Жизнь с точки зрения физики реферат

Обновлено: 04.07.2024

Выполнила: студентка 1 курсан. 080400 гр. 1203
Сергеева А.В.
Проверила: Низнайкина Е.А .

| |
|1. Общие принципы неклассической физики.|3 | |
|2. Современные представления о материи, в пространстве и времени. |6 | |
|Общая и специальная теории относительности. | | |
|3. Основные идеи и принципы квантовой физики.|16 | |
|4. Современные представления об элементарных частицах. Структура микромира |20 | |
|5. Фундаментальные физические взаимодействия |26 | |
|8. Список использованной литературы|32 | |
| | | |

1. Общие принципы неклассической физики

К современному естествознанию относятся теоретические концепции, сформировавшиеся напротяжении ХХ века в рамках различных научных дисциплин. Важнейшей, естественной наукой является физика, изучающая законы функционирования неорганической формы материи на макро- и микроуровне; астрофизика, предметом которой является свойства и эволюция локальных астрономических объектов; косметология, моделирующая эволюцию Вселенной в целом (мегауровне). Современная наука характеризуется осознаниемцелостности своих объектов и взаимосвязанности законов их существования.

Физика по-прежнему остается одной из ведущих дисциплин в естествознании. Современная физическая картина мира представляет собой систему фундаментальных знаний о закономерностях существования неорганической материи, об основаниях целостности и многообразия явлений природы. Современная физика исходит из ряда фундаментальныхпредпосылок:

- во-первых, она признает объективное существование физического мира, однако отказывается от наглядности, законы современной физики не всегда демонстративны, в некоторых случаях их наглядное подтверждение - опыт - просто невозможен;

- во-вторых, современная физика утверждает существование трех качественно различающихся структурных уровней материи: мегамира - мира космическихобъектов и систем; макромира - мира макроскопических тел, привычного мира нашего эмпирического опыта; микромира - мира микрообъектов, молекул, атомов, элементарных, частиц и т.п.

Классическая физика изучала способы взаимодействия и строение макроскопических тел, законы классической механики описывают процессы макромира. Современная же физика (квантовая) занимается изучением микромира,соответственно законы квантовой механики описывают поведение микрочастиц. Мегамир -- предмет астрономии и космологии, которые опираются на гипотезы, идеи и принципы неклассической (релятивистской и квантовой) физики;

- в-третьих, неклассическая физика утверждает зависимость описания поведения физических объектов от условий наблюдения, т.е. от познающего эти процессы человека (принцип.

Рассмотренные в результате общие принципы неклассической физики, общая и специальная теории относительности с позиции современного представления о материи в пространстве и времени, современные представления об элементарных частицах и сруктура микромира с филосовской точки зрения, приводят в выводу о подчинении жизни физичеким законам с одной стороны, а с другой указывают на то, что все физические закономерности основываются на статистике.

Вложение	Размер
referat_po_fizike_zhepetov_a_2_9_1.docx	24.6 КБ

Предварительный просмотр:

Министерство образования и науки

государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

Выполнил: Жепетов Александр

обучающийся I курса гр. 127/126

Общие принципы неклассической физики

Современные представления о материи в пространстве и времени. Общая и специальная теории относительности.

Современные представления об элементарных частицах. Структура микромира

Список используемых источников

Цель исследования заключается в определении представления жизни с точки зрения физических законов

- изучить литературу по данной теме

- разобраться с понятием жизни

- выяснить, каким явлениям и процессам подчиняется жизнь с точки зрения физики

1 Общие принципы неклассической физики

Современная физическая картина мира представляет собой систему фундаментальных знаний о закономерностях существования неорганической материи, об основаниях целостности и многообразия явлений природы. Современная физика исходит из ряда фундаментальных предпосылок:

- она признает объективное существование физического мира, однако отказывается от наглядности, в некоторых случаях наглядное подтверждение физических законов просто невозможен;

- современная физика утверждает существование трех качественно различающихся структурных уровней материи: мега мира - мира космических объектов и систем; макромира - мира макроскопических тел, привычного мира нашего эмпирического опыта; микромира - мира микрообъектов, молекул, атомов, элементарных, частиц и т.п.

Классическая физика изучала способы взаимодействия и строение макроскопических тел, законы классической механики описывают процессы макромира. Современная же физика (квантовая) занимается изучением микромира, соответственно законы квантовой механики описывают поведение микрочастиц. Мега мир — предмет астрономии и космологии, которые опираются на гипотезы, идеи и принципы неклассической (релятивистской и квантовой) физики;

- в-четвертых, современная физика признает существование ограничений на описание состояния объекта (принцип неопределенности);

- в-пятых, релятивистская физика отказывается от моделей и принципов механистического детерминизма, сформулированного в классической философии и предполагавшего возможность описать состояние мира в любой момент времени, опираясь на знание начальных условий. Процессы в микромире описываются статистическими закономерностями, а предсказания в квантовой физике носят вероятностный характер.

При всех различиях современная физика, так же, как и классическая механика, изучает законы существования природы. Закон понимается как объективная, необходимая, всеобщая повторяющаяся и существенная связь между явлениями и событиями. Любой закон имеет ограниченную сферу действия.

Например, распространение законов механики, оправдывающих себя в пределах макромира, на уровень квантовых взаимодействий недопустимо. Процессы, происходящие в микромире, подчиняются другим законам. Проявление закона зависит также от конкретных условий, в которых он, этот мир, реализуется, изменение условий может усилить или, напротив, ослабить действие закона. Действие одного закона корректируется и видоизменяется другими законами.

Динамические закономерности характеризуют поведение изолированных, индивидуальных объектов и позволяют установить точно определенную связь между отдельными состояниями предмета. Иначе говоря, динамические закономерности повторяются в каждом конкретном случае и имеют однозначный характер. Например, динамическими законами являются законы классической механики.

Статистические закономерности проявляются в массе явлений, и имеют форму тенденции. Эти законы иначе называют вероятностными, так как они описывают состояние индивидуального объекта лишь с определенной долей вероятности. Статистическая закономерность возникает в результате взаимодействия большого числа элементов, поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость в статистических закономерностях проявляется через действие множества случайных факторов. Этот тип законов иначе называют законами средних величин. Примерами статистических закономерностей являются законы квантовой механики и законы, действующие в обществе и истории.

2. Современные представления о материи, в пространстве и времени. Общая и специальная теории относительности

На границе XIX-XX веков в физике произошел кризис, который был связан с невозможностью объяснить новые эмпирические данные с помощью законов и принципов, сформулированных в рамках механистической парадигмы. Кризис и последовавшая за ним научная революция способствовали тому, что на смену классической физике, построенной на принципах механики И.Ньютона, пришла новая фундаментальная теория - специальная теория относительности А. Эйнштейна, которая возникла на границе между механикой И.Ньютона и электромагнитной теорией Дж.Максвелла, как результат попыток устранить логические противоречия, существовавшие между этими двумя концепциями.

Специальная теория относительности распространила принципы относительности, сформулированные еще Г.Галилеем для механических систем, на электромагнитные взаимодействия. Ряд опытов показал, что скорость света остается неизменной во всех системах координат независимо от того, движется излучающий свет источник или нет. Однако эти выводы противоречили принципу относительности Г.Галилея.

Для того, чтобы обнаружить движение Земли относительно воздушного эфира А.Майкельсон в 1887 году решил измерить время прохождения светового луча по горизонтальному и вертикальному направлениям относительно Земли. Согласно гипотезе светоносного эфира, время прохождения света по этим направлениям должно различаться. Но результат эксперимента показал неизменность скорости света в обоих направлениях. Такой вывод противоречил классическим представлениям о том, что координаты и скорости должны преобразовываться при переходе от одной инерциальной системы к другой. Скорость света оказалась не зависящей от движения Земли.

Для объяснения результатов эксперимента А. Майкельсона X.Лоренц вывел уравнения, позволяющие вычислить сокращение движущихся тел и промежутков времени между событиями, которые происходят в зависимости от скорости движения объектов. Преобразования X.Лоренца предполагали реальное сокращение тел и промежутков времени.

Следствием такого понимания принципа относительности стало введение в физику понятия инвариантности. Инвариантность понимается как неизменность физических величин или свойств объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Все законы природы неизменны при переходе от одной; инерциальной системы к другой, т.е., находясь внутри инерциальной системы, невозможно обнаружить, движется она или покоится.

Специальная теория относительности установила также инвариантность материальных процессов и скорости света относительно преобразований X.Лоренца. А.Эйнштейн показал, что преобразования X.Лоренца отражают не реальные сокращения тел и промежутков времени, а изменение результатов измерений в зависимости от движения системы отсчета. Тела сокращаются, а время замедляется для внешнего наблюдателя, тогда как внутри движущейся системы все физические процессы протекают обычным образом.

А. Эйнштейн сформулировал также принцип инвариантности скорости света, который гласит: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света является предельной скоростью распространения материальных взаимодействий и равна 300000 км/с.

А.Эйнштейн пришел к выводу, что противоречия в основах классической механики вытекают из неверного, не соответствующего физическому опыту представления о свойствах пространства и времени как абсолютных и неизменных, так и из неверного представления об абсолютной одновременности событий.

Классические представления о пространстве и времени сформулированы в рамках субстанциональной концепции. Пространство - однородно, неподвижно и трехмерно. Время - совокупность равномерных моментов, следующих один за другим в направлении от прошлого к будущему. В субстанциональной концепции пространство и время рассматриваются как объективные самостоятельные сущности, не зависящие друг от друга и от характера протекающих в них материальных процессов.

Таким образом движущаяся материя, пространство и время связаны друг с другом, а с изменением скорости протекания процессов меняются и пространственно-временные характеристики.

Элементарные частицы – это частицы, которые не удается разделить на составные части. Элементарные частицы разделяются на стабильные и нестабильные. Основные черты элементарных частиц, и стабильных, и нестабильных, следующие:

Частицы одного вида абсолютно одинаковы и неразличимы

Частицы имеют способность рождаться и исчезать.

Стандартная модель определяет, что вещество, включая свет, имеет в составе 12 элементарных частиц и 12 частиц – переносчиков взаимодействий. Сюда относятся кварки, электроны, фотоны и т. д.

На сегодняшний момент, современная наука пока не может ответить на вопрос о том, почему имеется именно таков набор частиц, также неизвестны причины наличия массы у некоторых из них.

Для всех элементарных частиц характерны следующие параметры: Масса покоя

Электрический заряд, который кратен заряду электрона, либо отсутствует Спин

Классификация элементарных частиц основана на их способности участвовать в каких-либо видах фундаментальных взаимодействий. Согласно этому, элементарные частицы делятся на:

Фотоны - частицы, масса которых равна 0, они не имеют сильного и слабого взаимодействия, но принимают участие в электромагнитном.

Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.

Адроны: барионы и мезоны. Адроны могут участвовать в сильном взаимодействии.

Микромир является основой нашего макромира. Наряду с микромиром, в науке можно выделить наномир, который, в отличие от микромира, является носителем всего спектра электромагнитных процессов. Наномир – это фундамент, основа структуры элементарных частиц и большей части явлений, известных современной науке. То есть, предметы окружающей действительности, и тело человека состоит из частей, которыми являются молекулы. В свою очередь, молекулы состоят из атомов, которые делятся на еще более мелкие части – элементарные частицы. Таким образом, в случае, если некогда произойдет разрушение Вселенной, оно начнется с наномира и микромира.

Все известное нам о структуре живого вещества заставляет ожидать, что деятельность живого вещества нельзя свести к обычным законам физики. Структура живого организма значительно отличается от других физических тел. В них происходит управление поведением отдельных атомов внутри живого организма

Протекающие в теле живого существа пространственно-временные процессы, которые соответствуют его мышлению, самосознанию или любой другой деятельности, если не вполне строго детерминированы, то во всяком случае статистически детерминированы.

Исходя из следующих двух предпосылок:

- тело организма функционирует как чистый механизм, подчиняясь всеобщим законам природы.

- управлять действиями тела и предвидеть результаты этих действий способен практически любой организм

Жизнь подчиняется физическим законам, а все физические законы основаны на статистике.

В существующей вокруг нас суете, мы не обращаем внимания на катастрофически мчащуюся жизнь и воспринимаем её как должное, но стоит нам вырваться куда-нибудь в лес, в горы, к реке, оглядеться и сразу в голове возникает множество вопросов: как это все появилось? какое место в природе занимает человек? почему сейчас мир устроен именно так, как мы его видим? И, пожалуй, самый главный вопрос: что такое жизнь? Как легко может выяснить любой думающий и читающий человек, вопрос "Что такое жизнь?" волнует людей с давних пор. Над ним рассуждали и продолжают рассуждать биологи и философы, генетики и врачи, художники и поэты. Мир движется и совершенствуется, и люди думающие, независимо от своей профессиональной принадлежности, всегда старались совершенствоваться и прогрессировать вместе с ним. А знания, процесс их генерирования или получения – это и есть основная часть прогресса. Именно поэтому нас, людей думающих и стремящихся к совершенству, всегда так притягивает что-нибудь неизвестное и загадочное, окутанное тайнами и порой невероятное – то есть то, что мы пока не знаем, что нам еще предстоит узнать, изучить, осмыслить или даже изобрести.

Но вернемся к тому самому главному вопросу, который мы здесь обозначили: "Что такое жизнь?" В ХХ веке вопрос о жизни достиг пика своей популярности, и многие учёные и исследователи начали искать ответ на этот вроде бы лёгкий, с одной стороны, но и очень-очень сложный, с другой стороны, вопрос. Мне кажется, такой всплеск интереса именно в ХХ веке произошел потому, что во многих отраслях науки уже был к тому времени накоплен огромный багаж знаний, который позволял ученым, в том числе и выдающимся ученым того времени, рассуждать о жизни на очень высоком уровне. Многие их труды и постулаты, которые они вывели, мы используем и сейчас. Например, биологи задолго до ХХ века начали исследовать клеточное строение растений и животных, их жизнедеятельность, различные взаимосвязи в живой природе, эволюцию организмов, применяли для этого различные приборы, производили химические анализы, ставили множество экспериментов, вели длительные наблюдения за животными и растениями. И, несмотря на то, что жизнь – понятие, на первый взгляд, больше биологическое, чем какое-либо другое, биологи не были одиноки. Немало и других ученых рассматривало деятельность живых организмов на планете. Географы достаточно давно поняли и признали огромную роль растений и животных на Земле, в том числе и в становлении сегодняшнего понятия "Жизнь", а геологи - в создании некоторых горных пород и минералов. К ХХ веку полностью оформилась наука о следах древней жизни - палеонтология.

Но все же именно великий русский ученый-биолог и мыслитель Владимир Иванович Вернадский первым начал исследовать жизнь, как единое целое, как геологически своеобразное вещество, единую субстанцию. Его идеи сыграли большую роль в становлении современной научной картины мира. Он также первым взглянул на проблему жизни глазами других наук. Ведь один и тот же сложный объект выглядит по-разному, если рассматривать его с разных точек зрения.

Одно из самых интересных альтернативных мнений на тему жизни - мнение австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, тоже жившего и творившего в одно время с Владимиром Ивановичем Вернадским. Интересно оно уже потому, что о жизни рассуждает ученый-физик! Возможно, Эрвин-Шредингер вообще был первым из своих коллег-физиков, который с таким размахом начал рассуждать о жизни. Это очень смелый шаг сам по себе, Шредингер как бы бросил вызов ученым биологам и философам, и самое фантастическое в этом вызове то, что его книга "Что такое жизнь с точки зрения физики" очень известна и популярна и сейчас, спустя многие десятилетия после ее написания!. Это уже означает о полном признании Шредингера как ученого научным сообществом и ХХ, и ХХI веков.

Главным вопросом его книги является вопрос о том, как могут точные науки физика и химия описать те явления, которые происходят внутри живого организма. Шредингер не только обнаружил, но и сумел доказать и простым языком донести до широкого круга читателей тот факт, что многие признаки, которыми характеризуются живые системы, встречаются и в системах неживой природы. Более того, по мнению Эрвина Шредингера, в живых организмах не обнаруживается никаких свойств, какими не обладали бы различные неживые объекты. В те годы такое открытие и логичное объяснение этому, данное Шредингером, явилось если не революцией в науке, то уж точно дало мощный толчок развитию таких наук, как биофизика и молекулярная биология. Исследования и труды Шредингера быстро стали близки и понятны физикам и биологам, именно этот факт и послужил толчком к быстрому развитию вышеназванных наук. Вот, например, только один пример в подтверждение этому: в 1953 году была выдвинута теория о двойной структуре ДНК. Эта научная работа и изданная книга основана на лекциях, читаемых Э.Шредингером десятилетием ранее, в Тринити-колледже в Дублине в феврале 1943 года.

Сначала я опишу некоторые положения и мысли Эрвина Шредингера, затем попробую выделить основные моменты в его объяснении жизни и живого у Вернадского. Я просто попробую найти что-то общее в их работах и, наконец, ответить на вопрос: кто ближе приблизился к ответу на вопрос что такое жизнь.
Жизнь с точки зрения физики

Главный вопрос, ответ на который Э. Шредингер дал в своей книге, заключается в следующем: как могут точные науки физика и химия объяснить те биологические явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?

Работа живого организма и процессы, происходящие в мозге каждого индивидуума, подчиняются точным физическим законам, – считает Э. Шредингер. И эти законы вполне сопоставимы с теми строгими физическими законами, согласно которым происходят процессы физического взаимодействия между различными системами. Э. Шредингер доказал, что с определённой степенью точности это верно как для атомных, так и для макроскопических систем. Для этого он использовал мысленный эксперимент с котом, которого теперь так и зовут – Кот Шредингера[1] .

Цель этого эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого.

Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то означает, что это верно и для атомного ядра. Оно обязательно будет либо распавшимся, либо нераспавшимся.

Э. Шредингер на примере этого эксперимента и других опытов утверждает, что физические законы основаны на атомной статистике и поэтому все они только приблизительны, ведь все атомы совершают хаотические движения. Только в соединении огромного числа атомов статистические законы начинают действовать с точностью, возрастающей с увеличением количества атомов.

Один из примеров для иллюстрации, который приводит в своей книге австрийский физик – броуновское движение. Его суть в следующем. Если наполнить нижнюю часть закрытого сосуда туманом, то можно заметить, что верхняя граница тумана будет постепенно понижаться с определённой скоростью, то есть мы увидим, что молекулы воды стремятся опуститься. Но, если проследить за одной из капелек через микроскоп, то можно увидеть, что она не опускается с постоянной скоростью, а выполняет хаотичное движение, только в среднем соответствующее постоянному снижению. Это происходит из-за того, что эти капельки, хоть и не являются атомами, но уже достаточно малы и легки, чтобы чувствовать толчки единичных молекул. В отношении живого организма и жизни в целом данный пример показывает, какие удивительные и беспорядочные впечатления получали бы мы, если бы наши органы чувств были восприимчивы к ударам немногих молекул. И мы можем представить, насколько бесполезны они были бы, если бы стали слишком чувствительны.

Но всё-таки как определить грань, в каких системах физические и другие статистические законы уже действуют, а в каких еще нет, или почему же атомы так малы? На самом деле и тот, и другой вопрос не совсем корректны. Атомы малы относительно наших единиц измерений (например миллиметров, сантиметров, метров). Оба эти вопроса касаются не одного размера, а отношения двух размеров – тела и атома. Э. Шредингер говорит, что для идеальной работы любой системы такая система обязательно должна иметь многоатомную структуру. В особенной степени это касается живого организма. Организмы с огромным количеством протекающих в них биологических процессов должны иметь "многоатомную" структуру, потому что для них необходимо, чтобы случайные "одноатомные" явления не играли в их жизни слишком большой роли. И на самом деле не только тело любого взрослого человека, но и каждая его клетка содержит огромное число атомов.

Итак, человеческий организм – высокоупорядоченная система, подобная твердому телу, но лишенная периодичности в расположении клеток, молекул, атомов. Вот что доказал нам Э. Шредингер.

Очень интересны рассуждения Эрвина Шредингера на тему развития организма. Весь процесс развития организма определяется структурой всего одной клетки. Этой клеткой является оплодотворённое яйцо, точнее, речь идет даже не о целой клетке, а только об одной небольшой части этой клетки, её ядре. Рост организма осуществляется последовательными клеточными делениями (митозом). В митозе хромосомы удваиваются. При этом две дочерние клетки получают два набора хромосом, сходных с родительской клеткой.

Этот процесс Э. Шредингер сравнивает с образование кристалла. Небольшую молекулу можно назвать "зародышем твердого тела". Этот "зародыш" может строиться "путём повторения снова и снова одной и той же структуры в трёх направлениях, именно так растет кристалл"[2] . Если периодичность установилась, то уже нет определенного предела для размера такого агрегата. Другой путь — построение все более и более увеличивающегося агрегата без механизма повторения. Это случай все более и более сложной органической молекулы, в которой каждый атом и группа атомов играет индивидуальную роль. Это можно назвать образованием апериодического кристалла или твердого тела. Из этого Э. Шредингер делает вывод, что "ген или, возможно, целая хромосомная нить представляет собой апериодическое твердое тело."[3]

Характерной особенностью жизни является стремление не перейти в состояние равновесия (энтропии). Ведь материю мы считаем живой, когда она продолжает что-то делать (двигаться, участвовать в обмене веществ с окружающей средой и т.д.) в течение более длительного отрезка времени, чем могла бы делать неодушевленная материя в подобных условиях. Опираясь на эти размышления, Э. Шредингер заключил, что жизнь — это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время.

И всё-таки, хоть деятельность живой материи и основана на законах физики, установленных к настоящему времени, но, по-видимому, подчиняется до сих пор другим неизвестным законам физики.

Жизнь с точки зрения биологии

Владимир Иванович Вернадский был одним из выдающихся академиков-естествоиспытателей, который посвятил себя изучению протекающих в биосфере процессов. Он стал основоположником научного направления - биогеохимии, которое легло в основу современного учения о биосфере.

До появления работ В. И. Вернадского большинство учёных считали, что роль живых организмов на Земле очень мала. Действительно, казалось бы, какая может быть связь между последствиями их жизнедеятельности и мощью внутренних сил планеты, образующих высочайшие горы и перемещающих целые континенты.

В. И. Вернадский доказал, что все организмы, вместе взятые, на протяжении длительного отрезка времени выступают как мощный геологический фактор, играющий огромную роль в жизни нашей планеты. Геологическая деятельность живых организмов проявляется в следствии некоторых из их особенностей: во-первых, они теснейшим образом связаны с окружающей средой и взаимодействуют с ней в процессе обмена энергией. В итоге суммарный эффект результатов деятельности организмов проявляется на протяжении очень длительных отрезков времени (в сотни миллионов лет).

В. И. Вернадский впервые показал, что химическое состояние наружной коры нашей планеты полностью находится под влиянием живых организмов, с деятельностью которых связано перемещение химических элементов в биосфере.

Биосфера представляет собой сложнейшую оболочку жизни, населенную организмами, составляющими живое вещество. Это самая крупная экосистема Земли – область взаимодействия живого и косного вещества на планете. В. И. Вернадский отмечал, что "пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни[4] ". Биосфера является результатом сложнейшего механизма геологического и биологического развития косного и живого вещества. С одной стороны, это среда жизни, а с другой – результат жизнедеятельности.

Разрабатывая учение о биосфере, В. И. Вернадский пришел к выводу, что зеленое вещество растений является главным преобразователем солнечной энергии. Только они способны поглощать эту энергию и синтезировать органические соединения.

В. И. Вернадский попытался дать главные исчерпывающие признаки каждого царства живого. И, занимаясь этим вопросом, он заметил и рассмотрел несходство живого и неживого в физическом, химическом и термодинамическом смысле. Поэтому в природе нет никаких переходов от неживого к живому: они настолько противоречивы, что живое ни при каких условиях не может происходить от неживого.

Одним из центральных звеньев понимания биосферы является учение о живом веществе. "Живое вещество биосферы есть совокупность ее живых организмов… Я буду называть совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии, живым веществом"[5] . Главное его функция – накопление свободной энергии в биосфере. В. И. Вернадский писал, что между косной (безжизненной) частью биосферы и живыми организмами, ее населяющими, идет непрерывный обмен энергии. Так же оно выполняет светообразующую функцию. Исследуя процессы миграции атомов в биосфере, В. И. Вернадский задумался над вопросом о происхождении химических элементов в земной коре, а после этого и к необходимости объяснить устойчивость соединений, из которых состоят организмы. Затем он пришел к выводу, что "нигде не существуют органические соединения, независимые от живого вещества".

Для живого вещества характерно наличие эволюции и то, что составляющие его химические соединения устойчивы только в живых организмах. После смерти организма исходные живые органические вещества разлагаются до химических составных частей.

Первичным звеном поглощения солнечной энергии являются растения. Они преобразуют ее в энергию химических связей, или энергию пищи. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым веществом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современной биосферы. Каждый последующий этап развития жизни сопровождался все более интенсивным поглощением солнечной энергии. Энергия любого живого организма также может быть рассеяна в тепловой форме, из-за чего достигается состояние термодинамического равновесия, при этом дальнейшие энергетические процессы становятся невозможными. Чтобы не наступило это состояние, организм или система должны постоянно извлекать энергию из окружающей среды и стремиться к нарушению термодинамического равновесия. Иначе организм погибнет.

Таким образом, жизнь сводится к непрерывной последовательности роста, самовоспроизведения и синтеза сложных химических соединений. Без переноса энергии невозможно было бы существование самой жизни. Если бы солнечная энергия на планете только рассеивалась, то жизнь на Земле была бы невозможной. Чтобы биосфера существовала, она должна получать и накапливать энергию извне. И эта работа выполняется организмами.

В своих работах оба ученых использовали энергетический подход к объяснению жизненных процессов. Э. Шредингер представляет, что "жизнь — это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время[6] " . Это понятие схоже с точкой зрения Владимира Ивановича Вернадского, который утверждал, что для того, чтобы не наступило состояние максимальной энтропии, организм или система должны постоянно извлекать энергию извне и стремиться к нарушению термодинамического равновесия. В противном случае происходит гибель организма.

Итак, "жизнь, с точки зрения физики – это борьба живого с энтропией"[7] . Но Э. Шредингер утверждает, что многие жизненные процессы не полностью подчиняются законам физики, точнее к физическим законам нужны поправки, чтобы точно описать жизненные процессы. Вернадский, в свою очередь, для описания жизненных процессов, как мы видим, тоже использовал не только биологические принципы. Он нередко обращался к термодинамике и другим разделам физических наук.

И, тем не менее, мне кажется, что мы уже получили главный ответ на вопрос что же такое жизнь с точки зрения современной науки. Ответ заключается в следующем: на этот вопрос самостоятельно и обособленно от других наук не может ответить ни физика, ни биология, ни один другой раздел науки. Это слишком сложное понятие, глубинный вопрос, и очень здорово, что будет сделано еще немало открытий в разных отраслях науки в поиске ответа на этот вопрос.

1. Вернадский И.В. Живое вещество – Наука, 1978

2. Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики?– Римис, 2009

1. Интернет энциклопедия "Википедия"

3. Образовательный портал МГУП

[2] Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики?– Римис, 2009, с. 108

[4] Вернадский И.В. Живое вещество – Наука, 1978

[5] Вернадский И.В. Живое вещество – Наука, 1978

[6] Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики?– Римис, 2009, с. 120

2. Современные представления о материи, в пространстве и времени.

Общая и специальная теории относительности.

1. Общие принципы неклассической физики

К современному естествознанию относятся теоретические концепции, сформировавшиеся на протяжении ХХ века в рамках различных научных дисциплин. Важнейшей, естественной наукой является физика, изучающая законы функционирования неорганической формы материи на макро- и микроуровне; астрофизика, предметом которой является свойства и эволюция локальных астрономических объектов; косметология, моделирующая эволюцию Вселенной в целом (мегауровне). Современная наука характеризуется осознанием целостности своих объектов и взаимосвязанности законов их существования.

- во-вторых, современная физика утверждает существование трех качественно различающихся структурных уровней материи: мегамира - мира космических объектов и систем; макромира - мира макроскопических тел, привычного мира нашего эмпирического опыта; микромира - мира микрообъектов, молекул, атомов, элементарных, частиц и т.п.

Классическая физика изучала способы взаимодействия и строение макроскопических тел, законы классической механики описывают процессы макромира. Современная же физика (квантовая) занимается изучением микромира, соответственно законы квантовой механики описывают поведение микрочастиц. Мегамир — предмет астрономии и космологии, которые опираются на гипотезы, идеи и принципы неклассической (релятивистской и квантовой) физики;

При всех различиях современная физика, так же как и классическая механика, изучает законы существования природы. Закон понимается как объективная, необходимая, всеобщая повторяющаяся и существенная связь между явлениями и событиями. Любой закон имеет ограниченную сферу действия.

Классическое естествознание абсолютизировало динамические закономерности. Совершенно верные представления о взаимной связи всех явлений и событий в философии XVII-XVIII веков привели к неправильному выводу о существовании в мире всеобщей необходимости и об отсутствии случайности. Такая форма детерминизма получила название механистического. Механистический детерминизм говорит о том, что все типы взаимосвязи и взаимодействия механические и отрицает объективный характер случайности. Например, один из сторонников этого типа детерминизма, Б.Спиноза, считал, что мы называем явление случайным только вследствие недостатка наших знаний о нем. Следствием механистического детерминизма является фатализм - учение о всеобщей предопределенности явлений и событий, которое фактически сливается с верой в божественное предопределение.

Статистические закономерности проявляются в массе явлений, и имеют форму тенденции. Эти законы иначе называют вероятностными, так как они описывают состояние индивидуального объекта лишь с определенной долей вероятности. Статистическая закономерность возникает в результате взаимодействия большого числа элементов, поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость в статистических закономерностях проявляется через действие множества случайных факторов. Этот тип законов иначе называют законами средних величин. При этом статистические закономерности, так же как и динамические, являются выражением детерминизма. Примерами статистических закономерностей являются законы квантовой механики и законы, действующие в обществе и истории. Понятие вероятности, фигурирующее при описании статистических закономерностей, выражает степень возможности явления или события в конкретной совокупности условий.

Содержание работы

Что такое Жизнь? . 2

Жизнь с точки зрения Химии:
Физическая форма материи . 7
Химическая форма материи . 8
Химический способ развитии материи . 10
Закономерный характер химической эволюции . 12
Детерминанты направлености химической революции
Аккумуляция . 14
Биологическая форма материи . 17

Жизнь с точки зрения Физики:
Современные представления об элементарных частицах.
Структура микромира . 18
Физическая интерпретация биологических законов . 20
Пространство и время для живых организмов . 24
Физические факторы влияния Космоса на земные процессы . 29

Список литературы . 34

Файлы: 1 файл

Жизнь с точки зрения физики и химии.docx

Введение представления фазового пространства в нелинейной динамике также дает возможность анализа процессов жизнедеятельности организма. В диссипативных структурах за порогом неравновесного фазового перехода в среде возникают когерентные взаимодействия. Как нам уже известно, использование нелинейных дифференциальных уравнений и понятий аттракторов позволяет классифицировать возникающие структуры и описывать траектории движения вокруг особых точек. Поведение точек фазового пространства в таком случае будет определять развитие и изменение состояния. Поэтому эволюционный процесс математически может быть описан векторным полем в фазовом пространстве. Понимание странного аттрактора как особого состояния хаоса, из которого может возникнуть упорядоченная иерархическая структура живого организма, подтверждает борьбу организма за отрицательную энтропию.

Известно, что хаотическое состояние для замкнутых систем характеризуется возрастанием энтропии системы, которая пропорциональна фазовому пространству, занимаемому системой. Поэтому, если траектория системы будет равномерно заполнять некоторый объем в этом пространстве, эффективный объем, занимаемый системой в случае странного аттрактора, будет существенно больше, чем в случае обычного. Поскольку обычный аттрактор обычно связывается с порядком, то появление странного аттрактора означает увеличение фазового пространства и энтропии и, тем самым, переход к хаосу.

Их динамическое (а может быть, и гармоническое) сочетание и определяет эволюционный процесс развития живой системы. Этот спектр структур-аттракторов представляет собой поле путей развития, бифуркационное дерево возможных ветвящихся направлений развертывающихся событий. Он может определяться воздействиями управляющих параметров и внутренними свойствами среды, которые заключают в себе тем самым план эволюций. Этот план потенциален и определяется нелинейными свойствами среды. Воздействие управляющих параметров в точках бифуркации приводит к тому, что система начинает осуществлять свой потенциальный план развития. Может быть, в этом и заключается физический смысл памяти. Превышение управляющих параметров некоторых пороговых значений качественно изменяет состояние системы и характер ее развития. Качественное же изменение состояния организма означает новые пути эволюционного процесса. Заметим еще раз, что всякое развитие сложной системы, выражающееся в появлении нового качества, возможно только при наличии в системе флуктуаций, склонных к разрастанию.

Поэтому диссипативная структура живого организма обладает более дифференцированными и организованными уровнями упорядоченности, требующими для своей жизнедеятельности больше энергии, чем для поддержания функционирования простых структур. Энергия как бы творит более высокие уровни организации. Естественно, что дифференциация ведет к усложнению системы, пределом которого может быть достижение неравновесного состояния, характерного для живых организмов.

Действительно, из 111 химических элементов природы организм использует только 22, причем на 99% он состоит из легких элементов: Н₂, О₂, С и N₂, соответственно 60, 25, 10 и 2%. Принцип оптимальной конструкции живого выступает здесь как частный случай всеобщих физических принципов оптимальности и наименьшего действия. Чем выше организация, тем эффективнее использует живой организм энергию, получаемую из внешней среды в процессе обмена веществом.

Таким образом, одними из главных факторов развития живого являются энергетический и организационный и их можно рассматривать во взаимном единстве. Организация живых систем является критерием прогресса их эволюции, а основным критерием их организации является эффективность использования энергии. Причем эволюция должна идти не только по сложности и степени организованности, но и по степени функциональности, и эта функциональность играет более активную роль в эволюции, чем структура. Таким образом, организация включает в себя не только структуру, но и связи между элементами и их взаимодействие.

Многообразие состоит в том, что во всех биологических функциях всегда и везде в качестве обязательного звена выступает преобразование энергии: превращение квантов света в потенциальную химическую энергию органических молекул при фотосинтезе, превращение химической энергии в механическую работу при сокращении мышцы, образование тепла при процессах дыхания, возникновение электрических потенциалов при возбуждении нервной клетки, организация потоков движения вещества, кинетика электронов и многое другое. А унификация заключается в том, что непосредственным источником энергии, обеспечивающим все эти функции и проявления жизнедеятельности, во всех случаях является универсальное вещество, которым является химическое соединение аденозинтрифосфат (АТФ).

Пространство и время для живых организмов

Остановимся здесь на представлениях пространства и времени применительно к жизни организмов. Роль пространства для живого организма не ограничивается только желанием живого завоевать его, расширить свои возможности, получить дополнительную энергию. С точки зрения статистической физики, расширение объема занимаемого системой пространства связано с увеличением числа возможных состояний, т.е. увеличением энергии системы для своего развития. Для жизни нужна энергия! В биологии это называется поисковой активностью живых организмов и свойственно человеку с его желанием реализовать свои способности в пространстве и времени. Как мы увидим дальше, в мире молекулярной биологии для молекул ДНК и РНК очень важно изменение пространственной конфигурации. Цепи этих молекул трехмерны, и это позволяет им выполнять свои функции. В этом смысле пространство оказывается важным участником действия, в том числе и на молекулярной сцене жизни.

Важным этапом развития живых организмов явилось на определенном этапе эволюции отделение их от окружающей среды, создание границы, поверхности раздела между живой и внешней неорганической средой. И эту обособленность можно рассматривать как один из признаков самоорганизации, приводящей в том числе и к определенной устойчивости живых организмов, выделяя их из окружающей среды. Тем самым возникли дискретность биологических образований и проблема явлений и процессов, происходящих на границе поверхности. И то, и другое можно описать физическими представлениями.

С энергетической точки зрения, подтверждается биологический принцип: живое борется за реальное пространство - стремится расширить ареал своего существования. Есть ли здесь очередное противоречие? По-видимому, нет, поскольку живое борется и в целом за энергию, структурируя ее затем на полезную для себя свободную энергию и ненужную ему связанную энергию - положительную энтропию. В этом как раз суть биоэнергетической направленности эволюции живых организмов, в ходе которой должно происходить повышение энергии жизнедеятельности, в частности животных. И это значительно увеличивает преимущество более энергетичных особей в борьбе за жизнь, в освоении новых территорий и приспособлении к разнообразной окружающей среде. В биологии это называется поисковой активностью и справедливо, в том числе, и для человека, расширяющего свои возможности. Живое стремится получить энергию и за счет этого сохранить себя. В этом проявляется его целевая функция и в этом же - направленность его развития.

В случае самоорганизации каждая система координирует свои внутренние процессы в соответствии с собственным временем. Пригожин назвал это релятивизмом системного времени и отмечал, что как только формируется диссипативная структура, однородность пространства и времени нарушается. Более того, он считал, что живые системы наделены способностью ощущать направление времени. Эту направленность времени хорошо чувствует психология. Биологические пространство и время характеризуют особенности пространственно-временных параметров организации материи: биологического бытия человеческого индивидуума, смену видов растительности и животных, фазы их развития. Еще Аристотель различал две сущности времени: одну - как параметр, фиксирующий различные состояния движения тел, и вторую - как рождение и гибель, т.е. как характеристику возраста системы и, следовательно, направленности его от прошлого к будущему.

Наряду с линейным восприятием времени у человека возникает психологическое ощущение хода времени, обусловленное в том числе его внутренней организацией. Такое представление называют биологическим временем или биологическими часами. Биологические часы можно рассматривать как отражение ритмического характера процессов в живом организме в виде его реакции на ритмы природы и в целом всей Вселенной. Появление биологического времени, своего для каждой живой системы, обусловлено синхронизацией биохимических процессов в организме.

Читайте также: