КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Общее количество часов - 60, лекции - 60 Авторы:
Гуляев Сергей Александрович, доктор физико-математических наук, профессор
Жуковский Владимир Михайлович, доктор химических наук, профессор
Комов Сергей Васильевич, кандидат биологических наук, доцент

Литература.

Цель и задачи курса

'Повестка дня на ХХI век', принятая в Рио-де-Жанейро (ООН), определяет задачу образования: '...превратить концепцию устойчивого развития общества в систему духовных и профессиональных установок человечества'.

Рост информации рождает проблему: учеба - это не период жизни, она сопровождает человека всю жизнь. Отсюда - необходимость широкого, базового, концептуального образования. Естествознание - часть единой общечеловеческой культуры и естественнонаучные знания должны стать достоянием любого образованого человека.

В период пересмотра и ломки ценностных ориентаций в России волна мракобесия, мистики, шаманства захлестнула сферу общественного сознания и mass media. Протовостоять этой тенденции может только научный стиль мышления.

Отсюда вытекает цель курса естествознания для гуманитариев. Цели и задачи, которые ставили перед собой авторы:
--- сформировать в мировоззрениии студентов гуманитарных факультетов достаточно целостную естественнонаучную картину окружающего Мира и показать место в ней человека;
--- показать не противоречивость, а взаимную необходимость рационального (естественнонаучного) и образного (гуманитарного) отражения окружающего Мира;
--- дать необходимые конкретные знания о строении и развитии Мира неживой и живой природы и их взаимной обусловленности;
--- преодолеть психологический барьер гуманитариев перед естественнонаучным знанием.

При разработке курса аторы исходили из идеи, что гуманитарное знание есть логическое продолжение естественно-научных сведений об окружающем мире. Естественные науки дают фундаментальные знания о структуре окружающего мира и месте в нем человека. Представления об этом фундаменте не только обогащают гуманитарное образование, они формируют мировоззрение, дают важную временную привязку, знакомят с методами естественных наук, особенностями естественнонаучной практики и стиля мышления. В ряде случаев эти знания необходимы для профессиональных потребностей гуманитариев.

Поэтому необходимо начинать преподавание на гуманитарных факультетах с 'Начала' природы и показать ее эволюцию вплоть до возникновения человека, общества с его атрибутами, составляющими предмет гуманитарных наук.

В курсе особое внимание уделяется выяснению характера законов природы, раскрытию содержания основных категорий естествознания (пространство, время, материя, движение, энергия, жизнь, информация, эволюция) и подчеркивается исторический характер развития естественнонаучных знаний.

Красной нитью в курсе проводится идея организованности окружающего мира (от космических структур до конкретного места жизни человека). Становление и эволюция окружающего мира рассмотрены как развитие и совершенствование форм организации материи. Рассмотрена деятельность человека в организованном мире и ее последствия.

В курсе доминирует мировоззренческий аспект. Математические выражения используются в основном для усиления этого аспекта.

Одна из задач курса --- дать студентам-гуманитариям необходимый минимум предметного знания в области естественных наук. Курс по необходимости носит интегративный характер, но отнюдь не представляет из себя мозаику независимых сведений из астрономии, физики, биологии и т.д. Он пронизан общей идеей, общим стержнем. Прежде всего он основан на идеях В.И.Вернадского о трех периодах развития планеты Земля: космическом, геологическом и историческом. При таком подходе концепции современного естествознания органически преломляются через предметное знание отдельных естественных наук, составляя в целом основу теории и истории Земли.

Такой подход определяет и структуру курса, который состоит из трех частей:

1. Строение Мира. Космический этап в истории Земли.

2. 'О природе вещей'.

3. Роль живого в истории Земли.

Первые два раздела в рамках изложеной концепции интегрируют основные сведения из астрономии, физики и химии. Третий раздел привлекает современные сведения из геологии, географии, биологии. Особое внимание в нем уделяется человеку: происхождению, структуре вида и взаимоотношению с окружающим Миром. Заключительные параграфы посвящены проблемам, которые возникают у человека в связи с резкой интенсификацией собственной деятельности.

В качестве методического приема при чтении курса широко применяется методика проблемного обучения. Она сочетается с выраженным историческим подходом как в плане истории науки так и в смысле естественной истории планеты Земля.

---

Программа курса

ВВЕДЕНИЕ

Единство Мира и его отражение в естественных науках. Два синтеза Космоса: физический и натуралистический. Соотношение между объективным и историческим характером естественнонаучных законов. Границы справедливости действия законов Природы, принцип дополнительности. Революции в естествознании и смена научных картин Мира как ключевые этапы развития естествознания. 


ЧАСТЬ 1. СИСТЕМА МИРА. КОСМИЧЕСКИЙ ЭТАП В ИСТОРИИ ЗЕМЛИ.

Глава 1. Научная картина Мира и ее творцы.

1.1. Системы Мира античных философов.

Философы Греции о происхождении и устройстве Мира (от Гесиода до Аристарха). Измерение Земли и Неба (Эратосфен, Гиппарх). Система мира Птолемея. Эволюция представлений о пространстве, времени и материи. Теология и космология.

1.2. Эпоха титанов.

Геоцентрическая система мира Коперника. Бруно, Галилей, Кеплер. Стационарная Вселенная Ньютона.

1.3. Открытие Галактики.

Измерение масштаба Солнечной системы. Крушение 'хрустальной' сферы звезд (измерение расстояний до звезд). Открытие нашей Галактики. Открытие мира галактик. 

Глава 2. Космос.

2.1. Структурная иерархия материального мира.

Космический 'зверинец'. 'Кирпичики' мироздания (кварки, частицы). Поля, взаимодействия. Структурно-масштабная лестница. Однородность и неоднородность в распределении вещества во Вселенной (скопления, галактические спирали, ячеистая структура, однородность в больших масштабах).

2.2. Геометрия и механика Космоса.

Определение расстояний и масс космических объектов. Радиолокация Луны и планет. Тригонометрический параллакс. Цефеиды. Красное смещение. Третий закон Кеплера. Массы Солнца и планет. Массы звезд в двойных системах. Массы галактик.

2.3. Галактика.

Строение Галактики: центр, спиральная структура, области звездообразования. Вращение Галактики. 'Пояс жизни'. Проблема скрытой массы в галактиках.

2.4. Звезды и межзвездная среда.

Что такое звезда? Источники энергии звезд. Термоядерные реакции в звездах и проблема происхождения химических элементов. Распространеность химических элементов во Вселенной. Межзвездные облака и газовые туманности. Сложные органические молекулы в межзвездных облаках.

2.5. 'Алгебра и гармония' Солнечной системы.

Две группы планет. Поверхности планет. Физические условия на поверхности и в недрах планет. Химический состав планет и планетных атмосфер. Спутники планет. Кольца планет. Малые тела солнечной системы. Поиски жизни на планетах.

2.6. Солнце и Земля.

Солнце как звезда. Солнечная постоянная. Солнечно-земные связи. Земля как планета (основные характеристики). Космические ритмы Земли (галактический год, солнечный год, лунный месяц, приливы, день и ночь). 'Земное эхо солнечных бурь': солнечная активность и ее влияние на биосферу Земли (гелиобиология). Астероидная опасность и глобальные катастрофы на Земле. 

Глава 3. Происхождение и эволюция Мира.

3.1. Происхождение и эволюция Вселенной.

Парадоксы стационарной Вселенной. Основные положения теории относительности Эйнштейна. Нестационарная Вселенная Фридмана. Закон Хаббла. Горячая Вселенная Гамова. Реликтовое излучение Вселенной. Большой Взрыв. Сценарий эволюции ранней Вселенной. Проблема изотропии. Инфляционная модель Вселенной. Пенная Вселенная. Будущее Вселенной.

3.2. Происхождение и эволюция галактик и звезд.

Гравитационная неустойчивость. Протогалактика. Волны звездообразования в галактиках. Понятие о поколениях звезд (звезды первого поколения, образование звезд в диске Галактики). Комплексы звездообразования в Галактике. Протозвезды. Сценарий эволюции звезды (вспышка сверхновой, черная дыра, нейтронная звезда, белый карлик).

3.3. Планетная космогония (происхождение планет Солнечной системы).

Закономерности Солнечной системы. Возраст Солнца, Земли и Луны. Эволюция взглядов на происхождение Солнечной системы. Сценарий образования планет Солнечной системы (современные представления).

3.4. Жизнь во Вселенной.

Проблема происхождения жизни с точки зрения астрономии. Поиски жизни во Вселеной (проблемы и первые результаты). Проблема поиска внеземных цивилизаций. Проблема связи с внеземными цивилизациями. Антропный принцип. 

ЧАСТЬ 2. 'О ПРИРОДЕ ВЕЩЕЙ'

Глава 4. Строение материи.

4.1. Многообразие форм материи.

Единство Мира. Вещество и поле, их взаимные переходы. Энергия и ее виды. Великие законы сохранения. Формула Эйнштейна. Дефект массы.

4.2. Природа микромира.

Корпускулярно-волновая природа микрообъектов. Фотоэффект, эффект Комптона, световое давление, дифракция электронов. Уравнение де Бройля. Вероятность и неопределенность - квантовомеханический взгляд на природу микробъектов. Фотоны, кванты знергии. Уравнение Шредингера, волновая функция. Соотношение неопределенностей.

4.3. Строение атомов.

Протонно-нейтронная модель атомных ядер. Проблемы их устойчивости. Естественная и искусственная радиоактивность. Атомное оружие и энергетика. Радиоэкология.

4.4. Электронные оболочки атомов.

Квантовые числа. Атомные спектры. Принцип Паули. Схема уровней энергии и квантовые переходы электрона в атоме. Электронные орбитали.

4.5. Периодическая система Д.И.Менделеева.

Последовательность энергетических состояний электронных уровней. Правило Гунда. s-, p-, d- и f--элементы. Периоды, группы и подгруппы, закономерное изменение свойств элементов.

4.6. Природа сил химической связи.

Роль валентных электронов при образовании молекул. Энергия ионизации. Сродство к электрону. Электроотрицательность. Ковалентная, ионная и металлическая связи.

4.7. Агрегатные состояния вещества.

Межчастичные взаимодействия. Конкурирующие тенденции: упорядочение - разупорядочение и притяжение - отталкивание. Модельные представления о строении кристаллов, жидкостей и газов. 

Глава 5. Процессы в веществе (термодинамика, молекулярные модели и кинетика).

5.1. Термодинамический метод рассмотрения систем и процессов.

Закон сохранения и превращения энергии. Сущность термодинамического метода. Феноменологический подход. Система и окружающая среда. Уравнения состояния. Начала термодинамики.

5.2. 1-е начало термодинамики.

Термический эквивалент работы. Теплота и работа. Обратимость (квазистатичность) процессов. Функции состояния. Интенсивные и экстенсивные величины. Балансы энергии.

5.3. 2-е начало термодинамики. Энтропия.

Ограниченность 1-го начала. Формулировки 2-го начала. Равенство- неравенство Клаузиуса. Энтропия. Направление самопроизвольных процессов и условие равновесия в изолированных системах.

5.4. 3-е начало термодинамики.

Постулат Планка. Абсолютное значение энтропии. Принцип недостижимости абсолютного нуля температур.

5.5. Статистическая природа 2-го начала термодинамики.

Энтропия и термодинамическая вероятность. Макро- и микросостояния. Формула Больцмана. Классическая и квантовые статистики.

5.6. Энтропия и информация.

'Верхняя' и 'нижняя' границы 2-го начала термодинамики. Критика 'Теории тепловой смерти' Вселенной. Направление времени в макроскопических системах. Энтропия и теория информации. Формула Шеннона.

5.7. Термодинамические потенциалы и состояние равновесия.

Направленность процессов и состояние равновесия в неизолированных системах. Термодинамические потенциалы: свободная энергия и свободная энергия Гиббса. Химический потенциал. Правило фаз Гиббса. Закон действующих масс. Равновесное состояние: микроскопическая обратимость, устойчивость, принцип Ле-Шателье -- Брауна. Метастабильные состояния.

5.8. Кинетика процессов в веществе.

Процессы переноса в веществе тепла, массы и электрического заряда. Основные постулаты химической кинетики. 'Активные' соударения. Распределение Максвелла--Больцмана частиц по энергиям. Уравнение Аррениуса. Энергия активации. Активированный комплекс. Роль катализатора. Цепные реакции. 

Глава 6. Самоорганизация материи.

6.1. Неравновесные процессы и принципы Онзагера.

Скорость возникновения энтропии. Диссипативная функция. Линейное приближение. Приципы линейности и взаимности.

6.2. Стационарное состояние.

Условие реализации. Устойчивость стационарного состояния. Принцип минимума производства энтропии Пригожина -- Глансдорфа.

6.3. Самоорганизация диссипативных структур.

Сложность в природе. Самоорганизация в физико-химических процессах. Примеры самоорганизации: ячейки Бенара, реакции БЖ. Линейный и нелинейные законы.

6.4. Бифуркации, нарушение симметрии, новая информация.

Критические состояния и скачкообразные переходы к новому этапу развития. Ассиметрия и реализация ситуации отбора. Создание новой информации.

6.5. Генетический код и предпосылки возникновения Жизни.

Генетический код и его материальные носители. Источники возникновения на Земле органического вещества. Предбиологическая эволюция органического вещества. Предпосылки возникновения Жизни. 

Часть 3. РОЛЬ ЖИВОГО В ИСТОРИИ ЗЕМЛИ

Глава 7. Земля как природное тело. Геологический период в истории Земли.

7.1.Понятие природного и естественного тела.

Понятие природного и естественного тела в естествознании и его отличие от физического (ньютоновского) представления природных тел, процессов, явлений. Разнообразие природных тел и необходимость их классификации. Природное тело как система. История становления системного подхода в естествознании.

7.2. Строение Земли.

Ядро, мантия, земная кора. Методы получения знаний о строении Земли.

7.3. Земная кора и ее строение.

Вертикальная и горизонтальная структура. Геологические оболочки - литосфера, гидросфера, атмосфера, биосфера и их сравнительная характеристика химического состава и физических особенностей.

7.4. Литосфера.

Вертикальная структура: осадочный, гранитный и базальтовый слои. Границы Конрада и Мороховича. Основные типы пород земной коры: изверженные, осадочные, метаморфические и их краткие характеристики. Горизонтальная структура. Литосферные плиты. Движения земной коры: вертикальные и горизонтальные. Очаги землетрясений. Общая характеристика биоты литосферы.

7.5. Атмосфера.

Основные физические и химические характеристики. Изменение температуры с высотой и деление атмосферы на тропо-, страто- мезо-, термо-, экзосферу. Менопаузы. Озоновый пояс и его роль. Термодинамически активные примеси и проблема 'тепличного' эффекта. Горизонтальные движения в атмосфере. Бури, ураганы, циклоны, тайфуны. Биота атмосферы и ее краткая характеристика.

7.6. Гидросфера.

Запасы воды на Земле. водный баланс планеты. Пресные и соленые воды. Континентальные водоемы: стоячие и проточные и их структура. Водный бассейн. Ледники. Подземные воды. Биота континентальных водоемов. Мировой океан. Основные физитческие и химические характеристики. Структура Мирового океана. Вертикальная и поверхностная циркуляция вод. Понятие о водных массах. Биота Мирового океана и ее краткая характеристика.

7.7. Биосфера как геологическая оболочка Земли.

Место биосферы в структуре земной коры. Границы биосферы. Концепции биосферы: географическая, биогеохимическая, энергетическая, информационная, социальные. Структура биосферы в рамках разных концепций.

7.8. Биогеохимическая концепция биосферы В.И.Вернадского.

Биогеохимическая концепция биосферы В.И.Вернадского как синтез естествознания ХХ века и научная основа новой парадигмы о месте и роли человека в природе. В.И.Вернадский --- ученый, общественный деятель, человек. Структура биосферы в рамках биогеохимической концепции. Типы вещества в биосфере. Живое вещество и его основные характеристики: масса, химический состав, свободная энергия. Основная (геохимическая) функция живого вещества и формы ее проявления в биосфере.

7.9. Полевая структура Земли и ее особенности.

Гравитационная сфера, ее протяженность, связь с другими процессами на Земле и в Космосе. Электромагнитная сфера Земли и ее особенности. Виды полей в структуре электромагнитной сферы. Связь вещественной и полевой структуры.

7.10. Климат Земли.

Климат Земли и его связь с процессами в атмосфере, гидросфере и литосфере. Разнообразие климатов. История климата Земли. Современная климатическая ситуация на Земле и прогноз ее изменения. Общая схема причинно-следственных связей Космоса и Земли. Климат и Жизнь. 

Глава 8. Биосфера - как экологическая система.

8.1. Представление прриродного тела как экосистемы.

Отличие экосистемы от других (физических, химических, биологических и т.п.) систем. Уникальность связей между живыми организмами и окружающей их средой.

8.2. Структура биотической и абиотической компоненты экосистемы.

Иерархия живой материи как основа структурирования биоты. Представление характеристик атмосферы, литосферы, гидросферы в виде экологических факторов. Общий характер ответной реакции живого (на разных уровнях его организованности) на внешние воздействия. Изменение окружающей среды под влиянием живых организмов как проявление геохимической функции живого вещества.

8.3. Энергия в рамках экосистемы.

Баланс солнечной энергии на Земле. Судьба солнечной энергии в биоте. Продуктивность. Фотосинтез, гликолиз, цикл органических кислот.

8.4 Круговороты вещества - 'ловушка' для энергии.

Основные характеристики круговорота: скорость, время пребывания, коэффициент рециркуляции вещества. Основные типы круговоротов вещества на Земле. Роль живых организмов в круговороте веществ (на примере круговорота азота). Пищевые цепи живых организмов как звенья круговорота. Общая схема сопряженности процессов биотической и абиотической компонент биосферы. 

Глава 9. Развитие Жизни на Земле.

9.1. Методологические основы проблемы происхождения Жизни на Земле.

Философское и экспериментальное обоснование появления живой материи. Время появления (реализации) живой материи на Земле.

9.2. Биогеохимические принципы эволюции биосферы.

Связь эволюции биосферы и других геологических оболочек. Биогеохимические принципы эволюции биосферы, установленные В.И.Вернадским. 

Глава 10. Происхождение видов живых организмов.

10.1 Понятие вида в биологии.

Понятие вида в логике и биологии. Структура биологического вида. Популяция - основная внутривидовая структурная единица. Популяция как единица существования, размножения и эволюции вида.

10.2. Генетические и экологические аспекты эволюции живых организмов.

Понятие о генофонде и генотипе. Генетические и экологические аспекты эволюции живых организмов. Факторы эволюции. Отбор и второй биогеохимический принцип эволюции биосферы. Основные закономерности образования видов.

10.3. Биогенетический закон Э.Геккеля.

Понятие об онто- и филогенезе. Связь индивидуального и исторического развития и ее проявление у разных видов живых организмов. 

Глава 11. Появление человека как закономерный этап эволюции биосферы. Исторический период в истории Земли.

11.1. Доказательства родства человека с животным миром.

Доказательства родства человека с животным миром собранные Ч.Дарвиным. Генетическое родство человека с человекообразными обезьянами. Трудовая теория Ф.Энгельса и ее место в обшей проблеме происхождения человека. Основные этапы усиления геохимической функции человека.

11.2. Современная структура вида человека.

Морфофизиологическое разнообразие человечества и его значение. Подходы к классификации внутривидовой структуры в естественных и гуманитарных науках. Этнос как естественая внутривидовая структурная единица. Естественнонаучные основы этногенеза. Сопряженность природных процессов и истории человечества. 

Глава 12. Проблемы ноосферы.

12.1. Методологические трудности формирование концепции ноосферы.

Разум и его появление на Земле. Проблема космического разума. Натуралистический синтез Космоса и новая парадгма о месте и роли человека в природе. Русский космизм и теория ноосферы.

12.2. Стратегия развития человеческого общества на современном этапе.

Энергетическая, продовольственная, демографическая проблемы и естественнонаучные основы их решения. Экологический императив и пути становления ноосферы (возможные варианты). Решения Стокгольмской (1972 г.) и конференции ООН в Рио-де-Жанейро (1992 г.). 

ЛИТЕРАТУРА

Литература к части 1

1. Климишин И.А. Открытие Вселенной. 1987.
   
2. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. 1977.
   
3. Шкловский И.С. Звезды: их рождение, жизнь и смерть. 1984.
   
4. Климишин И.А. Астрономия наших дней. 1986.
   
5. Голдсмит Д., Оуэн Т. Поиски жизни во Вселенной. 1983.
   
6. Философские проблемы астрономии ХХ века. 1976.
   
7. Проблема поиска жизни во Вселенной. М.:Наука. 1986.
   
8. Вселенная, астрономия, философия. Изд-во МГУ. 1988.
   
9. Мухин Л.М. Мир астрономии. 1987.
   
10. Еремеева А.И. Астрономическая система Мира и ее творцы. М.:Наука.1984
    
11. Зельдович Я.Б., Хлопов М.Ю. Драма идей в познании природы. М.:Наука.1988
    
    

Литература к части 2.

1.В.Вайскопф.'Наука и удивительное (как человек понимает природу)'.'Наука',Гл.ред.Ф-М лит.,М.,1965,228 стр.
2.Т.Эрдеи-Груз.'Основы строения материи'.'МИР',М.,1976,488 стр.
3.М.Х.Карапетьянц.С.И.Дракин.'Строение вещества'.'ВШ',М.,1970,306 стр.
4.Л.Полинг.'Общая химия'.'МИР',М.,1974,848 стр.
5.П.Л.Капица.'Эксперимент.Теория.Практика.''Наука',Гл.ред. Ф-М лит.,М.,1977,352 стр.
6.П.Девис.'Суперсила',МИР,М.,1989,280 стр.
7.П.Хендерсон.'Неорганическая геохимия'.МИР,М.,1985,341 стр.
8.Г.Николис,И.Пригожин.'Самоорганизация в неравновесных системах'.МИР,М.,1979,512 стр.
9.И.Пригожин.'От существующего к возникающему'.'Наука',Гл. ред.Ф-М лит.,М.,1985,328 стр.
10.Г.Николис,И.Пригожин.'Познание сложного'.МИР,М.,1990, 512 стр.
11.М.В.Волькенштейн.'Биофизика'.'Наука',Гл.ред.Ф-М лит.М., 1981,576 стр.
12.Э.Шредингер.'Что такое жизнь?С точки зрения физика.' Атомиздат,М.,1972,132 стр
13.В.Я.Савенков.Новые представления о возникновении жизни на Земле'.'Выща Школа',Киев,1991,231 стр. 

Литература к части 3.

1. Алексеева Т.И. Географическая среда и биология человека.М.,1977.
2. Вернадвский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения.М.,1965.
3. Гумилев Л.Н. Этногенез и биосфера Земли.Л., 1989.
4. Дубинин Н.П.,Шевченко Ю.Г Некоторые вопросы биосоциальной природы человека.М.,1976.
5. Казначеев В.П Очерки теории и практики экологии человека.М.,1983.
6. Круть И.В. Введение в общую теорию Земли.М.,1978.
7. Медников Б.М. Дарвинизм в ХХ веке.М,1975.
8. Наше общее будущее. Доклад Международной комиссии по окружающей среде и развитию(МКОСР).М.,1989.
9. Рябчиков А.М.Структура и динамика геосферы.М.,1972.
10. Седов Е.А. Эволюция и информация.М.,1972.
11. Сержантов Б.Ф. Философские проблемы биологии человека.Л., 1974.
12. Сетров М.И. Организация биосистем. М., 1971.
13. Шарден Пьер Тейяр Феномен человека.М., 1987.М.