Концепции современного естествознания. Рекомендовано сибирским региональным учебно-методическим центром высшего

 

Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим
центром высшего профессионального образования для межвузовского
использования в качестве учебного пособия для студентов
технических, экономических и управленческих направлений и специальностей

 

 

Бийск

Издательство Алтайского государственного технического
университета им. И.И. Ползунова

2011

УДК 51.001.13 (075.8)

ББК 20

К38

 

Рецензенты:

А.А. Павленко, доктор физико-математических наук, заведующий лабора-торией, доцент (Институт проблем химико-энергетических технологий СО РАН); А.М. Псарев, доктор биологических наук, профессор (Бийский педагогический государственный университет им. В.М. Шукшина).

 

Работа подготовлена на кафедре физики Бийского технологического института Ал-тайского государственного технического университета.

Кижаев, Ф.Г.

К38	Концепции современного естествознания: учебное пособие / Ф.Г. Кижаев; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2011. – 445 с. ISBN 978-5-9257-0206-2

 

Настоящее издание представляет собой учебное пособие по курсу «Концепции современного естествознания», подготовленное в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов экономических и управленческих специальностей. Рассматриваются актуальные проблемы современного естествознания, включая физику, космологию, геологию, химию, биологию. Раскрываются принципы глобального эволюционизма, самоорганизации материи от простого к сложному, от хаоса к порядку в открытых неравновесных нелинейных материальных системах. Особое внимание уделяется специфике естественно-научного познания, его роли в развитии культуры и формировании естественно-научной картины мира.

Предназначено для студентов высших учебных заведений и всех интересующихся проблемами современного естествознания.

 

УДК 51.001.13 (0.75.8)

ББК 20

Рассмотрено и одобрено на заседании научно-методического совета
Бийского технологического института

Протокол № от 2010 г.

 

ISBN 978-5-9257-0206-2	© Кижаев Ф.Г., 2011
	© БТИ АлтГТУ, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………	5
1 ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОЕ ПОЗНАНИЕ И ЕГО СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ....	8
1.1 Естествознание, предмет и цели его познания………………………………….	8
1.2 Обыденное и научное знание………………………………………………….…	9
1.3 Основные элементы и функции научного познания……………………………	10
1.4 Общая характеристика методов научного познания…………………………..	12
1.5 Классификация методов научного познания…………………………………...	14
1.6 Эмпирический уровень научного познания и его методы…………………..…	14
1.7 Теоретический уровень познания и его методы……………………………...…	15
1.8 Методы, применяемые на эмпирическом и теоретическом уровне познания	18
1.9 Критерии и нормы научности……………………………………………..…..…	19
1.10 Логика и закономерности развития науки…………………………………..….	21
2 ВОЗНИКНОВЕНИЕ И СТАНОВЛЕНИЕ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ………………………	25
2.1 Истоки современной науки…………………………………………………….…	25
2.2 Наука эпохи античности……………………………………………………….…	25
2.3 Научные программы античности……………………………………………...…	26
2.4 Атомистическая научная программа Демокрита–Эпикура………………….…	27
2.5 Континуалистская программа Анаксагора–Аристотеля……………………....	29
2.6 Естествознание эпохи эллинизма и раннего Средневековья……………….….	33
2.7 Естествознание эпохи Средневековья………………………………………...…	35
2.8 Гелиоцентрическая система мира………………………………………………..	36
3 МЕХАНИЧЕСКАЯ ПАРАДИГМА В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ…………………………..	42
3.1 Становление классической механики…………………………………….…...…	42
3.2 Научная программа Ньютона……………………………………………………	43
3.3 Классический принцип относительности……………………………………..…	46
3.4 Механическая картина мира…………………………………………………..…	47
3.5 Законы сохранения……………………………………………………………..…	49
3.6 Законы сохранения и их связь с симметрией пространства и времени………	57
4 КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА………………...………	62
4.1 Электрические и магнитные явления………………………………………….…	62
4.2 Электромагнитное поле. Теория Максвелла………………………………….…	65
4.3 Колебания и волны в природе……………………………………………………	69
4.4 Электромагнитные волны……………………………………………………...…	76
4.5 Электромагнитная природа света……………………………………………..…	78
5 РЕЛЯТИВИСТСКИЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ…....	101
5.1 Элементы специальной теории относительности…………………………….....	101
5.2 Общая теория относительности (теория тяготения)…………………………....	114
5.3 Кризис классической физики………………………...………………….………..	125
6 КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВАНИЯ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ…………………..….	133
6.1 Тепловое излучение. Квантовая гипотеза Планка……………………………....	133
6.2 Физика атома………………………………………………...…...………………..	140
6.3 Спонтанные и вынужденные переходы………………………………..………..	144
6.4 Концепции квантовой механики……………………………….……………...…	149
6.5 Квантовая теория атома водорода………………………………………………..	168
6.6 Квантово-полевые концепции…………………………………………...............	177
6.7 Элементарные частицы…………………………………………………...………	182
6.8 Законы сохранения и симметрия в микромире………………………….………	194
7 КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ФИЗИКИ МАКРОСКОПИЧЕСКИХ СИСТЕМ……………………………………………………………………………….….…	200
7.1 Термодинамический метод…………………………………………………….…	200
7.2 Первое начало термодинамики………………………………………………..…	205
7.3 Второе начало термодинамики………………………………………………...…	209
7.4 Статистический метод………………………………………………………….…	213
7.5 Синергетика. Принцип самоорганизации различных сложных систем……...	220
8 СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ…………………………………..…….…	230
8.1 Крупномасштабная структура Вселенной……………………………………….	230
8.2 Космологические модели эволюции Вселенной………………………..…...….	234
8.3 Эволюция звезд и галактик……………………………………………...…….....	246
8.4 Солнечная система……………………………………………………………..…	259
8.5 Космологические гипотезы происхождения Солнечной системы…………….	266
9 ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ………………………………………………….…	276
9.1 Геологическая шкала времени. Геохронология………………………..……....	276
9.2 Строение Земли……………………………………………………….………...…	279
9.3 Основные геотектонические гипотезы………………………...………………...	288
9.4 Географическая оболочка…………………………………………….……..…...	291
10 ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ…………………..………………………………….…	294
10.1 Химия и предмет ее познания…………………………………………………..	294
10.2 Концепции натурфилософской химии………………………………………….	296
10.3 Учение об элементном и молекулярном составе веществ………………….....	297
10.4 Основные законы химии……………………………………………………...…	299
10.5 Природа химической связи…………………………………………………......	301
10.6 Структурная химия…………………………………………………….……...…	308
10.7 Химические процессы………………………………………………..……….…	317
10.8 Основные представления химической кинетики…………………………..….	321
10.9 Эволюционная химия……………………………………………………………	328
11 БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ………..………………………………………….	333
11.1 Биология и предмет ее познания……………………………….…………..….	333
11.2 Физико-химическая биология……………………………..……………..…..…	335
11.3 Эволюционная биология…………………………………………..………....…	336
11.4 Молекулярная структура биологических систем………………………….....	339
11.5 Энергетический метаболизм………………………………………………….....	347
11.6 Концепции происхождения жизни……………………………….………….….	352
11.7 Эволюция и многообразие жизни…………………………………...……...…..	364
11.8 Генные механизмы функционирования живого………………..…………...…	370
11.9 Генетическая рекомбинация ДНК…………………………………………....…	381
11.10 Клеточный уровень организации………………………………………....…	386
11.11 Размножение и индивидуальное развитие организмов…………………...….	390
11.12 Мендель и законы наследственности……………………………………….…	394
11.13 Современная теория эволюции…………………………………..………….…	396
11.14 Особенности эволюции биосферы…………………………………………….	400
11.15 Современная естественно-научная картина мира……………………..……	417
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Греческий алфавит…………………………………………………....	427
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Множители для десятичных кратных и дольных единиц…………..	428
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Фундаментальные физические постоянные………………………...	429
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Требования Государственного образовательного стандарта к обязательному минимуму содержания дисциплины «Концепции современного естествознания»……………………………………………………………………………..	430
ЛИТЕРАТУРА…………..…………………………………………………………....……...	431
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ…………………………………….………………………...........	433

ВВЕДЕНИЕ

 

Перешагнув рубеж ХХ века и вступив в XXI в., человечество все активнее подвергает анализу и переоценке многое из того, что определяло его развитие на протяжении последних десятилетий ХХ в., что должно быть взято в новый век и новое тысячелетие, а что надо отбросить или изменить.

ХХ в., по праву, можно назвать веком науки, именно в этом веке были сделаны около 90 % всех важнейших научных открытий и лишь 10 % за предшествующий период развития человечества.

Наука и научно-технический прогресс коренным образом изменили структуру чело-веческой деятельности. Использование «высоких технологий» создает принципиально новую ситуацию в сфере производства, потребления, быта и отдыха людей, что во многом определяет мировоззрение и психологию человека.

Научно-технический прогресс привел не только к триумфу техногенной цивилизации, но и вызвал ряд глобальных проблем, от решения которых зависит судьба человечества и сохранение жизни на Земле. Наиболее значимыми проблемами современности являются: проблема войны и мира, ограниченность природных ресурсов и экологические проблемы. Обострились также проблемы, связанные с системой человек–общество: демографии, науки, образования, здравоохранения и другие. Все эти проблемы носят системный характер, они взаимосвязаны и взаимообусловлены.

В решении сложных задач на помощь человеку всегда приходила наука. Сторонники технократического, технотронного и постиндустриального общества считают, что наука
и техника на современном уровне их развития способны разрешить все накопившиеся
перед человечеством проблемы. Однако в последние десятилетия получили распро-
странение и прямо противоположные концепции – технофобии. С этой точки зрения
научно-технический прогресс принимает такие масштабы, что грозит выйти из-под контроля общества и стать мощной разрушительной силой цивилизации и окружающей среды. Чтобы ответить на вызов времени, общество должно представлять, в каком положении находятся наука и техника сегодня, что они предлагают и чем угрожают народам в будущем.

Сравнительно недавно, немногим более полвека назад, наука, являясь наиболее концентрированным выражением человеческого разума, развивалась в основном в сфере научных учреждений и производства, не затрагивая общественные основы жизнедеятель-ности людей. Положение резко изменилось после того, как США сбросили первые атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки. Стало очевидным, что даже самые абстрактные разделы науки, например теоретическая физика, имеют тесную связь с социально-экономической жизнью, с политикой.

Непосредственное влияние науки на будущее человечества не ограничивается только тем, что от военного применения ее открытий оказалось под вопросом само его существование. Внедрение научных открытий в производство часто сопровождается возникновением сложных проблем, которые могут представлять реальную опасность для человека, общества и окружающей среды.

Особенно это относится к не до конца изученным технологиям, к которым можно отнести: захоронение радиоактивных отходов, некоторые виды биотехнологий, генную инженерию (клонирование животных, а в перспективе и человека) и другие.

Но главная социальная проблема современности заключается в существенном отрыве уровня развития науки и технологий производства от уровня развития общества, самого человека. От того, как будет решаться эта главная проблема, зависит построение стратегии научно-технического прогресса как силы, которая может либо угрожать, либо способствовать развитию человека и цивилизации. Итак, каким будет Мир в будущем зависит во многом от ценностных ориентацией новых поколений молодых специалистов. Поэтому на первый план в области их подготовки выдвинулась концепция формирования гармонически развитой интеллектуальной личности, способной преодолеть профессиональную замкнутость и культурную ограниченность.

Особая роль при этом отводится курсу «Концепции современного естествознания», целью которого является получение естественно-научного образования студентами гуманитарного направления. Это необходимо по следующим причинам:

1) методы современного естествознания приобретают значение общенаучных и широ-ко используются в общественных и гуманитарных науках;

2) фундаментальные науки о природе формируют особый тип рационального мыш-ления и подлинно научного мировоззрения, основанного на научном методе;

3) естественно-научное образование способствует сближению двух типов культур:
естественно-научной и гуманитарной, долгое время находящихся в состоянии противоборства;

4) критический подход, рациональность, аналитичность и системность, присущие естественно-научному знанию, способствуют принятию наиболее оптимальных решений в сфере управления, позволяют критически оценивать ограниченность и модельность наших представлений о поведении сложных систем, понимать специфику природных и социальных явлений в их взаимосвязи и взаимодействии.

Содержание настоящего учебного пособия по дисциплине «Концепции современного естествознания» соответствует требованиям Государственных образовательных стандар-тов (федеральный компонент) и предназначено для студентов экономических и управ-ленческих специальностей высших учебных заведений всех форм обучения.

В настоящее время, как заметил В.А. Канке, в преподавании курса «Концепции
современного естествознания» наметились два подхода: философский и конкретно-
научный.

Философский подход носит абстрактный и декларативный характер. Он лишен доказательной базы и студенты вынуждены значимость информации принимать на веру. Такой способ преподавания курса «Концепции современного естествознания», по мнению автора, не достигает главной цели: понимания концептуальных основ и проблем современного естествознания и формированию у студентов естественно-научного образа мышления.

В основе второго подхода преподавания этого курса лежит конкретно-научный формализм, отличающийся от философского полной своей противоположностью – преобла-данием конкретной информации в ущерб раскрытия их концептуальной сущности. Кроме того, в рамках данного подхода невозможно осуществить изложение всего материала, предусмотренного образовательными стандартами.

В данном учебном пособии автор стремился к более сбалансированному изложению рассматриваемых концепцией путем расширения и углубления их доказательной базы. При этом фундаментальные принципы и законы современного естествознания получают философское обобщение, что находит отражение в построении естественно-научной картины мира. Изложение материала допускает многоуровневый вариативный подход к изучению курса в зависимости от тематического плана и объема часов, предусмотренных образовательными стандартами, что позволяет использовать учебное пособие и в том случае, когда концепции современного естествознания представлены в учебном процессе физикой и химией.

Математический аппарат, используемый в учебном пособии, большей частью носит иллюстративный характер (если не предусмотрено иное в соответствии с образова-тельным стандартом) и выступает в качестве своеобразной «охранной грамоты» концеп-туальной идеи.

Большое внимание в учебном пособии уделяется естественно-научным методам, которые стали широко применяться в гуманитарных дисциплинах. К ним, в первую очередь, следует отнести статистические методы, теорию информации и синергетику – науку о процессах самоорганизации в неравновесных открытых системах. При изложении материала автор стремился к раскрытию проблем современного естествознания на основе синтеза знаний, полученных различными естественно-научными дисциплинами. Такой подход, по мнению автора, отображает единство и многообразие окружающего нас мира и способствует формированию естественно-научного мировоззрения. Автор надеется, что усвоение содержания курса выработает у студентов иммунитет к антинаучным знаниям, различным проявлениям иррациональности и мистицизма.

Уровень школьной подготовки большинства студентов экономических специаль-ностей позволяет понять рассматриваемые концепции, если они должным образом оформлены эмпирически и теоретически. В вопросах сочетания конкретно-научного формализма с концептуальным содержанием курса, автор придерживается линии, очерченной в работах Т.Я. Дубнищевой и В.А. Канке, в которых рассмотрение концепций современного естествознания сопровождается их глубоким теоретическим обоснованием.

Данное учебное пособие является обобщением опыта более чем 12-летнего препо-давания курса «Концепции современного естествознания» в Бийском технологическом институте.

1 ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОЕ ПОЗНАНИЕ
И ЕГО СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ