Geum.ru

Методические указания для студентов экономических специальностей Черкесск, 2011

Вид материалаМетодические указания
Событие Космическое время
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6
мега , макро- и микромир.

Мегамир - часть материального мира, в которой познание доступно астрономическому (наблюдательному и теоретическому) исследованию; макромир - часть материального мира, в которой живет и действует человек и возможно познание путем непосредственного восприятия с помощью органов чувств человека; микромир- часть материального мира, в которой для человека невозможно познание путем непосредственного наблюдения.

Деление мира на три структурных уровня проведено в науке для упорядочения количественных характеристик знания. Поскольку количество качественно, то с изменением его масштабов меняются и его свойства.




Следовательно, на этих трех уровнях рассмотрения Вселенной могут существовать и качественные различия не только в способах получения знаний, но и в закономерностях их интерпретации. Классическое естествознание всегда опиралось на опыт, который человечество накопило в макромире, в котором пространственно-временные отношения сопоставимы с масштабами тела и продолжительностью жизни самого человека. В случаях, когда свойства пространства и времени изменяются, мы переходим к мега- или микромиру.

На рис. 5 изображена схема познания человеком Вселенной. Человек находится в центре, он окружен сферой познавательной деятельности, которую он строит в соответствии с принятыми в обществе тремя структурными уровнями деления познаваемого мира. Условность деления очевидна: поток информации об объектах познания -источниках информации, находящихся во Вселенной, равномерен и равноинтересен для познания. Информационное пространство едино для Вселенной. Между структурными уровнями нет жестких границ, отличия в познавательной деятельности для них чисто методологические и приборные. Следует полагать, что поскольку информационное пространство Вселенной едино, то и знания, получаемые на каждом уровне познания, объединяемы, дополняемы и взаимосвязаны.


2.2. Мегамир. Вселенная и человечество

С появлением науки на смену мифологическим и религиозным представлениям о происхождении Вселенной пришли научные. Значение понятия «Вселенная» становится иным, чем религиозное понятие «мир», приобретает научный смысл. Вселенная рассматривается как место «вселения» человека, доступное эмпирическому наблюдению в естествознании.

Вселенную в целом изучает наука, относящаяся к естествознанию и называемая космологией (kosmos, греч. - Вселенная).

Космология - физическое учение о Вселенной как целом, основанное на результатах исследования наиболее общих свойств той части Вселенной, которая доступна для астрономических наблюдений.

Целью космологии является поиск законов устройства и функционирования нашего «большого мира» - Вселенной. Предполагается, что поскольку Вселенная едина, то открытые в космологии законы позволят многое понять на Земле. Изучение Вселенной сегодня производится исходя из трех постулатов:
  • законы, открытые в физике, действуют во всей Вселенной;
  • данные астрономических наблюдений с Земли справедливы для всей Вселенной;
  • соблюдается антропный принцип (принцип, согласно которому устанавливается зависимость существования человека как сложной живой системы и космического существа от физических параметров Вселенной, в частности, и от фундаментальных физических постоянных, открытых на Земле. Смысл антропного принципа сводится к тому, что «мир оказался так удачно устроенным, что в нем возникли условия, при которых человек смог появиться в нем»).

Результаты познания, получаемые'в космологии, оформляются в виде моделей происхождения и развития Вселенной, т.е. в виде возможных вариантов объяснения. Почему в виде моделей? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Если множество экспериментов приводят к одинаковому результату, то делается вывод о наличии закона, которому подчиняется познаваемый объект. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения. К Вселенной это научно-методическое правило неприменимо, т.к. невозможно проведение множества повторных экспериментов - каждое космическое явление уникально. Поэтому космология и оперирует с моделями.

На сегодняшний день общепринятой моделью в космологии является модель однородной (свойства одинаковы во всех точках), изотропной (свойства одинаковы во всех направлениях), горячей, расширяющейся Вселенной, другими словами - модель Большого Взрыва, скорость света в модели принята неизменной. В теоретический фундамент этой модели положена общая теория относительности и релятивистская теория гравитации (гравитация -тяготение, притяжение), созданные в периоде 1905 по 1916 год лауреатом Нобелевской премии (1921), физиком-теоретиком Альбертом Эйнштейном (1879-1955). Именно эти теории и сегодня, спустя почти 100 лет, составляют ядро современной астрофизики, именно поэтому об А. Эйнштейне знает каждый культурный человек.

Согласно этой модели, в расширяющейся Вселенной на ранней стадии ее развития и вещество, и излучение имели очень высокую температуру и плотность. Расширение в результате Большого Взрыва привело к постепенному охлаждению, образованию атомов, а затем, в результате гравитационной конденсации, (уплотнения, сгущения) образовались протогалактики (первичные галактики, т.е. образовалась непрерывно-дискретная форма существования материи), галактики (галактика - звездная система), звезды (светящиеся газо-плазменные шары, подобные Солнцу) и др. космические тела.

Сегодня модель, основанная на теории Большого взрыва и подтвержденная научными исследованиями в астрономии, выглядит следующим образом:

Событие Космическое время

A. Календарь событий

1. Большой взрыв - начало вечного расширения Вселенной
в бесконечное пространство О

2. Аннигиляция протон-антипротонных пар, аннигиляция электрон-позитронных пар,|

1 с (после Большого Взрыва)

3. Ядерный синтез гелия и дейтерия 1 мин.
  1. Возникновение вещества во Вселенной 10 тыс. лет
  2. Образование галактик 1-2 млрд. лет

|(наша Галактика называется Млечным путем и состоит из 150 млрд. звезд, ее размеры -100 тыс. световых лет; а настоящее время мы наблюдаем 1011 галактик, среди них: (гуманность Андромеды - ближайшая к нам, Магеллановы Облака, Кассиопея, Лебедь и] центавра с числом "ярких" звезд более 150, Большая и Малая Медведицы и т.д.)
  1. Сжатие протогалактик, образование звезд 4 млрд. лет
  2. Образование Солнечной системы 15 млрд. лет
  3. Образование Земли 16 млрд. лет
  4. Зарождение микроорганизмов. 17 млрд. лет

Б. Важные компоненты модели «

1. Фоновое излучение - диффузное и практически изотропное электромагнитное!
излучение Вселенной, несущее информацию о Вселенной. Фоновое излучение состоит)
Из:
  • длинноволнового радиоизлучения;
  • реликтового радиоизлучения (реликтовое излучение - «остывшее» излучение] (сохранившееся с ранних стадий развития Вселенной, соответствует излучению абсолютно! черного тела с температурой 4К)
  • инфракрасного и оптического излучений
  • мягкого и жесткого рентгеновского - излучений.

2. Космические лучи - поток стабильных частиц высоких энергий (до 1012 ГэВ) в|
[основном протоны (90%), ядра гелия - альфа частицы (7%) и электроны (1%), а также)
(ядра различных элементов с атомной массой вплоть до 100.

B. Проблемы теории Большого Взрыва
  1. Что было до Большого Взрыва?
  2. Возможно ли возвращение мира в исходное состояние?

Согласно современным концепциям, наука допускает создание Вселенной из пустоты. В теоретической физике ее называют физическим вакуумом (физический вакуум - энергетическое состояние квантового поля в атоме, например, между его ядром и электронными оболочками). Физический вакуум - особая непрерывная полеваяформа существования материи, способная к рождению дискретных частиц (см., например, п. 2 календаря космических событий). Это допущение подтверждено в многочисленных экспериментах в физике элементарных частиц на ускорителях заряженных частиц. Космология и физика нашли здесь точки соприкосновения, что еще раз подтверждает единство Вселенной.

В 1963 году были открыты квазары (квазар - космический объект -источник радиоизлучения, который не является звездой) - самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной, излучающие в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики, имеющие очень малые размеры и интенсивно разбегающиеся. Было предположено, что квазары являются ядрами новых галактик и, следовательно, процесс формирования новых галактик продолжается и сегодня.

Космология как наука появилась в результате эволюции астрономии - древнейшей науки о строении и развитии космических тел, образуемых ими систем и Вселенной в целом. Сама астрономия возникла из практических потребностей человечества (предсказание сезонных явлений, счет времени, определение положения на поверхности Земли при навигации и т.п.).

В настоящее время астрономия переживает свою «вторую молодость» в связи с бурным развитием техники наблюдений -телескопов, антенн, вычислительной техники, космических зондов. Полеты в космос - заветная мечта человечества, стали осуществимы благодаря космонавтике - совокупности специфических научно-технических и технологических направлений по исследованию и освоению космоса и внеземных объектов для нужд человечества. Космические полеты существенно расширили возможности астрофизики, изучающей строение, состав, физические и химические явления в космических телах, излучения во Вселенной. Результаты, получаемые астрофизикой, интересны тем, что на Земле часто нельзя создать экстремальные условия, необходимые для научных исследований, но уже существующие в космосе: длительную невесомость, сверхвысокие и сверхнизкие температуры и плотности и т.п.

В настоящее время перспективным направлением космонавтики считается создание и эксплуатация международных космических станций, постоянно находящихся на околоземной орбите и обслуживаемых с Земли с помощью челночных рейсов кораблей типа «Шаттл-Атлантис». На таких станциях возможно проведение многих химических, медицинских и биологических экспериментов, проведение наблюдений коротковолновых излучений Вселенной, которые не проходят сквозь атмосферу Земли. С космических станций возможно осуществлять старты космических кораблей в ближний и дальний космос.

Современное представление о Вселенной составляет значительный фрагмент естественнонаучной картины мира. Важное место в ней принадлежит человеку - как части Вселенной в процессе познания и Вселенной, и самого себя.

2.3. Макромир. Природа. Земля. Человек. Ноосфера

Познание на уровне макромира как бы выделяет из природы то окружение, которое находится в непосредственном контакте с человеком. Именно этот практический контакт с природой прежде всего определяет мировоззрение человека, его систему взглядов на мир и собственное место в мире. Для нормального человека мировоззрение выступает внутренним законом его жизни. Связь естествознания с мировоззрением человека сильна - естествознание не только формирует для индивида современную естественнонаучную картину мира, но и в качестве составляющей части культуры участвует в формировании личности человека путем сообщения ему основ современной научной методологии познания. Например, научное объяснение многих природных явлений позволило человеку не только избавиться от суеверного страха, но и во многом противостоять им. Например, катастрофические природные явления и процессы, такие как землетрясение, цунами, снежные лавины и др., приводящие к стихийным бедствиям, сегодня нашли научное объяснение, могут быть предсказаны с достаточно высокой степенью вероятности, их последствия могут быть частично смягчены с помощью решений, найденных современными науками, - гидрографией, сейсмологией, геофизикой, гидрогеологией, гляциологией и т.п.

В комплекс естественных наук макромира в первую очередь, входят науки о Природе Земли. Земля - третья от Солнца планета, вращающаяся вокруг своей оси с периодом вращения 23 ч. 56 мин. 4,1 с, и по эллиптической орбите вокруг Солнца с периодом обращения 365, 24 суток. Вращение вокруг своей оси поиводит к смене дняи ночи-обращение вокруг Солнца - к смене времен года,. В результате эволюции Земля приобрела определенную структуру: в центре находится ядро с радиусом около 1500 км, ядро окружено мантией, мантия покрыта земной корой со средним радиусом 6000 км (часть мантии вместе с земной корой составляет литосферу), в состав земной коры включают гидросферу -совокупность всех водных объектов Земли. Земля окружена атмосферой {атмосфера - газовая среда, состоящая, в основном, из азота и кислорода: 78,1% и 21% соответственно), вращающейся вместе с Землей. В составе Земли преобладают железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%), магний (12,7%). Внешняя часть ядра считается жидкой. Давление в ядре - 3,6 *1011 Па, температура - 4000-5000 С°. Основные типы земной коры - материковый (29,2%) и океанический (70,8%). Средняя высота суши - 875 м (максимальная высота - 8848 м – гора Джомолунгма в Гималаях), средняя глубина океана - 3800 м, максимальная - 11022 м (Марианский желоб в Тихом океане). Максимальная температура в тропиках (Ливия) - плюс 57,8 С0, минимальная - минус 90 С° в Антарктиде.

Процессы в литосфере описываются тектоникой (тектоника -геологическая наука о строении и эволюции земной коры). В тектонике литосфера моделируется системой плит, которые перемещаются относительно друг друга со средними скоростями до нескольких см/год. Плиты "плавают" на расплавленном веществе ядра и нижнего слоя мантии Земли, при этом они не только сталкиваются, но и пододвигаются друг под друга. Такое движение плит, называемое тектонической активностью, приводит к возникновению землетрясений, вулканов, изменению формы земной коры и дна океана.

Неравномерное распределение по широте и высоте над уровнем моря солнечной энергии вызывает различия в климате (от греч. klima-наклон, наклон земной поверхности к солнечным лучам), в растительности, в составе почв и животного мира.

Климат Земли всегда был в центре внимания человечества. Многолетние наблюдения показывают, что в настоящее время столетние средние характеристики климата, такие как температура, влажность, количество осадков, стабильны для всей планеты. Бытовая характеристика климата - погода для каждой географической зоны практически не меняется в течение жизни человека, средняя продолжительность жизни на Земле которого - 75 лет.

Современный климат Земли сложился в результате эволюции. Очень важно, что сложившийся круговорот углекислого газа между земной корой и атмосферой оптимален для пропускания солнечной энергии, поглощения тепла Земли и переизлучения его обратно на Землю, не давая ей остывать (так называемый "парниковый эффект"). Устойчивость климата определяется саморегуляцией содержания углекислого газа в атмосфере Земли в зависимости от ее температуры - ниже температура - выше - содержание углекислого газа, и наоборот (типичный пример отрицательной обратной связи, которая определяет устойчивость любой управляемой системы).

Таким образом климат Земли определяется "работой тепловой машины" - нагретая при образовании Земля не остывает ниже температуры замерзания воды подобно тому, как это произошло на Марсе и «не перегревается» из-за излишнего поступления солнечной энергии, как это происходит на Венере. Работа этой "машины" подчиняется закону сохранения энергии и обеспечивается, главным образом, наличием атмосферы.

Для описания климата и предсказания погоды создаются сложные математические модели и сети метеорологических станций наблюдений. Точность предсказания погоды определяется точностью моделирования глобальных и локальных циркуляции воздушных масс с

учетом таких параметров, как температура, влажность, размеры, скорость и направление перемещения.

Возраст Земли - 4,7 млрд. лет (существуют и другие версии). Геохронология (наука об эволюции Земли) считает, что изменение химического состава литосферы, гидросферы, атмосферы определяли изменения биосферы Земли (биосфера - область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы). В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую открытую систему (открытая система -система, способная обмениваться энергией с другими системами). Живое на Земле появилось спустя 1,2-1,7 млрд. лет после ее образования. К настоящему времени масса биосферы оказалась столь внушительной, что она влияет на всю геосферу, например, на состав атмосферы.

Биосфера создает условия для поддержания условий своего существования, так, например, образовались биогеоценозы -однородные участки земной поверхности с определенным составом живых и неживых (приземный слой атмосферы, солнечная активность, почва и т.д.) компонентов и динамическим взаимодействием между ними, что обусловило своеобразие видового состава живого в разных географических зонах Земли.

Живое вещество, - особый тип материальных систем -совокупность живых организмов в биосфере Земли, способных к самовоспроизводству.

Природа в макромире в первую очередь предстает перед наблюдателем как естественная среда обитания человека. В подавляющем большинстве случаев взаимосвязь этой среды с мегамиром и тем более с микромиром человеком не воспринимается. Пренебрежение единым комплексом современных естественнонаучных знаний ведет к утилитарно-прагматическому отношению к природе, как к безмерной кладовой для удовлетворения человеческих потребностей и желаний. Подобное отношение, реализуемое в «преобразующей Природу» деятельности, привело к угрозе возникновения энергетической и экологической катастроф. Современное общество пытается изменить сложившуюся ситуацию. Основной концепцией общения с Природой становится концепция равноправного диалога -установление гармонии человека и природы.

В первую очередь эта концепция распространяется на природные ресурсы, добываемые из недр земной коры. Обеспечиваемая современной техникой массовая добыча полезных ископаемых (скважины, шахты, разрезы и т.п.) затрагивает слой земной коры толщиной до 2 км при среднем радиусе Земли 6000 км. Необходимые для жизнеобеспечения полезные ископаемые рассеяны в земной коре неравномерно. Ни одна страна мира не располагает всеми нужными

видами сырья в достаточном количестве для их рентабельной добычи. Многие промышленно развитые страны импортируют сырье, например, США до 90% потребностей в алюминии удовлетворяет за счет импорта. Ресурсы Земли ограничены и быстро истощаются, что приводит к необходимости не только менять традиционные методы добычи, но и развивать новейшие химические технологии, во-первых, для замены дефицитного сырья, и, во-вторых, для создания безотходных производств.

Особая ситуация складывается с энергоресурсами. Создание искусственных и использование природных энергоресурсов определяет уровень развития материальной культуры человечества или уровень цивилизации. Сегодня в качестве основных энергетических природных ресурсов используются нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, торф, лес, т.е. не возобновляемые ресурсы, большей частью накопленные за тысячелетия, в результате биологических процессов. При их сгорании, т.е. уничтожении, выделяется тепловая энергия, используемая для обогревания и выработки электроэнергии. Помимо этих источников энергии человечество использует гидро- и геотермальные, солнечные, ветровые и ядерные источники. Из приведенного перечня видно, что основные источники энергии в принципе истощимы, а те, которые неистощимы (солнечные, ветровые и т.п.), сегодня не имеют вариантов рентабельного использования. Надежда человечества на ядерную энергию психологически сильно подорвана Чернобыльской катастрофой 1986 года. Нерешена проблема захоронения радиоактивных отходов. Кроме того, запасы урана также могут быть исчерпаны. Новые идеи по использованию ядерной энергии (например, термоядерный синтез) далеки от реализации.

Человек как высшая ступень живых организмов на Земле, к сожалению, не всегда выдерживает испытание на разумность. Активная деятельность человека постоянно нарушает равновесие биосферы Земли, подталкивая ее к экологическим катастрофам. Современный подход в природопользовании основан на концепции ноосферы -сферы разума, сферы взаимодействия природы и общества. Автор биосферно-ноосферной концепции академик В.И. Вернадский (1863-1945)считал, что:

•деятельность человека становится основным фактором эволюции биосферы;

•для дальнейшего развития человечества и биосферы человек должен взять на себя ответственность за характер протекания основных эволюционных процессов планеты.

Сегодня абсолютно ясно, что дальнейшее развитие цивилизации должно быть согласовано с состоянием биосферы. Таким образом, угроза существованию человечества как вида на Земле определяет концепцию экологизации техногенного развития в качестве важнейшей общественной парадигмы.

Рост населения современными темпами (более 100 млн. человек в год) не только приводит к социальным проблемам, но и ускоряет расходование природных ресурсов, увеличивает энергопотребление, и, соответственно, энерговыделение, и, наконец, обостряет продовольственную проблему. В комплексе с печальным прогнозом по исчерпанию природных ресурсов рост населения объективно вступает в противоречие с идеологией ноосферы, с первым и вторым уровнями "пирамиды- Маслоу", которые лежат в основе жизнедеятельности человека.

Выход из создавшегося положения только один - дальнейшее развитие современных технологий и супертехнологий (супертехнологии - "high tech" англ. - «высшие» технологии, возможно дорогостоящие, но обеспечивающие решение насущных проблем). К современным тенденциям следует отнести создание так называемых технологических парков (технополисов) - научно-производственных комплексов, совмещающих взаимосвязанные фундаментальные и прикладные исследования, производство и внедрение разработок с учетом социокультурных требований.

К наиболее известным технологиям, использующим последние достижения естествознания, относятся следующие:
  • химические, например, синтез новых веществ, отсутствующих в природе или заменяющих исчезающие; применение новых катализаторов для снижения энергопотребления химических процессов, в том числе при переработке нефти;
  • биологические, например, использование искусственных ферментов или биоимитаторов;
  • добывающие, в частности, рентабельная разработка бедных месторождений, использование морской воды для добычи необходимых ресурсов;
  • переработки вторичного сырья, использование отходов, включая способы утилизации и захоронения радиоактивных отходов;
  • технологии гелиоэнергетики - освоение процесса фотосинтеза для эффективного использования солнечной энергии;
  • ресурсо- и энергосберегающие технологии для снижения общих потерь в любых производственных процессах и повышения к.п.д. -коэффициента полезного действия используемых технологий, например, разработка литиевых батарей с твердым йодным электролитом, принцип действия которых основан на прямом преобразовании химической энергии в электрическую;
  • разработка и производство новых материалов, например, эффективных теплозащитных материалов в космической технике, высокотемпературных сверхпроводников [сверхпроводник - материал, электрическое сопротивление которого может приближаться к нулю, что резко повышает эффективность передачи энергии); оптических волокон - заменителей медных проводов в линиях связи и передачи информации;
  • медицинские, например, создание микроклимата в жилищах, новые решения по очистке потребляемых воды и воздуха, новые методики лечения с применением генной инженерии