Панорама современного естествознания

Вариант № 2

Выполнила:

Студентка 1 курса группы ФК^у

Щербонос С.Е.

Домашний адрес 676770

г. Райчихинск ул. Победы 58-38

Номер зачетной книжки 10041034822

Проверил:

Хабаровск 2010г.

Содержание

1 Панорама современного естествознания. 2

1.1 Важнейшие открытия в области физики.

1.2 Важнейшие открытия в области химии.

1.3 Важнейшие открытия в области биологии.

2. Звёзды и их эволюция. 9

1.1 Белый карлик.

1.2 Нейтронная звезда.

1.3 Чёрная дыра.

3. Современная наука о сущности и истоках человеческого сознания. 13

1.1 Человек способен к труду.

1.2 Человек обладает понятийным мышлением.

1.3 Человек обладает речью.

4.Список использованных источников. 18

Панорама современного естествознания

В ХХ – начале ХХI века естествознание развивалось невероятно быстрыми темпами, что обусловливалось потребностями практики. Мощным стимулом для развития науки и техники стали мировые войны, а также экономическое и военное противостояние двух военно-политических блоков, во главе которых стояли СССР и США.

В 20-30-е годы ХХ века начинается эпоха промышленной науки, крупных научно-исследовательских центров, расходующих сотни тысяч и миллионы долларов. Наука становится профессией огромного числа людей. Объём научной деятельности удваивается каждые 10-15 лет. Это проявляется в ускорении роста количества научных открытий и объёма научной информации, а также числа людей, занятых в науке. В результате – феноменальные достижения в естествознании. Наука изменила не только сферу производства, но и быт людей. Радио, телевидение, магнитофоны, компьютеры становятся обиходными вещами, также как одежда из синтетических тканей, стиральные порошки, лекарства и т.д.

Теперь рассмотрим, какие важнейшие открытия были сделаны за последние 70-80 лет.

В настоящее время в области фундаментальной теоретической физики выделяются три уровня строения материи: микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до10^{-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24}с. макромир - мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время- в секундах, минутах, часах, годах; мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которых измеряется световыми годами, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.

Основными достижениями микромира являются: установление строения атома, открытие деления урана и цепной реакции, работы по получению управляемой термоядерной реакции, построение теории элементарных частиц.

После открытия электрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц. В том числе: позитрон,(античастица электрона); мезоны – нестабильные микрочастицы; различного рода гипероны – нестабильные микрочастицы с массами больше массы нейтрона; частицы резонансы, имеющие крайне короткое время жизни; нейтрино – стабильная, не имеющая электрического заряда частица, обладающая почти невероятной проницаемостью; антинейтрино – античастица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного заряда, и др. В характеристике элементарных частиц различают четыре вида взаимодействия. сильное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие. Гравитационное взаимодействие – самое слабое, не учитывается в теории элементарных частиц; распространяется на все виды материи; имеет решающее значение, когда речь идет об очень больших массах. Элементарные частицы в настоящее время разделяют на следующие классы: фотоны, лептоны, мезоны, барионы. Они могут претерпевать взаимные превращения, в результате которых некоторые из них исчезают, а некоторые появляются. Нестабильные микрочастицы распадаются на другие, более стабильные, но это вовсе не значит что первые состоят из вторых. Таким образом, основные положения современной атомистики могут быть сформулированы следующим образом:1) атом является сложной материальной структурой, представляет собой мельчайшую частицу химического элемента;2) у каждого элемента существуют разновидности атомов(содержащиеся в природных объектах или искусственно синтезированы);3)атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого; эти. процессы осуществляются либо самопроизвольно(естественные радиоактивные превращения), либо искусственным путём(посредством различных ядерных реакцйй).

К основным достижениям в области мегамира можно отнести модель Большого взрыва, установление источника энергии Солнца, астрономические исследования вселенной.

Современная космология начала складываться в 20-е годы ХХ века на основе созданной Энштейном общей теории относительности. В 1922 году советский математик и геофизик А.А.Фридман нашёл решение уравнений общей теории относительности для замкнутой расширяющейся Вселенной. Он установил, что искривлённое пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. Открытое в 1929 году американским астрономом Э.Хабблом «красное смещение» для всех далёких источников оказалось пропорциональным расстоянию до источника, что подтверждало гипотезу о расширении видимой части Вселенной.В 1965 году американские ученые А.Пензиас и Р.Вилсон с помощью радиотелескопа установили, что во Вселенной имеется так называемое фоновое радиоизлучение, названное советским ученым И.С.Шкловским реликтовым. Таким образом, два экспериментально установленных положения – расширение Вселенной и реликтовое излучение – являются убедительными доводами в пользу так называемой теории «большого взрыва».

По современным представлениям, вначале был взрыв. Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру порядка 100млрд градусов К.При такой температуре молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 секунды после взрыва, несмотря на очень высокую температуру, была огромной: в 4000 миллионов раз больше, чем у воды. В конце первых трёх минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд. градусов К.Плотность вещества также снизилась, но ещё была близкой к плотности воды. При этой, хотя и очень высокой, температуре начали образовываться ядра тяжёлого водорода(дейтерия) и ядра гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трёх минут состояло в основном из фотонов, нейтрино, и антинейтрино. Только по истечении нескольких сотен лет начали образовываться атомы водорода и гелия. Силы гравитации превращали газ в сгустки, ставшие материалом для возникновения галактик и звёзд.

В макрофизике можно выделить достижения в трёх направлениях: в области электроники, в области создания лазеров и их применения, в области высокотемпературной сверхпроводимости.

Химию принято подразделять на пять разделов: неорганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений. С помощью неорганической химии разрабатываются методы синтеза и глубокой очистки веществ. Многие процессы проходят в условиях горения и низкотемпературной плазмы. Химические реакции часто сочетают с получением волокнистых, слоистых и монокристаллических материалов, с изготовлением электронных схем. Неорганические соединения применяются для всех отраслей промышленности, включая космическую технику, как удобрение и кормовые добавки, ядерное и ракетное топливо, фармацевтические материалы. Органическая химия – наиболее крупный раздел химической науки. Общепризнано огромное значение химии полимеров. Так, ещё в 1910 году С.В.Лебедев разработал промышленный способ получения бутадиена, а из него каучука. В 1938 году Р.Планкет открывает тефлон, создаются «вечные» смазочные масла(пластмассы и эластомеры), широко используемые космической и реактивной техникой, химической и электротехнической промышленностью. В 30-40-е годы исследования фосфорорганических соединений А.Е.Арбузовым привели к открытию лекарственных препаратов, отравляющих веществ, средств защиты растений и др. Химия ароматических и гетероциклических соединений породила производство душистых и лекарственных веществ. Проникновение органической химии в смежные области – биохимию, биологию, медицину, сельское хозяйство – привело к изучению свойств, установлению структуры и синтезу витаминов, белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков, новых средств ускорения роста растений и средств борьбы с вредителями. В 1963 году В.Виньо синтезировал инсулин, также были синтезированы окситоцин (пептидный гормон), вазопрессин (гормон, обладающий антидиуретическим действием), брадикинин (обладает сосудорасширяющим действием). Физическая химия объясняет химические явления и устанавливает их общие закономерности. В результате развития квантовой химии многие проблемы химического строения веществ решаются на основании теоретических расчётов; наряду с этим широко используются физические методы исследования – рентгеноструктурный анализ, дифракция электронов, спектроскопия, методы, основанные на применении изотопов. Аналитическая химия рассматривает принципы и методы изучения химического состава вещества. Включает количественный и качественный анализ. Современные методы аналитической химии связаны с необходимостью получения полупроводниковых и других материалов высокой частоты.

ХХ век явился продолжением не менее интенсивного прогресса в биологии. Было принято понятие «ген», введённое известным датским биологом В.Иогансоном в 1909 году и означающее единицу наследственного материала, ответственного за передачу по наследству определённого признака. Ген является определённой частью ДНК и действительно носителем только определённых наследуемых свойств, в то время как ДНК(дезоксирибонуклеиновая кислота) – носитель всей наследственной информации организма.

Известный американский биолог Т.Х.Морган сформулировал теорию наследственности. Большинство растительных и животных организмов являются диплоидными, т.е. их клетки (за исключением половых)имеют наборы парных хромосом.

Важным событием в развитии генетики стало открытие мутаций – возникающих внезапно изменений в наследственной системе организмов и потому могущих привести к устойчивому изменению свойств гибридов, передаваемых и далее по наследству. Все виды живых организмов способны мутировать, т.е. давать мутации. Голландский учёный Хуго де Фриз обнаружил, что индуцированные мутации могут возникать в результате радиоактивного облучения организмов, а также могут быть вызваны воздействием некоторых химических веществ.В дальнейшем было установлено, что не только рентгеновское, но и любое ионизированное облучение вызывает мутации.

Основные достижения в области биологии связаны также с молекулярной биологией и генетикой. Было доказано,что генетические функции в клетке выполняет не только ДНК, но и РНК(рибонуклеиновая кислота). Расшифровку молекулы ДНК произвели в 1953 году Ф.Крик(Англия) и Д.Уотсон(США). Им удалось построить модель молекулы ДНК, напоминающую двойную спираль. За короткие сроки были установлены природа гена и основные принципы его организации, воспроизведения и функционирования. Полностью расшифрован генетический код, выявлены и исследованы механизмы и главные пути образования белка в клетке. Полностью определена первичная структура многих транспортных РНК. Установлены основные принципы организации разных субклеточных частиц, многих вирусов, и разгаданы пути их биогенеза в клетке.

Другое направление молекулярной генетики – исследование мутации генов. Разрабатываются методы инженерии, позволяющие внедрить в клетку желаемую генетическую информацию. Клонирование органов и тканей – это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и в других областях медицины и биологии. Клонированные органы стали спасением для людей, попавших в автомобильные аварии и катастрофы или при заболеваниях пожилого возраста(изношенное сердце, больная печень и др.). Самый наглядный эффект клонирования – дать возможность бездетным людям иметь своих детей. Миллионы семейных пар во всем мире страдают, будучи обречёнными оставаться без потомков.

Звезды и их эволюция.

Структура вселенной – предмет изучения космологии. Главные составляющие Вселенной – галактики –громадные звёздные системы, содержащие десятки, сотни миллиардов звёзд. Звёзды – весьма стабильные грандиозные плазменные системы. Они не изменяют своих характеристик в течение огромных промежутков времени. Возраст звёзд хотя и очень велик, но не конечен. Основные фазы в эволюции звезды – её рождение(звёздообразование);длительный период существования звезды; и период её»смерти»,т.е.разрушение звезды или её сжатие.

Ход эволюции звезды зависит от её массы и исходного химического состава, который, в свою очередь, зависит от времени образования звезды и её положения в Галактике в момент образования. Чем больше масса звезды, тем быстрее идёт её эволюция и тем короче её «жизнь».Массивные звёзды и рождаются, и живут более интенсивно, чем немассивные. Самые массивные и горячие нормальные звёзды называют голубыми гигантами. Немассивные звёзды и рождаются медленнее, и живут дольше массивных. Звёзды с малой и невысокой температурой поверхности называются красными карликами. Говоря о звёздной эволюции, надо различать три значения этого понятия: эволюция отдельной звезды, эволюция отдельных типов(поколений)звёзд и эволюция звёздной материи как таковой.

Звёздообразование – это процесс рождения звёзд из межзвёздного газа, газово–пылевых образований, облаков. Процесс звёздообразования продолжается непрерывно. Звезда начинает своё существование как сжимающийся под действием собственного тяготения сгусток вещества. В ходе сжатия давление, температура и плотность в центральной области звезды достигают больших значений, и возникает термоядерная реакция, которая является источником энергии, излучаемой звездой. После того как ядерные источники энергии в ней оказываются исчерпанными, в зависимости от массы звезды (точнее от массы её ядра m₃ )существует три возможности её дальнейшей эволюции.

1).Если m₃ < 1,4 m_C (m_С – масса Солнца), то сжатие звезды прекращается,когда её плотность достигает 10⁹ кг/м³ и возникает белый карлик – звезда размером с Землю и светимостью в тысячу и более раз ниже светимости солнца. Белый карлик как бы вызревает внутри красного гиганта и появляется на свет тогда, когда красный гигант сбрасывает свои поверхностные слои, образуя планетарную туманность. Поэтому белые карлики, окружённые остатками оболочки, выглядят обычно как планетарные туманности. Белые карлики – весьма распространённое явление в нашей Галактике; около 10% её звёзд – белые карлики. Вещество белого карлика находится в состоянии вырожденного газа, давление которого зависит только от плотности, а потому противостоит силам гравитации и обеспечивает устойчивость звезды. Свечение белого карлика происходит за счёт его медленного остывания. Источником светимости белого калика является расход тепловой энергии ионов, запасённых в его недрах и образующих кристаллическую решётку. Недра белого карлика – это гигантские горячие кристаллы. Остывая, цвет белого карлика меняется: сначала он становится жёлтым, потом красным и, наконец, вовсе перестаёт излучать и путешествует в пространстве в виде маленького безжизненного объекта – черного карлика. Черный карлик – мёртвая холодная звезда, размер которой примерно равен размеру Земли, а плотность в миллиарды раз выше плотности воды.

2).Если 1,4m_С < m₃ < 2m_С, то сжатие звезды прекращается, когда её плотность достигает 10¹⁸ кг/м³ и возникает нейтронная звезда – сверхплотная часть массы взорвавшейся сверхновой звезды диаметром около 20км и состоящая в основном из нейтронов. Физические свойства нейтронной звезды меняются от её периферии к центру. Благодаря сверхтекучей нейтронной жидкости в такой звезде распространяются волны плотности. Верхний слой нейтронной звезды – твердая кора из железа, кристаллическая решётка атомных ядер железа(с примесью хрома, никеля, кобальта и др.) и вырожденных электронов. После своего образования нейтронная звезда имеет очень высокую температуру – порядка миллиарда градусов. Но они быстро остывают, ослабевает и их светимость. Характерная особенность нейтронных звёзд – высокие скорость вращения(может быть даже близкая к скорости света) и напряжённость магнитного поля, доходящая до десятков миллиардов эрстед, недостижимые в земных условиях. Нейтронные звёзды активно излучают электромагнитную энергию не только в оптическом, но и в радио-, и рентгеновском диапазоне.

3).Если т > (2-3) m_С, то стремительное сжатие ведёт к неограниченно большой плотности и неограниченно малым размерам звезды и возникает чёрная дыра. Таким образом, чёрная дыра – это область пространства-времени, в которой поле тяготения настолько сильно, что скорость, необходимая для того, чтобы преодолеть силу тяготения и улететь в бесконечность(вторая космическая скорость), должна превышать скорость света. Но поскольку в природе ничто не может двигаться со скоростью, большей скорости света, значит, из чёрной дыры ничто не может вылететь – ни излучение, ни частицы. Доступную часть пространства-времени от недоступной для внешнего далёкого наблюдателя отделяет сфера. Особенность сферы в том, что сила притяжения здесь равна бесконечности в двух областях – в центре сферы и на её поверхности. Поверхность сферы называют горизонтом событий чёрной дыры – это область, за которую ничто не выходит. Горизонт событий бесконечным потенциальным барьером отделяет чёрную дыру от внешнего наблюдателя. Необычным свойством черной дыры является фундаментальное замедление времени. Оказавшись внутри черной дыры, наблюдатель не может вернуться к поверхности, он не может даже приостановиться в том месте, где оказался. Он попадает в область бесконечной плотности, где время кончается. Чёрные дыры могут «испаряться» за счёт испускания частиц и излучения из того пространства, которое находится перед горизонтом чёрной дыры. Чем меньше дыра по массе, тем быстрее она испаряется. Массивные чёрные дыры существуют и сейчас, причём, возможно, даже в пределах Солнечной системы.