Эволюция научного метода и естественнонаучной картины мира

- вероятность  (числовая мера случайности)

- среднее значение  величины

- флуктуация (случайное  отклонение системы от среднего (наиболее вероятного) состояния)

Примеры статистических теорий:

- молекулярно-кинетическая  теория (исторически первая статистическая теория),

- квантовая механика, другие квантовые теории

- эволюционная  теория Дарвина, 

- молекулярная генетика

Соответствие  динамических и статистических теорий: их предсказания совпадают, когда можно  пренебречь флуктуациями; в остальных  случаях статистические теории дают более глубокое, детальное и точное описание реальности 

Тема 2-04-02. Концепции квантовой механики 

Корпускулярные  свойства света: фотоэффект (выбивание электронов из вещества под воздействием света)

Волновые свойства частиц. Дифракция электронов

Корпускулярно-волновой дуализм как всеобщее свойство материи  (каждый материальный объект имеет как корпускулярные, так и волновые свойства)

Мысленный эксперимент  «микроскоп Гейзенберга» (чтобы наблюдать микрочастицу, нужно на нее направить пучок света, при этом меняется ее импульс)

Соотношение неопределенностей  координата-импульс (скорость) (чем точнее измеряется координата, тем менее точно измеряется импульс)

Соотношение неопределенностей  энергия-время (чем меньше промежуток времени, в течение которого протекает процесс, тем больше неопределенность в значении энергии частицы ΔE*Δt≥t)

Принцип дополнительности как утверждение о том, что:

- невозможны  невозмущающие измерения (измерение  одной величины делает невозможным  или неточным измерение другой, дополнительной к ней величины)

- полное понимание  природы микрообъекта требует  учёта как его корпускулярных, так и волновых свойств, хотя  они не могут проявляться в  одном и том же эксперименте

- (в широком  смысле) для полного понимания  любого предмета или процесса необходимы несовместимые, но взаимодополняющие точки зрения на него

Описание состояния  в квантовой механике: волновая функция (характеризует вероятность нахождения электрона в данной области)

Статистический  характер квантового описания природы (законы микромира являются статистическими, т.е. вероятностными)

Соответствие  квантовой и классической механики: их предсказания совпадают для макроскопических объектов, для которых несущественны  соотношения неопределённостей  и корпускулярно-волновой дуализм 

Тема  2-04-03. Принцип возрастания энтропии

 
Формы энергии: тепловая, химическая, механическая, электрическая

Первый закон  термодинамики — закон сохранения энергии при ее превращениях

Первый закон  термодинамики как утверждение  о невозможности вечного двигателя  первого рода

Изолированные и открытые системы (открытые системы обмениваются с окружающей средой веществом и энергией)

Термодинамическое равновесие как состояние, к которому самопроизвольно стремится любая изолированная система 
Признаки равновесного состояния: 
- однородность 
- отсутствие потоков вещества, энергии, заряда и т.п. 
Второй закон термодинамики как принцип возрастания энтропии в изолированных системах

Энтропия как  измеряемая физическая величина (приведенная теплота)

Изменение энтропии тел при теплообмене между ними

Второй закон  термодинамики как принцип направленности теплообмена (от горячего к холодному)

Качество (ценность) энергии (качество энергии – это ее способность совершать работу; самая низкокачественная энергия – это тепловая энергия при наименьшей температуре)

Высококачественные  формы энергии: механическая, электрическая

Низкокачественная форма энергии: теплота

Понижение качества тепловой энергии с понижением температуры

Энтропия как  мера некачественности энергии

Второй закон  термодинамики как принцип неизбежного понижения качества энергии

Второй закон  термодинамики как утверждение  о невозможности вечного двигателя второго рода

Энтропия как  мера молекулярного беспорядка

Второй закон  термодинамики как принцип нарастания беспорядка и разрушения структур

Закономерность эволюции на фоне всеобщего роста энтропии

Энтропия открытой системы: производство энтропии в системе, входящий и выходящий потоки энтропии

Термодинамика жизни: добывание упорядоченности из окружающей среды (живые организмы потребляют химическую энергию пищи (энергию упорядоченного движения) и рассеивают ее в виде тепловой энергии (энергии беспорядочного движения частиц)) 

 Тема 2-04-04. Закономерности самоорганизации. Принципы универсального 
         эволюционизма 

Синергетика —  теория самоорганизации

Междисциплинарный характер синергетики

Самоорганизация в природных и социальных системах как самопроизвольное возникновение  упорядоченных неравновесных структур в силу объективных законов природы и общества

Примеры самоорганизации  в простейших системах: лазерное излучение, ячейки Бенара, реакция Белоусова-Жаботинского, спиральные волны

Необходимые условия  самоорганизации: неравновесность и нелинейность системы

Признак неравновесности системы: протекание потоков вещества, энергии, заряда и т.д.

Диссипация (рассеяние) энергии в неравновесной системе (энергия упорядоченного движения рассеивается в виде энергии теплового движения)

Диссипативная структура — неравновесная упорядоченная структура, возникшая в результате самоорганизации (она существует только при непрерывном притоке и оттоке энергии)

Пороговый характер (внезапность) явлений самоорганизации (при плавном изменении внешних условий свойства системы меняются скачкообразно)

Точка бифуркации как момент кризиса, потери устойчивости (критическое состояние системы, при котором она случайно выбирает один из возможных путей дальнейшего развития)

Рост флуктуаций по мере приближения к точке бифуркации (теоретическое положение и примеры)

Стабилизация  флуктуаций за точкой бифуркации (порядок из хаоса)

Синхронизация частей системы в процессе самоорганизации

Понижение энтропии системы при самоорганизации

Повышение энтропии окружающей среды при самоорганизации

Универсальный эволюционизм как научная программа современности, его принципы:

- всё существует  в развитии;

- развитие как  чередование медленных количественных  и быстрых качественных изменений (бифуркаций);

- законы природы  как принципы отбора допустимых состояний из всех мыслимых;

- фундаментальная  и неустранимая роль случайности и неопределенности;

- непредсказуемость  пути выхода из точки бифуркации (прошлое влияет на будущее, но не определяет его);

- устойчивость  и надежность природных систем  как результат их постоянного обновления 

5. Панорама современного естествознания

Тема  2-05-01.Космология (мегамир)

 

Космология –  наука о Вселенной в целом, ее строении, происхождении и эволюции

Космологические представления Аристотеля: шарообразная неоднородная Вселенная

Геоцентрическая система мира Птолемея (Земля – в центре Вселенной)

Гелиоцентрическая система мира Коперника (Солнце – в центре)

Ньютоновская  космология: безграничная, бесконечная, однородная и неизменная Вселенная

Общая теория относительности  как теоретическая основа современной научной космологии

Вселенная Эйнштейна: однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества

Космологическая модель Фридмана: Вселенная нестационарна  (может только либо расширяться, либо сжиматься)

Наблюдаемая однородность Вселенной в очень больших масштабах

Наблюдательное  подтверждение нестационарности Вселенной: красное смещение в спектрах галактик, возникающее благодаря эффекту Доплера при их удалении от наблюдателя (разбегание галактик)

Закон Хаббла: скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них V=H*r

Постоянная Хаббла (75 км/с*МПк)

Возраст Вселенной  — понятие (время, прошедшее с момента начала расширения) и современные оценки (12–15 млрд. лет)

Понятие о космологической  сингулярности (нулевой объем с бесконечной плотностью)

Три фридмановских  модели эволюции Вселенной, критерий выбора между ними: средняя плотность  материи во Вселенной (а) если средняя плотность вещества во Вселенной меньше некоторой критической величины, то расширение Вселенной будет продолжаться всегда с ускорением; б) если средняя плотность вещества во Вселенной равна критической величине, то расширение Вселенной происходит с постепенным уменьшением скорости; в) если средняя плотность вещества во Вселенной больше критической величины, тогда гравитационное поле, порожденное материей, искривляет Вселенную, замыкая ее на себя; расширение Вселенной остановится и она снова начнет сжиматься, затем снова произойдет взрыв и т.д. (концепция пульсирующей Вселенной или замкнутая модель))

Современная оценка средней плотности материи во Вселенной–с высокой точностью равна критическому значению

Вклад основных видов материи в её среднюю  плотность во Вселенной:

- обычное вещество (в основном, звёзды в галактиках) — менее 5%

- «тёмное вещество» (взаимодействует с обычным веществом только гравитационно, распределено в пространстве неоднородно)

- «тёмная энергия» (строго однородна, создаёт всемирное  отталкивание) — более 70% 

Тема  2-05-02. Геологическая эволюция 

Земля как планета, ее отличия от других планет земной группы (у Земли сильное магнитное поле, хорошо развитая гидросфера. В атмосфере Земли мало углекислого газа, много свободного кислорода и паров воды. Хорошо развита биосфера)

Химический состав Земли (железо 34,6%, кислород 29,5%, кремний – 15,2%, марганец – 12,7%)

Магнитное поле Земли, его структура и роль для  жизни на планете (образуется во внешнем ядре благодаря циркуляции электрических токов, защищает Землю от космических излучений)

Внутреннее строение Земли (ядро внутреннее (твердое железо и никель) и внешнее жидкое железо и никель), мантия, земная кора), методы

исследования (сейсморазведка)

Формирование  прото-Земли из планетезималей (крупные объекты), её гравитационное сжатие, разогрев и начало дифференциации (на ядро, мантию и кору)

Эволюция земной коры: тектоника литосферных плит, её движущие силы

Возраст Земли  (4,5 млрд лет), методы его оценки (радиометрия земных горных пород и метеоритов)

Возникновение океанов и атмосферы (В результате выделения газов и водяных паров из недр Земли в процессе вулканической деятельности)

Атмосфера Земли, ее структура (тропосфера (нижний слой, до 10-18 км), стратосфера (до 50 км), ионосфера (до 80 км, состоит из ионов – электрических заряженных частиц)) и химический состав (78% азота, 21 % кислорода, 1% другие газы)

Циркуляция атмосферы и климат Земли

Гидросфера (водная оболочка Земли, 97% - соленая вода, 2% - ледники, 1% - пресная вода) 

Тема  2-05-03. Происхождение жизни (эволюция и развитие живых систем) 

Первичная атмосфера  Земли (не содержала свободного кислорода, она состояла из углекислого газа, метана, аммиака и водяных паров и др. газов)