Единство материального мира

4.  Соврменная научная картина мира

Научная картина мира это  – множество теорий в совокупности описывающих известный человеку природный мир, целостная система  представлений об общих принципах  и законах устройства мироздания. Поскольку картина мира это системное  образование, ее изменение нельзя свести ни к какому единичному, пусть и  самому крупному и радикальному открытию. Как правило, речь идет о целой  серии взаимосвязанных открытий, в главных фундаментальных науках. Эти открытия почти всегда сопровождаются радикальной перестройкой метода исследования, а так же значительными изменениями  в самих нормах и идеалах научности.

Таких четко и однозначно фиксируемых радикальных смен научной  картины мира, научных революций  в истории развития науки можно  выделить три, обычно их принято персонифицировать  по именам трех ученых сыгравших наибольшую роль в происходивших изменениях.

1. Аристотелевская (VI-IV века до нашей эры) в результате этой научной революции возникла сама наука, произошло отделение науки от других форм познания и освоения мира, созданы определенные нормы и образцы научного знания. Наиболее полно эта революция отражена в трудах Аристотеля. Он создал формальную логику, т.е. учение о доказательстве, главный инструмент выведения и систематизации знания, разработал категориально понятийный аппарат. Он у твердил своеобразный канон организации научного исследования (история вопроса, постановка проблемы, аргументы за и против, обоснование решения), дифференцировал само знание, отделив науки о природе от математики и метафизики
2. Ньютоновская научная революция (XVI-XVIII века), Ее исходным пунктом считается переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической, этот переход был обусловлен серией открытий, связанных с именами Н. Коперника, Г. Галилея, И. Кеплера, Р. Декарта, И. Ньютон, подвел итог их исследованиям и сформулировал базовые принципы новой научной картины мира в общем виде.

Основные изменения:

1. Классическое естествознание заговорило языком математики, сумело выделить строго объективные количественные характеристики земных тел (форма величина, масса, движение) и выразить их в строгих математических закономерностях.
2. Наука Нового времени нашла мощную опору в методах экспериментального исследования, явлений в строго контролируемых условиях.
3. Естествознания этого времени отказалось от концепции гармоничного, завершенного, целесообразно организованного космоса, по их представления Вселенная бесконечна и объединена только действием идентичных законов.
4. Доминантой классического естествознания, становится механика, все соображения, основанные на понятиях ценности, совершенства, целеполагания, были исключены из сферы научного поиска.
5. В познавательной деятельности подразумевалась четкая оппозиция субъекта и объекта исследования. Итогом всех этих изменений явилась механистическая научная картина мира на базе экспериментально математического естествознания.
6. Эйнштейновская революция (рубеж XIX-XX веков). Ее обусловила сери открытий (открытие сложной структуры атома, явление радиоактивности, дискретного характера электромагнитного излучения и т.д.). В итоге была подорвана, важнейшая предпосылка механистической картины мира – убежденность в том, что с помощью простых сил действующих между неизменными объектами можно объяснить все явления природы.

Фундаментальные основы новой  картины мира:

1. общая и специальная теория относительности (новая теория пространства и времени привела к тому, что все системы отсчета стали равноправными, поэтому все наши представления имеют смысл только в определенной системе отсчета. Картина мира приобрела релятивный, относительный характер, видоизменились ключевые представления о пространстве, времени, причинности, непрерывности, отвергнуто однозначное противопоставление субъекта и объекта, восприятие оказалось зависимым от системы отсчета, в которую входят и субъект и объект, способа наблюдения и т.д.)
2. квантовая механика (она выявила вероятностный характер законов микромира и неустранимый корпускулярно-волновой дуализм в самых основах материи). Стало ясно, что абсолютно полную и достоверную научную картину мира не удастся создать никогда, любая из них обладает лишь относительной истинностью.

Позднее в рамках новой  картины мира произошли революции  в частных науках в в космологии (концепция не стационарной Вселенной), в биологии (развитие генетики), и т.д. Таким образом, на протяжении XX века естествознание очень сильно изменило свой облик, во всех своих разделах.

Три глобальных революции  предопределили три длительных периода  развития науки, они являются ключевыми  этапами в развитии естествознания. Это не означает, что лежащие между  ними периоды эволюционного развития науки были периодами застоя. В  это время тоже совершались важнейшие  открытия, создаются новые теории и методы, именно в ходе эволюционного  развития накапливается материал, делающий неизбежной революцию. Кроме того, между  двумя периодами развития науки разделенными научной революцией, как правило, нет неустранимых противоречий, согласно сформулированному Н. Бором, принципу соответствия, новая научная теория не отвергает полностью предшествующую, а включает ее в себя в качестве частного случая, то есть устанавливает для нее ограниченную область применения. Уже сейчас, когда с момента возникновения новой парадигмы не прошло и ста лет многие ученые высказывают предположения о близости новых глобальных революционных изменений в научной картине мира.

5. Геофизическое строение и эволюция Земли

Земля по форме представляет собой эллипсоид вращения, сплюснутый в направлении полюсов (геоид), большая полуось которого составляет 6378 км, малая полуось ≈ 6357 км. Масса Земли ≈ 6 1024 кг, средняя плотность вещества Земли ≈ 5,5 г/см3. Благодаря гравитационному полю Земля удерживает вокруг себя атмосферу, масса которой оценивается в 5,15⋅1018 кг. Вращение Земли вокруг своей оси приводит к смене дня и ночи. В настоящее время период вращения Земли, т.е. сутки, составляет 23 ч 56 мин. 4,1 с. Обращение Земли вокруг Солнца приводит к смене времен года,  продолжительность которого 365,24 суток. Гравитационное притяжение Луны создает приливное движение атмосферы и водной оболочки планеты, а также приводит к деформации «твердой» Земли. Согласно современным космологическим представлениям Земля образовалась около 4,6 млрд. лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого облака, содержащего все известные в природе химические элементы. Под действием гравитационного сжатия, а возможно и за счет теплоты, выделяющейся при распаде радиоактивных элементов (урана, тория, калия), происходил постепенный разогрев земных недр. За счет гравитационного поля первичное вещество нашей планеты сжималось, принимало форму шара, недра которого разогревались до 5000 К и выше. Происходили процессы перемещения вещества: более легкие породы выдавливались из глубины на поверхность и образовывали земную кору, тяжелые опускались к ядру. Разогрев сопровождался бурной вулканической деятельностью: пары, газы и расплавленная магма вырывались наружу, рождая гидросферу и атмосферу; постепенно Земля остывала, появились облака, водяные пары конденсировались в океан. В результате образовались различные по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам геосферы: ядро (в центре), мантия, земная кора, гидросфера, атмосфера и магнитосфера.

Ядро Земли, по данным сейсмических исследований, твердое в центре

(шар радиусом 1217 км с  плотностью около 13 г/см3) и жидкое снаружи. Радиус всего ядра 3476 км, а плотность жидкости на его внешней границе 9,9 г/см3. Твердая часть ядра состоит преимущественно из железа и никеля, а жидкая – из оксида и сульфида железа. Температура ядра T ≈ 5000 K. По мере продвижения к центру ядра температура возрастает, однако из-за высокого давления  вещество там остается в твердом состоянии.

Мантия – это твердая оболочка, окружающая ядро, толщиной около 2900 км, ее плотность на границе с ядром примерно равна ≈ 5,5 г/см3, а на внешней границе с земной корой ≈ 3,0 г/см3.

Земная  кора – это внешняя оболочка твердой Земли. Она имеет толщину от 8 до 10 км под океаном и до 70 км в горных районах.

Литосфера Земли – это земная кора и часть верхней мантии глубиной примерно до 80 км в океане и около 150 км под континентами. Согласно современной геофизической теории строения Земли, литосфера расколота на большие плиты до нескольких тысяч километров в поперечнике, ограниченные со всех сторон сейсмически и тектонически активными зонами разломов.

Гидросфера  Земли – это все воды планеты. По оценкам масса всей воды

на Земле составляет около 1,4 ⋅10 21кг. Она занимает примерно 2/3 поверхности планеты. Основная доля общего объема воды, около 94%, сосредоточена в водах Мирового океана, т.е. морях и океанах; 4% заключено в подземных резервуарах; около 2% составляют пресные воды рек, озер, болот и ледников; небольшое ее количество содержится в виде водяного пара в атмосфере.

Мировой океан – это непрерывная водная оболочка Земли, окружающая материки и острова. Океан делится материками на 4 части: Тихий, Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны.

Атмосфера – это газообразная оболочка Земли, которая вращается вместе с ней и простирается в высоту примерно до 2000 км. Давление и плотность атмосферы довольно быстро убывают с высотой. У поверхности Земли атмосферное давление равно 105 Па или 1 атмосфера (1 атм =760 мм. рт. ст.), а на высоте 500 км оно составляет всего 10−6 Па, что соответствует глубокому вакууму.

Тропосфера – это слой атмосферы, прилегающий к поверхности Земли и простирающийся в высоту до (16–18) км в тропиках и до (8–10) км в полярных широтах. В тропосфере содержится около 80% всей массы атмосферы и основная масса атмосферной воды. Температура тропосферы понижается с высотой в среднем на 6 0С на каждый 1 км высоты.

Стратосфера – это слой атмосферы, расположенный над тропосферой и простирающийся до высоты (55–60) км. От тропосферы она отделена тропопаузой с температурой около –60 0С. В стратосфере содержится около 20% атмосферной массы и почти весь озон атмосферы.

Ионосфера простирается в высоту от 80 км до 800–1000 км. Она первой принимает на себя потоки космических лучей и солнечного ветра и частично поглощает и задерживает их.

Магнитосфера – это область околоземного пространства, физические свойства которого определяются магнитным полем Земли (геомагнитным) и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического и солнечного происхождения. Из-за давления солнечного ветра магнитосфера нашей планеты несимметрична. С солнечной стороны она простирается в высоту до 8–14 земных радиусов, а с ночной стороны образует шлейф до 1 млн. км.

6. Происхождение и эволюция жизни на Земле 

В современном естествознании принята материалистическая концепция, согласно которой жизнь на Земле возникла в результате биохимической эволюции материи и развивалась вместе с эволюцией самой Земли. Эта концепция основана на научных достижениях молекулярной биологии, космохимии и геохимии, палеонтологии и геологии. Основоположниками ее являются известный русский биохимик А.И. Опарин (1894–1980), английские естествоиспытатели Дж. Бернал (1901–1971) и Б. Холдейн (1882–1964) и др. Процесс становления жизни на Земле, согласно этой концепции, связывают с биохимической эволюцией и подразделяют на четыре этапа. На первом этапе происходил синтез низкомолекулярных органических соединений (мономеров на углеродной основе). Затем произошла полимеризация мономеров с образованием цепей белков и нуклеиновых кислот.

      На третьем этапе образовались фазово-обособленные системы органических веществ, отделенные от внешней среды мембраной. И, наконец, возникли простейшие клетки, обладающие свойствами живого, в том числе способностью делиться и передавать дочерним клеткам все химические и метаболические свойства родительских клеток. Жизнь – это высшая природная форма движения материи. Она характеризуется соморегуляцией и самовоспроизведением, т.е. способностью хранить и передавать наследственную информацию.    Ее вещественную основу составляют белки и нуклеиновые кислоты. Носителями жизни являются живые организмы. Это открытые разноуровневые системы, обладающие целым рядом специфических свойств, присущих только живому. Все многообразие живых организмов на Земле, с точки зрения современного естествознания, появилось в результате длительных эволюционных процессов.

Основными этапами эволюции форм живых организмов считают следующие:

• появление простейших живых клеток-прокариотов, а затем высоко- организованных клеток-эукариотов;

• появление многоклеточных организмов на основе объединения клеток эукариотов с различными функциональными признаками;

• появление высших животных. Формирование у высших животных развитой нервной системы и мозга, как объединяющего центра отдельных функций организма;

• появление человека.

Формирование разума, социальных систем (общества), социального сознания. Процесс эволюции жизни на Земле от простейших одноклеточных организмов к современному ее состоянию происходил чрезвычайно медленно, в течение 3–4 млрд. лет. По данным палеонтологических находок окаменелостей считается, что первые простейшие одноклеточные организмы – прокариоты появились на Земле примерно 3,6 млрд. лет назад. В современном виде жизнь на Земле многочисленна и многообразна. Она представлена одноклеточными и многоклеточными формами. К первым относятся многочисленные вирусы и бактериофаги различной формы и размерами от 20 до 300 нм. Многоклеточные организмы разделяются на четыре царства: бактерии – около 3 тысяч видов; грибы – около 900 тысяч видов; растения – более 800 тысяч видов и животные – более 1,2 млн. видов. При этом считается, что изучено примерно 70% существующих видов. Все это многообразие видов составляет генофонд планеты, ее богатство. Вид, как совокупность популяций особей, обладающих общими физиологическими и морфологическими признаками, является носителем наследственной информации, которая хранится внутри вида и исчезает вместе с

ним, поскольку виды не скрещиваются, и в последующем более не

восстанавливается.

7. Молекулярно-генетические основы жизни на Земле

Молекулярно-генетический уровень – это самый глубинный уровень, на котором совершается переход от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого, которыми являются нуклеиновые кислоты, белки, фосфорорганические соединения, углеводы, липиды (жиры). Фундаментальную основу жизни, то есть способность сохранять и передавать наследственную информацию организма, несут на себе молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты), которые находятся в ядре клетки, а также молекулы РНК (рибонуклеиновые кислоты), которые могут считывать информацию ДНК и строить соответствующие белки для жизнеобеспечения организма Структурная модель ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 году американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком Ф. Криком. Английский биофизик М. Уилкинс методом рентгеноструктурного анализа подтвердил эту модель. Все трое за данную работу были удостоены Нобелевской премии в 1962 году. Диаметр молекулы ДНК составляет примерно 2 нм, расстояние между соседними парами оснований спирали ≈ 0,34 нм, полный оборот спирали завершается через 10 пар оснований, а длина зависит от организма, которому принадлежит эта молекула ДНК. У простейших вирусов ДНК содержит несколько тысяч звеньев, у бактерий – миллионы, у высших организмов – до миллиарда. ДНК человека содержит примерно 109 звеньев. Двойная спиральная молекула ДНК размещена в ядре клетки. Несмотря на размеры, она столь искусно упакована, что имеется доступ к каждому ее отдельному участку – гену.