3.13 Физика и космология

Современные астрономия и космология перестали быть сочетанием чисто наблюдательного и умозрительного подхода, как это имело место до конца XIX в., и стали дисциплинами, опирающимися на точное физическое знание, в особенности на теорию относительности и квантовую механику

Классическое естествознание рассматривало Вселенную как стационарную систему, которая всегда была более или менее такой, как сейчас. Это допущение отражало более общие постулаты об однородности и абсолютности пространства и времени, отвергнутые, как мы видели, теорией относительности. На базе ОТО советский физик и математик А.А. Фридман (1888-1925) в 1922 г. теоретически предсказал, что вселенная может расширяться и сужаться. Согласно уравнениям Фридмана, существуют разные возможности: если средняя плотность вещества Вселенной равна или меньше некоторой критической величины, Вселенная неограниченно расширяется (видимо, эта возможность на данном этапе и соответствует реальности, что подтверждается методами спектроскопии: в спектрах галактик красные линии смещены таким образом, что создают картину удаления галактик от нас во все стороны со скоростью, пропорциональной квадрату расстояния. Это “красное смещение”, поразительным образом подтвердившее гипотезу Фридмана, было открыто через несколько лет после опубликования его работы). Если же плотность больше критической, Вселенная сжимается. При модели расширяющейся Вселенной, Вселенная первоначально имела точечный вид как бы шарика размером подобного электрону, а плотность ее была около 10100 г/см3. Температура ее была трудно представима, порядка миллиона миллионов градусов. После первичного так называемого Большого взрыва размер Вселенной стал увеличиваться, а температура - снижаться, пока тот и другая не достигли величин, о которых мы можем более или менее непосредственно судить, поскольку от них осталось нечто доступное измерению, а именно реликтовое радиоизлучение - излучение сохранившихся в межзвездных пространствах скоплений водородно-гелиевой плазмы, которые остались неизменными со времени до образования звезд. Все величины, относящиеся к более раннему периоду, получены путем простой экстраполяции более поздних процессов на самые ранние этапы образования Вселенной и потому не столь достоверны и уже неоднократно пересматривались. В частности, удаленность от нас Большого взрыва принималась равной 4-5 миллиардов лет, сейчас - 20-25 миллиардов лет, но и эти цифры не окончательны.

В период, от которого осталось реликтовое радиоизлучение, т.е. приблизительно 3-4 миллиарда лет тому назад, Вселенная состояла из более или менее однородной смеси водорода с гелием, со сравнительно “низкой" температурой - 4-5 тысяч градусов. Позднейшая сверхвысокая температура в недрах звезд возникла вторично в результате, скорее всего, термоядерных реакций. Радиус Вселенной в эпоху формирования реликтового излучения составлял около 15 миллионов световых лет.

3.14 Концепции современной химии и их формирование в ходе великих химических открытий

Вплоть до XVIII столетия в химии удерживались чисто умозрительные представления о том, что вещество состоит из “стихий" типа постулированных еще средневековыми алхимиками “ртути”, “серы" и др. или из “начал” наподобие невесомого “теплорода” (“флогистона”), якобы служащего причиной теплоты. Однако уже в 1660-х годах английский ученый Р. Бойль (1627-1691) ввел научное определение химического элемента как простого тела, которое не может быть получено из других тел и веществ. Он ввел в химию экспериментальный метод и измерение, положил начало исследованию закономерностей связи между объемом и давлением газов. Однако лишь в XVIII в. химия стала приобретать характер науки, основанной на выявлении системы объективных закономерностей. Впрочем, этому продолжало мешать господство концепции флогистона и недостаточность надежных количественных данных.

3.15 Закон сохранения массы Ломоносова

Выступив против концепции флогистона, Ломоносов пришел к гораздо более правдоподобному предположению, что теплота обусловлена вращательными движениями “корпускул”. Он выдвинул ставшую впоследствии известной формулировку закона сохранения массы: “Все перемены, в натуре случающиеся, такова суть состояния, что сколько у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому”. Если Бойль еще доказывал существование флогистона тем, что металл после прокалывания увеличивает свой вес, то Ломоносов в 1756 г. опроверг эти опыты (точнее, их ложную трактовку Бойлем) тем, что при прокалывании без доступа воздуха прибавки веса не получается. Этот факт был подтвержден в 1774 г. французским химиком А.Л. Лавуазье (1743-1794), показавшего затем, что прибавка веса является результатом присоединения особого элемента - кислорода.

3.16 Закон постоянства состава веществ Пруста

Для развития химии необходима была фиксация предмета этой науки как чего-то характеризуемого постоянными и устойчивыми признаками. В этом отношении важнейшую роль сыграли работы французского химика Ж.Л. Пруста (1754-1826). Исследовав состав многочисленных хлоридов, сульфидов, а также окислив металлов, он на рубеже XVIII и XIX вв. открыл закон постоянства химических соединений, гласящий, что каждое химическое соединение, независимо от способа, каким оно было получено, состоит из одних и тех же элементов, притом стоящих друг к другу в одних и тех же весовых отношениях. Без этого закона не удалось бы подвести базу под классическое атомно-молекулярное учение (см.1.3.4 и 1.3.5).

3.17 Закон эквивалентов Рихтера

Немецкий химик И.В. Рихтер (1762-1807) стремился отыскать в химических реакциях математические закономерности. В 1793 г. ему удалось показать, что в любой реакции, ведущей к образованию определенного соединения, элементы взаимодействуют в строго определенных пропорциях. Эти пропорции получили впоследствии название эквивалентов, а закон эквивалентов нашел выражение в виде таблиц, ставших основой количественного описания всех известных тогда реакций. Закон эквивалентов Рихтера стал одной из предпосылок химической атомистики.

3.18 Закон кратных отношений Дальтона

Первые определения атомных весов элементов были выполнены в первые годы XIX в. английским химиком и физиком Дж. Дальтоном (1766-1844). Обоснованием химической атомистики послужил также его закон кратных отношений для случая, когда два химических элемента образуют друг с другом несколько соединений: весовые количества одного из элементов, поделенные на таковые другого, относятся между собой, как простые целые числа.

На основании своего закона кратных отношений, а также закона постоянства состава Пруста Дальтон в 1803-1804 гг. выдвинул свою теорию атомного строения (химическую атомистику). Благодаря этой теории представления об атоме как носителе химических свойств впервые начали приобретать конкретный характер.

3.19 Закон Авогадро о постоянстве количества молекул в данном объеме

Отправляясь от атомистики Дальтона, итальянский физик и химик А. Авогадро (1776-1856) сформулировал в 1811 г. теорию молекулярного строения вещества. Он разработал метод определения молекулярных масс и с его помощью вычислил в течение 1810-х годов атомные массы кислорода, углерода и многих других элементов, а также открыл закон, согласно которому в одинаковых объемах газов содержится одинаковое количество молекул (при одной и той же температуре и давлении). Он уже в определенном смысле явился предшественником Д.И. Менделеева: так, Авогадро первым установил серию элементов, которые впоследствии вошли в периодическую систему как группа (точнее, главная подгруппа пятой группы. Это были азот, фосфор, мышьяк и сурьма, аналогию в свойствах которых Авогадро подметил).

3.20 Периодический закон и периодическая система химических элементов Менделеева

Перечисленные открытия заложили основу для атомно-молекулярной теории строения вещества, которая получила законченный вид в 1860-х годах, когда А.М. Бутлеров (1828-1886) создал теорию химического строения, а Д.И. Менделеев (1834-1907) - свою систему элементов. Последняя не только представляла собой классификацию элементов по объективным критериям, но и дала новый пример предсказательной силы науки: на основании своей системы Менделеев получил возможность предсказывать открытие новых элементов. Так, им заранее были установлены свойства скандия, германия, галия, эмпирически открытых лишь впоследствии.

Периодическая система Менделеева представляет собой развернутую форму его же периодического закона, первое четкое изложение которого было дано Менделеевым в феврале 1869 г. Сущность этого закона в трактовке самого Менделеева заключается в том, что физические и химические свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса. В современном понимании эта трактовка должна быть уточнена: свойства элементов зависят не столько от атомного веса, сколько от заряда ядра и определяемого этим зарядом числа электронов в атоме, которое равно порядковому номеру в системе Менделеева. Но в целом Менделеев был прав, называя свою таблицу естественной системой элементов. Она впервые отразила объективное распространение всех известных тогда элементов соответственно их свойствам, причем среди этих свойств выделена одно первичное (атомный вес, мы бы сейчас сказали - заряд ядра) и многочисленные зависимые от него вторичные.

Уже из планетарной модели атома Резерфорда и из факта нейтральности (нулевого заряда) атома в целом вытекло, что положительный заряд ядра является кратным отрицательного заряда электрона. На основе этого соотношения и была в 1913 г. выдвинута гипотеза, впоследствии оправдавшаяся, что число электронов в атоме равно порядковому номеру соответствующего элемента. После усовершенствования резерфордовской планетарной модели Бором выяснилась причина периодичности в таблице Менделеева. Это также был один из примеров преемственности между классическим и постклассическим состоянием науки. Согласно модели Бора, электроны движутся вокруг ядра лишь по “разрешенным” стационарным орбитам. Элементы с одним, двум и т.д. электронами в наружном слое, наиболее определяющем физические и химические свойства элемента, в целом повторяют свойства элементов с одним, двумя и т.д. электронами в наружном слое, но имеющих притом на один или несколько слоев (разрешенных орбит) электронов меньше.

3.21 Особенности постклассической химии

Современная (постклассическая) химия, продолжая оставаться наукой о превращениях и свойствах веществ, проявляющихся при трансформации их структуры на атомно-молекулярном уровне, приобрела в то же время новые особенности по сравнению с классическим периодом. Прежде всего, как сказано, она опирается на квантовую механику и учение о строении атома. Под этим углом зрения переосмысливаются все классические понятия. Например, валентность по-прежнему трактуется как количественная мера способности элемента к образованию химических связей, но в XX в. связи эти трактуются как электростатические силы, причем выяснилось, что упомянутая способность образовывать связи зависит от характера внешней (валентной) оболочки атомов (см.1.3.6). Конечно, для этого необходимы были по меньшей мере открытие электрона и боровская планетарная модель атома.

Еще недавно не имели применения, да почти что и не были известны изотопы - разновидности одного и того же химического элемента, имеющие один номер в периодической таблице, но отличающиеся друг от друга по атомной массе. Порядковый номер (число протонов в ядре) у изотопов одного и того ж элемента одинаков, но имеются добавочные или недостающие нейтроны, так что атомная масса получается неодинаковая. Первые изотопы были получены в процессе радиоактивного распада урана и тория в 1906-1907 гг., что явилось важным компонентов происходившей тогда тотальной перестройки естественнонаучных концепций. Оказалось, что порядковый номер элемента в менделеевской таблице является значительно более сложным показателем, чем полагали ранее, и под ним могут скрываться разновидности этого элемента с неодинаковыми свойствами, хотя и с одним зарядом ядра (конечно, такие формулировки смогли появиться только после принятия планетарной модели атома, каковая и была предложена в 1911 г.Э. Резерфордом, хотя еще и в несовершенной форме по сравнению с раннеквантовой моделью Бора, см.2.1.). Вскоре изотопы были открыты и у стабильных элементов, раньше всего у неона, а в 1934 г.И. Кюри и Ф. Жолио получили изотопы искусственным путем (а именно, отсутствующие в природе радиоактивные изотопы азота 12N, кремния 28S; и фосфора 30Р - слева вверху стали писать массовое число изотопа). Затем путем ядерных реакций синтезировали еще много изотопов, в основном радиоактивных.

3.22 Эволюционная химия

Широко распространилась за последние годы и представляет уже отчасти переход к биологии концепция эволюционной химии, основанная на введении в химию идеи саморазвития путем восхождения на более высокие уровни сложности и упорядоченности. Эволюция понимается в данном случае как спонтанный - в природе или специально подобранных (чтобы сделать минимальным участие человека) условиях - синтез новых химических соединений, являющихся более сложными по сравнению с исходными материалами. Сюда же примыкает моделирование каталитических систем, к которому мы вернемся в связи с проблемами биологии. Для химического же уровня организации несомненно, что раннему этапу возникновения жизни предшествовали сложные молекулярные процессы, которые можно отнести к категории химической эволюции и без которых жизнь не возникла бы.

На этом этапе в атмосфере Земли взаимодействовали сначала очень простые углеродосодержащие и безуглеродные вещества (вода, углекислый газ, аммиак, сероводород, цианистый водород, фосфорная кислота и т.д.), затем получившиеся из них малые биомолекулы (мономеры: сахара, аминокислоты, пурины, пиримидины, моносахариды и т.п.), затем сложные органические вещества и биополимеры (липиды, полисахариды, белки, нуклеотиды и др.) - и это уже была преджизнь, переход к живому веществу. Механизмы этого процесса перехода во многом неясны и представляют собой одну из тех наиболее увлекательных областей исследования, которые обещают обогатить естествознание новыми и углубленными концепциями. Для них отчасти уже готовы наименования: теория самоорганизации, биогенез, синергетика и т.д. Однако мы еще далеки от редукции реальных эволюционных и биологических процессов к химической основе, если такая редукция вообще возможна.

Редукцию химических концепций и в целом химического уровня организации к физическому можно считать практически состоявшейся, как можно видеть, в частности, на примере валентности, периодического закона Менделеева (см. выше) и многих других концепций и категорий. Редукция биологического уровня к химическому, видимо, представляет собой гораздо более трудную задачу, нежели редукция химического уровня к физическому. Многие применяемые в биологии понятия не имеют аналогии на низших уровнях организации. Таковы понятия органа, стимула, пола, инстинкта и др. Тем не менее во все возрастающей степени в биологии используется концептуальный аппарат физики и химии, а потому концепции современной биологии необходимо рассматривать как в их специфике, так и в контексте физических и химических данных и категорий.

3.23 Биологические явления. Формы и уровни жизни

Многообразие имеющихся на Земле живых систем поразительноЧасти организмов (клетки, ткани, органы), далее сами организмы, популяции, нередко рассматриваются в виде особых, всевозрастающих в отношении сложности объектов - уровней организации. “Лестница" этих уровней представляет собой часть более общей шкалы повышения организации в природе, начиная от атомов и молекул и кончая человеком, человеческим обществом и ноосферой (см. ниже).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12