ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В СОВРЕМЕННОЙ НАУЧНОЙ КАРТИНЕ МИРА

12. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В СОВРЕМЕННОЙ НАУЧНОЙ КАРТИНЕ МИРА

В истории науки существовали различные концепции пространства и времени. Их можно разделить на 2:

1. Субстанциональные (Демокрит, Ньютон). Пространство и время рассматриваются как объективные самостоятельные сущности, независящие друг от друга и от характера протекающих в них материальных процессов. Ньютон вводит понятие «абсолютное пространство» и «абсолютное время».

2. Реляционная. Отрицала существование пространства и времени, как абсолютных сущностей. Пространство и время - это особые отношения между объектами и отдельно от них не существуют. Лейбниц считал, что время – это порядок последовательности событий, а пространство – порядок сосуществования тел. Реляционная концепция сложилась после создания теории относительности и неевклидовой геометрии.

Тема 5. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

1. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Релятивистская теория создана в 1905 году. В основу этой теории Эйнштейн положил 2 постулата:

1.   Принцип относительности (сначала Галилей относительно к механическим процессам). Согласно принципу относительности Галилея все инерциальные системы (движущиеся прямолинейно и равномерно друг относительно друга) равноправны между собой в отношении описания взаимодействий.

Эйнштейн сформулировал обобщенный принцип относительности: в отношении электромагнитных явлений все инерциальные системы координат совершенно равноправны.

2.   Принцип постоянства скорости света в вакууме: скорость света в вакууме не зависит от источника движения света или наблюдателя, одинаково во всех системах отсчета и является предельной скоростью распространения.

Постулаты специальной теории относительности находятся в очевидном противоречии с теми представлениями о пространстве и времени, которые сложились в механике Ньютона. В классической механике считалась очевидной абсолютность одновременных событий, происходящих и в одной и в разных точках пространства.

В специальной теории относительности одновременность 2-ух событий, происходящих в разных точках пространства относительна: события одновременные в одной инерциальной системе отсчета не будут одновременными в другой, движущейся относительно первой.

Следствием этого вывода стало признание относительности измерения размеров тел: длина тела, измеренная разными наблюдателями или с разными скоростями должна быть различна, то же самое относится и ко времени, а именно время протекания процесса будет различным, если измерять его с разными скоростями. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, размеры тел сокращаются.

Вывод: Таким образом, специальная теория относительности установила неразрывную связь между пространством и временем – то есть изменение временных свойств и процессов всегда связано с изменением их пространственных свойств.

Подчеркивая эту связь, немецкий ученый Минковский ввел понятие «пространственно-временного континуума» или «четырехмерного пространства», в котором 3 измерения характеризуют положение, занимаемое предметом в пространстве. 4-ое пространство – это время, когда событие совершается.

2. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ В ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

В общей теории относительности было установлено, что метрические свойства зависят от силы гравитационного поля.

Массы вещества создают особое поле тяготения на свойства пространства и времени. Например, было установлено, что на Солнце все происходит медленнее, чем на Земле из-за более высокого гравитационного потенциала на его поверхности.

Вывод: В зависимости от гравитационных масс время замедляется или ускоряется, а пространство искривляется.

Неевклидова геометрия – геометрия искривленного пространства, например, в геометрии Евклида (на плоскости) предполагается, что сумма углов треугольника составляет 180⁰ , поверхность сферы в неевклидовой геометрии называется поверхностью положительной кривизны, а поверхности седла – отрицательной кривизны.

4-хмерное пространство Римана оказалось адекватным явлению гравитации.

С точки зрения общей теории относительности величина поля тяготения в каждой точке пространства зависит от его кривизны, таким образом, движение материальной точки в поле тяготения осуществляется непрямолинейно и равномерно, а по геодезической линии искривленного пространства.

Вывод общей теории относительности: общая теория относительности доказала связь пространства и времени с движущейся материей.

3. ФИЛОСОФСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

1.   Исключила из науки понятия абсолютного пространства и времени, как самостоятельных независимых от материи форм существования.

2.   Показала зависимость пространственно-временных форм от характера движения и взаимодействия материальных систем, доказав тем самым, что пространство и время – основные формы существования материи.

Сам Эйнштейн, отвечая на вопрос о сути теории относительности, сказал: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли и пространство, и время».

4. СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

Пространство – форма существования материи, характеризующая ее протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах.

Время – форма существования материи, характеризующая длительность существования всех объектов и последовательность смены состояний всех материальных систем.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА:

1.   Объективность пространства и времени заключается в том, что они существуют независимо от сознания.

2.   Всеобщность характеризуется тем, что нет и не может быть ни одного события, явления, которые существовали вне пространства и времени.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА:

1.   трехмерность;

2.   однородность заключается в равноправии всех точек пространства, отсутствия в нем каких-либо выделенных точек.

3.   Изотропность – равноправие всех возможных направлений.

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВРЕМЕНИ:

1.   Одномерность. Положение объекта во времени описывается одной величиной.

2.   Необратимость, т.е. однонаправленность. Время течет из прошлого, через настоящее, в будущее.

3.   Однородность заключается в равноправии его моментов. Не существует преимущественной точки отсчета любую можно принимать за начальную.

5. СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ. ПРОБЛЕМЫ ГЕНЕТИКИ

1.   Предмет, структура и этапы развития биологии как науки.

Биология – наука о живом, строении и функционировании живых существ и их сообществ, распространении, происхождении и развитии живых организмов, связи их друг с другом и с неживой природой.

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ:

Первые систематические попытки описания животных и растений, сведения об анатомии, физиологии человека и животных сделали мыслители античности (Гиппократ, Аристотель, Голен и др.), но самостоятельной наукой биология стала в 18-19 веках.

1.   традиционная – зачатки классификации растительного и животного мира (Бюффон, Линней и др.).

2.   эволюционная – утверждение развития.

3.   молекулярно-генетическая биология (Мендель).

Биология представляет собой комплекс наук о живой природе. В зависимости от предмета изучения в биологии выделяются микробиология, ботаника, зоология и т.д.

По уровню организации живых объектов выделяют 3 уровня:

1.   уровень биологических организмов (морфология, физиология, эмбриология)

2.   суборганизменный уровень – исследования организмов на молекулярном уровне: генетика (о наследственности), цитология (строение живых клеток), молекулярная биология изучает микроструктуру живых тканей.

3.   уровень надорганизменных образований. Сложно взаимодействующие между собой и окружающей средой (экология – связь живого с окружающей средой, биография, биоценология, др.)

Итак, объектом изучения в биологии является живое.

СВОЙСТВА ЖИВОГО:

1.   живые организмы имеют сложную упорядоченную структуру. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах.

2.   раздражимость – способность живых организмов целесообразно отвечать на воздействия среды.

3.   обмен с окружающей средой энергией и веществом, в результате чего поддерживается уровень упорядоченности организма и его частей, т.е. это открытые системы (см. синергетику).

4.   способность к росту, развитию и усложнению, причем развитие живого представлено как индивидуальным развитием (онтогенез), так и историческим, сопровождающимся образованием новых видов и прогрессивным усложнением жизни (филогенез).

5.   способность к самовоспроизведению, размножению, основано на способности молекул ДНК передавать потомкам наследственную информацию о признаках, свойствах и функциях организма.

6.   способность к саморегуляции. Живые организмы способны приспосабливаться к непрерывно изменяющимся условиям среды и интенсивности течения физиологических процессов.

7.   все живые организмы устроены из биополимеров – высокомолекулярных природных соединений (белков, нуклеиновых кислот и др.), участвующих во всех процессах жизнедеятельности организма.

Из совокупности этих признаков можно дать следующее определение жизни:

Жизнь – есть форма существования сложных открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению, построенных из биополимеров (белков, нуклеиновых кислот).

6. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ

Мир живого есть совокупность живых систем различной степени сложности и организации. По этому критерию выделяют следующие уровни организации живых систем:

1.   молекулярный. Представлен белками и нуклеиновыми кислотами, которые лишь в своей совокупности несут отдельные признаки жизни. Таким образом, живой является не отдельная молекула ДНК, РНК или белка, а их система в целом.

2.   клеточный уровень. Представляет собой сложную целостную систему, компонентом которой являются молекулярные образования.

3.   органно-ткакневый. Ткань – совокупность сходных по строению клеток, выполняющих общие функции. Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы.

4.   организменный. Представлен организмом как целостной системой взаимодействия его компонентов, выполняющих специфические функции.

5.   популяционно-видовой – сообщество особей одного вида, которое связаны между собой общим местом обитания и генофондом, скрещиваются и воспроизводят себя в потомстве.

6.   биоценозы – комплекс живых и неживых компонентов, занимающих определенную территорию – экосистема.

7.   биосфера – совокупность всех живых организмов планеты вместе с окружающей средой.

7. КОНЦЕПЦИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ЖИЗНИ

1.   Долгое время существовало представление о возможности зарождения живого из неживого: креационизм (божественное происхождение жизни, в результате акта божественного творения).

2.   Концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества. Но в 60-е годы 19-го века Луи Пастор своими опытами доказал невозможность спонтанного самозарождения простейших организмов. После этого появляются теории вечности жизни: в частности, концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда.

3.   Концепция панспермии – внеземное происхождение жизни – зародыши живых организмов занесены на Землю из космоса метеоритами и космической пылью – Рихтер. В 20 веке идею космического происхождения живого на Земле и вечности существования жизни в космосе развивал Вернадский.

4.   Биохимические концепции происхождения живого. В современной науке принята гипотеза абиогенного (небиологического) происхождения жизни под действием естественных причин. В результате длительной эволюции – химической, а затем биохимической, зародилось живое. В основе этой концепции гипотеза Опарина

Возраст Земли – 5-6 млрд. лет. Жизнь существует на Земле 3,5 млрд. лет.