъемлемым атрибутом материи является движение. Последнее представляет собой не только перемещение тел относительно друг друга (механическое движение), но и любое изменение свойств, состояний, связей и т. п.
Всеобщие объективные формы бытия материи — это пространство и время. Одним из самых универсальных свойств материи является ее способность отражаться в нашем сознании.
Современной науке известны следующие типы материальных систем и соответствующие им структурные уровни материи: элементарные частицы, поля, атомы, молекулы, макроскопические тела, геологические системы, планеты, звезды, внутригалактические системы, галактики, системы галактик. Особым типом материальных систем является живое вещество, то есть множество организмов. Последние отличаются от других материальных объектов прежде всего своей способностью размножаться.
По современным представлениям, «кирпичиками», из которых складывается материя, являются так называемые элементарные частицы. Это — мельчайшие известные на сегодня составляющие материи. Но способность элементарных частиц к взаимным превращениям не позволяет рассматривать их как простейшие, неразложимые «кирпичики».
Число частиц, называемых современной наукой «элементарными», очень велико: к настоящему времени их открыто около трехсот. Каждая элементарная частица, за исключением абсолютно нейтральных, имеет свою античастицу.
16 • Глава 1. Материя_____

Множество элементарных частиц делится на две группы: адроны и лептоны. Одна частица — фотон — не входит ни в одну из этих групп. Указанное деление производится по типам фундаментальных взаимодействий, в которых участвуют частицы на основе законов сохранения ряда физических величин.
Различают следующие типы фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное при- "Рмс- '•? ^одель атома' пРед˜
. -. Г ложечная Н. Бором
мерно в 100 раз и проявляется на расстояниях
порядка 10'15 м. Слабое взаимодействие, наоборот, гораздо слабее электромагнитного, но неизмеримо сильнее гравитационного.
Адроны участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильные. Адроны делятся на барионы и мезоны. К числу барионов относятся гипероны и нуклоны. Нуклоны — общее название протонов и нейтронов, являющихся основными составляющими атомных ядер.
Лептоны — это частицы, которые участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, кроме сильного. К числу лептонов относятся электроны, мю-оны, электронные и мюонные нейтрино.
Термин элементарные частицы в значительной мере условен, так как не существует четкого критерия элементарности частицы. В частности, уже установлено, что адроны имеют сложную внутреннюю структуру и, как предполагают, состоят из так называемых кварков.
По времени возможного существования в свободном состоянии все элементарные частицы делятся на стабильные и нестабильные. К стабильным относятся: фотоны, электронное и мюонное нейтрино, электроны, протоны и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 103 с (для свободных нейтронов) до 10˜22-10˜24 с (для частиц, называемых резонансами).
К элементарным частицам, из которых состоят окружающие нас объекты, относятся электроны, протоны и нейтроны. Электроны представляют собой стабильные отрицательно заряженные элементарные частицы массой около 9-10"31 кг каждая. Электроны участвуют в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях и, следовательно, относятся к лептонам. Электроны — один из основных структурных элементов вещества: электронные оболочки атомов определяют оптические, электрические, магнитные, химические свойства атомов и молекул, а также большинство свойств твердых тел.
Протоны, так же как и электроны, относятся к стабильным элементарным частицам, масса каждого из них превышает массу электрона в 1836 раз. Протон относится к барионам и представляет собой ядро легкого изотопа атома водорода (протия).
Нейтроны являются нейтральными элементарными частицами. Масса нейтрона немного превышает массу протона. Нейтроны относятся к барионам. В свободном состоянии они нестабильны и имеют время жизни около 16 мин.
1.1. Элементарные частицы, атомы и молекулы • 17

Вместе с протонами нейтроны образуют атомные ядра, причем, находясь в них, нейтроны стабильны.
Мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства, называется атомом. В центре атома находится ядро, в котором сосредоточена почти вся его масса (рис. 1.1). Ядро атома состоит из протонов и нейтронов и, следовательно, заряжено положительно. О числе протонов в ядре атома судят по порядковому номеру элемента в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева: число протонов в ядре атома какого-либо элемента равно его порядковому номеру в таблице.
Вокруг ядра атома движутся электроны. Число электронов в каждом атоме равно числу протонов в ядре (заряд всех электронов атома равен заряду ядра). Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь отрицательно или положительно заряженными. Химические свойства атомов определяются в основном числом электронов во внешней оболочке.
Электроны, входящие в состав атома, располагаются на различных расстояниях от его ядра, движутся по орбитам разной формы, имеют различные скорости и, главное, различные энергии.
Невозможно изобразить строение атома графически. Для наглядности можно представлять электроны в виде ярко светящихся шариков, которые кружатся каждый на своей орбите вокруг ядра с невообразимо огромными скоростями. При этом каждый электрон практически мгновенно очерчивает сверкающую эллиптическую кривую. Его орбита постоянно меняет свое положение относительно орбит других электронов, описывая сложную и причудливую >6ъемную фигуру, сливаясь в мерцающее облако. Это облако в одних местах наблюдателю казалось бы более ярким (в них электронная плотность выше), в других — менее ярким (вероятность пребывания в них электронов меньше). Но в облаке никаких отдельных электронов наблюдатель различить бы не смог.

Современная физика представляет себе атом как тяжелое ядро с расположенным вокруг него электронным облаком сложной структуры. Это облако является сплошным и непрерывным. Определить, где, в каких его точках в данный момент находятся электроны, невозможно. Это связано с тем, что, во-первых, пока что нет средств для такого наблюдения, во-вторых, электроны внутри атома проявляют двойственную природу: будучи элементарными частицами, они, находясь в составе атомов, ведут себя так же, как волны.
• Рис. 1.2. Электронные оболочки атома
Опыты и расчеты на основе законов квантовой механики показывают, что в каждом атоме может быть несколько групп электронов, различающихся между собой энергией и образующих вокруг атомного ядра так называемые электронные оболочки. Их можно представлять себе в виде концентрических сфер. На рис. 1.2 они условно изображены в виде окружностей. Максимальное число электронных оболочек в атоме равно семи. Обо-


18 • Глава 1. Материя


лочки обозначают буквами латинского алфавита: ближе всего к атомному ядру располагается Х-оболочка, затем идут L-, М-, N-, О-, Р- и Q-оболочки. От того, на какой из них находится электрон, зависит его энергия: на ближайшей к ядру К-оболочке энергия электрона минимальна.
• Рис. 1.3. Орбиты под-оболочек N-оболочки атома
Размеры электронных оболочек определяют размеры атома в целом. Они составляют не более 10"6 м.
Если электрон, входящий в состав атома, переходит с какого-то уровня на более глубокий, то он излучает один квант лучистой энергии — фотон. Для характеристики этого явления каждой электронной оболочке приписывают так называемое главное квантовое число. Оно обозначается через п и равно одному из чисел натурального ряда от 1 до 7 (рис. 1.2). Главное квантовое число п показывает максимально возможное число квантов, которое может испустить электрон, перемещаясь последовательно с одной орбиты на другую в направлении к ядру атома.
Электроны одной и той же оболочки могут двигаться по орбитам разного типа. Поэтому внутри каждой главной оболочки различают электронные под-оболочки. Их число зависит от главного квантового числа п и равно ему. Каждый тип орбит, образующих подоболочку, характеризуется побочным квантовым числом /. Как и все квантовые числа, оно является целым и может изменяться от 0 до и—1. Для электронных подоболочек используют обозначения буквами: s, p, d, f. Они соответствуют побочным квантовым числам: О, 1, 2, 3. На рис. 1.3 в качестве примера условно изображены типовые орбиты всех подоболочек ЛГ-оболочки атома.
Каждая из электронных подоболочек состоит из нескольких одинаковых орбит, причем их число различно, хотя и однозначно соответствует каждому типу. Последнее зависит только от второго, побочного квантового числа и определяется так называемым «магнитным» квантовым числом т. Оно также является целым и может иметь 21 + 1 значений: от — / до +/. Это объясняется тем, что каждый электрон, вращаясь на орбите вокруг ядра, по существу, представляет
нформация к размышлению

«Наше проникновение в мир атомов можно сравнить с великими, полными открытий кругосветными путешествиями и дерзкими исследованиями астрономов, проникших в глубины мирового пространства».
«Ваша идея, конечно, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной».
«Важное значение физической науки для развития общего философского мышления основано не только на ее вкладе в наше непрерывно возрастающее познание той природы, частью которой мы являемся сами; физическая наука важна и тем, что время от времени она давала случай пересматривать и улучшать нашу систему понятий как орудие познания».
Из высказываний Нильса Бора
1.1. Элементарные частицы, атомы и молекулы • 19


собой виток обмотки, по которому проходит электрический ток. При этом возникает магнитное поле, позволяющее рассматривать каждую орбиту в атоме как плоский магнитный листок. При наложении на него внешнего магнитного поля каждая электронная орбита взаимодействует с ним и стремится занять в атоме определенное положение (рис. 1.4).
U Рис. 1.4. Положение электронных орбит в атоме под влиянием магнитного поля
Каждый электрон, входящий в состав атома, еще и вращается, как планета на орбите, вокруг своей оси. Это свойство электрона называется спин. В отличие от вращения тел в макромире, где возможны любые угловые скорости, угловая скорость электрона постоянна: ни замедлить, ни ускорить, ни остановить вращение электрона нельзя. Оно одинаково для всех электронов Вселенной. Единственно, чем могут различаться электроны, находящиеся в одном атоме, так это направлением вращения вокруг своей оси. Поэтому в атоме на каждой орбите может быть только один или два электрона.
Строение атомов изучают с помощью спектров. Оказывается, атом сам рассказывает о себе на языке спектральных линий света, испускаемого или поглощаемого атомом. Такая возможность связана с тем, что основной характеристикой атома является его энергия. Она может принимать лишь определенные (дискретные) значения, соответствующие состояниям атомов, и изменяется только скачкообразно путем квантовых переходов. Поглощая порцию света, атом переходит на более высокий уровень энергии и становится возбужденным (рис. 1.5, а). Испустив в таком состоянии фотон, атом может перейти на более низкий уровень энергии (рис. 1.5, б). Уровень, соответствующий минимальной энергии атома, называется основным. Изменения энергетических состояний атомов, или так называемые квантовые переходы, однозначно обусловливают соответствующие особенности спектров поглощения и испускания, которые абсолютно индивидуальны для всех атомов, имеющих одинаковую структуру.
Совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра образует химический элемент. В настоящее время известно 107 химических элементов. Из них 19, в том числе технеций, прометий, астат, франций, нептуний, плутоний, были получены искусственно. Позже технеций, прометий и нептуний были обнаружены в земных породах, но лишь в ничтожных количествах. Наибольшее распространение на Земле имеют кислород, кремний, алюминий, железо, медь, натрий, калий, магний, титан, марганец. Они составляют 99,92 % массы всей земной коры.
Тяжелые ядра являются неустойчивыми. Поэтому америций и следующие за ним элементы в природе не обнаружены: их получают искусственно при ядерных реакциях.
Каждый атом обозначается одной или
двумя буквами латинского алфавита. Атом
углерода обозначается С, кислорода — О,
\ \_ v ) 1 \ \ v i ; кальция — Са, хлора — С1. Для водорода,
Чч ""' / \ "' / азота, серы приняты обозначения Н, N, S.
ч˜—' Атом натрия имеет обозначение Na, кото-
_ _, . „ „ , . рое происходит от старого латинского на-
• Рис. 1.5. Поглощение (а) и испуска- „
ние (б) атомом фотона с энергией hr звания поваренной соли natrium, а атом
20 • Глава 1. Материя
ополнительное чтение
«...прекрасный натуры рачительный любитель, желая испытать толь глубоко сокровенное состояние первоначальных частиц, тепа составляющих, должен высматривать все оных свойства и перемены, а особливо те, которые показывает ближайшая ее служительница и наперсница и в самые внутренние чертоги вход имеющая химия, и когда она разделенные и рассеянные частицы из растворов в твердые части соединяет и показывает разные в них фигуры, выспрашивать у осторожной и догадливой геометрии, когда твердые тела на жидкие, жидкие на твердые переменяет и разных родов материи разделяет и соединяет, советовать с точною и замысловатою механикой, и когда чрез слитие жидких материй разные цветы производит, выведывать чрез проницательную оптику.
Таким образом, когда химия пребогатый госпожи своея потаенные сокровища разбирает, любопытной и неусыпной натуры рачитель оныя чрез геометрию вымеривать, через механику развешивать и через оптику высматривать станет, то весьма вероятно, что он желаемых тайностей достигнет».



СОДЕРЖАНИЕ