С. П. Филин. Концепции современного естествознания: конспект лекций

   1) они имеют бесформенный вид;
   2) их звездный состав такой же, как и у ветвей спиральных галактик, за одним исключением: у неправильных нет ядра;
   3) неправильные галактики встречаются очень-очень редко.
   Эллиптические галактики. Данные галактики встречаются гораздо чаще, чем спиральные и неправильные галактики. Назовем отличительные черты эллиптических галактик:
   1) их можно принять за шаровые скопления звезд, если не учесть, что галактика больше их по размерам;
   2) вращаются они очень медленно, и, следовательно, они слабо сплюснуты. Это главное их отличие от спиральных галактик (которые вращаются очень быстро и вследствие этого, сильно похожи на веретено);
   3) эллиптические галактики не содержат в себе ни звезд-гигантов, ни туманностей.

2. «Трупы» звезд: белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры

   Белые карлики
   Звезды, как и многое в нашей Вселенной, не вечны, продолжительность их жизни составляет десятки миллионов лет, тем не менее это несравнимо с годами существования Вселенной.
   В конце своей жизни звезда становится белым карликом. «Смерть» небесного тела наступает после того, как оно исчерпало весь запас своих источников термоядерной энергии. Причем белыми карликами становятся не все звезды, а лишь звезды средней и малой массы.
   Белые карлики не светятся сами по себе, так как у них внутри нет никаких ядерных процессов. Но все-таки «трупы» звезд светятся. Почему? Свечение белых карликов объясняется очень просто: свечение происходит за счет медленного остывания. Ученый, индийский физик Раман Чандрасекара высчитал массу белого карлика, которую он не может превышать. Согласно Чандрасекаре, масса данного небесного тела равна примерно 1,4 массы Солнца.
   Нейтронные звезды
   Нейтронная звезда – это, можно сказать, тоже «труп» звезды, но звезды гораздо больших размеров, которая обладает массой, превышающей десять масс нашего Солнца. Радиус нейтронной звезды примерно в полтора-два раза больше массы Солнца, а ее радиус равен примерно 10 – 20 км… В очень редких случаях масса нейтронной звезды может превышать массу Солнца, но не более чем в три раза (это так называемый «предел Оппенгеймера – Волкова». Что произойдет с такой «небольшой» звездочкой, мы узнаем ниже.
   В 1930-х гг. Вальтер Бааде и Фриц Цвики выдвинули теорию, согласно которой в результате взрыва сверхновой звезды (сверхновыми звездами называют звезды, которые «неожиданно вспыхивают и угасают подобно новым звездам. Однако в максимуме светимости они бывают в тысячи раз ярче, чем новые звезды») образуется сверхплотная нейтронная звезда. Данная теория была подтверждена почти тридцать лет спустя, когда в Крабовидной туманности был открыт пульсар, т. е. нейтронная звезда, которая вращается с невероятно большой скоростью.
   Черные дыры
   Понятие «черная дыра» было введено в 1968 г. американским физиком Джоном Уиллером. Этим понятием он обозначил нейтронные звезды, которые в результате действия силы гравитации сжались до такой степени, что свет уже просто не может преодолеть их притяжение. Выше говорилось о том, что масса нейтронной звезды примерно в полтора-два раза больше массы Солнца, но иногда ее масса может быть больше массы Солнца в три и более раза. Так вот, черными дырами и становятся такие вот «исключительные» нейтронные звезды. Гравитационный радиус – это радиус, до которого нейтронная звезда должна сжаться, чтобы стать черной дырой. Если звезда была очень большой, то этот радиус равняется всего нескольким десяткам километров.

ЛЕКЦИЯ № 5. Теория Чарльза Дарвина. Происхождение человека. Злоупотребление дарвинизмом. Эволюция природы

1. Теория Чарльза Дарвина

   Великий англичанин Чарльз Дарвин известен своей теорией естественного отбора. Данную теорию приняли ученые-естествоиспытатели.
   В далекие античные времена ученые считали, что все ныне живущие организмы произошли из неодушевленной материи. Затем, когда христианство получило широкое распространение, утверждалось, что все живые организмы были созданы Богом, а человек создан по Его образу и подобию. На сегодня сторонников божественной теории в мире существует немало.
   С появлением эволюционной теории тот пробел, который раньше заполняла собой вера в Создателя, мог быть заполнен научными объяснениями. Это не предвещало Церкви ничего хорошего, так как она начала утрачивать свое влияние.
   До Чарльза Дарвина свою теорию эволюции создал Ж. Б. Ламарк. Ламарк разработал свою теорию в XIX в.; он первый подметил, что живые организмы в процессе исторического развития усложняются.
   Он объяснял это тем, что животные постоянно «упражняются», получают новые знания, а также новый опыт. А потом они передают все это по наследству своим потомкам, которые, в свою очередь, приобретают новые знания и новый опыт и тоже передают новым поколениям.
   Существенным недостатком теории Ж. Б. Ламарка было то, что он не пытался объяснить причины эволюции, ее движущую силу.
   Наука не стояла на месте. В 1831 г. Т. Шванн разработал клеточную теорию, в которой доказал принципиальное единство живого мира. Теперь мы можем сказать, что Чарльз Дарвин, когда приступил к разработке своей теории, имел достаточную научную базу. В своей книге, которая была раскуплена в первый же день продажи (тогда она уступала по «популярности» только Библии), Ч. Дарвин говорит, что материалом для естественного отбора является особь.
   Он обратил внимание на то, что любой вид размножается в геометрической прогрессии: одна особь сельди выметывает в среднем до 40 тыс. икринок, осетр – до 2 млн икринок, лягушка – до 10 тыс. икринок, одно растение мака дает до 30 тыс. семян. Так почему же число взрослых особей остается относительно постоянным?
   Чарльз Дарвин объяснил это простой конкурентной борьбой между взрослыми особями, а также недостатком корма (вследствие чего и возникает такая конкуренция), нападением хищников, влиянием неблагоприятных природных условий.
   Дарвин назвал три вида борьбы:
   1) внутривидовая борьба;
   2) межвидовая борьба;
   3) борьба с неживой природой.
   Внутривидовая борьба. Такую борьбу Дарвин считал наиболее напряженной. Здесь идет борьба между особями одного вида, которые живут в одинаковых условиях, имеют равные пищевые потребности. Поэтому естественно, что здесь выживают наиболее сильные, наиболее приспособленные особи.
   Межвидовая борьба Это борьба с другими видами живых организмов, в том числе с хищниками и паразитами. В результате такой борьбы наиболее слабые виды живых организмов умирают.
   Борьба с неживой природой. Это борьба «на выживание». Природа бывает не всегда благосклонна к животным и время от времени случаются засухи (а следовательно, – голод), наводнения, сильные морозы и т. п..
   Из теории Чарльза Дарвина можно сделать следующие выводы:
   1) природа и животные организмы постоянно меняются;
   2) между видами живых организмов постоянно идет ожесточенная борьба за существование.
   Однако, несмотря на то что Чарльз Дарвин основал свою теорию естественного отбора на обширном эмпирическом опыте, собранном как предшественниками Дарвина, так и им самим, она представляется малоубедительной. А некоторые факты эволюции в рамки теории естественного отбора вообще не укладываются. Так, например:
   1) изменение зубов и копыт у лошадей в процессе эволюции указывает на то, что эволюция имеет определенное направление, никак не обусловленное борьбой за существование;
   2) некоторые определенные структуры эволюционируют еще до того, как в этом появилась необходимость;
   3) также существуют некоторые виды животных и насекомых, которые почти не эволюционируют (например, акула, опоссум, таракан).
   И остается вопрос: если человек произошел из обезьяны, то почему сейчас этого не происходит?

2. Происхождение человека

   На протяжении многих веков бытовало мнение, что человек произошел от богов. Шло время, текли реки веков, и у ученых стали появляться первые эмпирические данные о происхождении человека. Началось все с того, что в 1856 г. во Франции были найдены останки древнего человека, который получил «имя» дриопитека.
   Начался новый, XX в. Он ознаменовался тем, что нашли останки ископаемых обезьян: проконсулы, обнаруженные в Восточной Африке, ориопитек, найденный в Италии, и др. Проведя соответствующие анализы, ученые установили, что эти древнейшие обезьяны жили примерно от 20 до 12 млн лет назад.
   В 1924 г. в Южной Африке были обнаружены останки австралопитека. На сегодняшний день ученые считают, что австралопитек – «ближайший родственник» человека. Австралопитек был прямоходящим млекопитающим, возраст найденных костей, как выяснили специалисты, составляет примерно от 5 до 2,5 млн лет.
   Австралопитеки весили от 20 до 50 кг, рост их составлял примерно от 120 до 150 см. Одними из главных сходств с человеком являлись:
   1) похожее строение зубной системы;
   2) передвижение на двух ногах.
   На сегодня известно, что мозг австралопитеков весил примерно 550 г. В качестве оружия для защиты от врагов и для добычи пищи они использовали кости животных и камни.
   Голландский исследователь Эжен Дюбуа на острове Ява обнаружил останки человека прямоходящего. Этот человек прямоходящий был назван питекантропом. Спустя много лет в Китае были найдены похожие останки, которые чуть отличались от останков найденного на Яве питекантропа.
   Историки выяснили, что питекантроп был довольно развитым человеком. Существовал он (и другие его «родственники», например, найденный в Китае синантроп) примерно от 500 тыс. до 2 млн лет назад. Питекантроп знал земледелие, употреблял растительную пищу. Вместе с этим он был охотником, умел пользоваться огнем. Племя питекантропов бережно хранило тайну огня и передавало ее из поколения в поколение.
   Африка не переставала удивлять мир необычными находками. Так, в 1960-1970-е гг. были обнаружены останки древнейших людей, которые пользовались простейшими орудиями труда из гальки. Этих людей назвали Homo habilis, т. е. «человек умелый». Просуществовал человек умелый всего лишь около 500 тыс. лет. Затем он эволюционировал и приобрел большое сходство с питекантропами.
   Если можно так сказать, то детьми питекантропов были неандертальцы. Их останки были обнаружены сначала в Германии, в долине реки Неандр, а затем и по всей Европе, Азии и Африке. Кроме знаний, оставшихся от питекантропов, неандертальцы научились сдирать с животных шкуру, шить из нее своеобразную одежду, строить жилища.
   Неандертальцы были предками кроманьонцев. Они были разделены на две группы.
   Первая группа неандертальцев при небольшом росте (чуть больше 150 см) имела очень мощно развитую мускулатуру, у них был скошенный лоб; масса их мозга достигала уже 1500 г. Также ученые считают, что у этих предков современного человека появились зачатки членораздельной речи.
   Вторая группа неандертальцев очень сильно отличалась от первой. Представители этой группы физически были менее развиты, так как они (в отличие от своих сородичей из первой группы) поняли, что группой охотиться безопаснее, группой же легче отбиваться от врагов. Поэтому у них значительно увеличился размер лобных долей головного мозга.
   Даже внешне они отличались от представителей первой группы: высокий лоб, развитый подбородок и челюсти. И, скорее всего, именно вторая группа породила Homo Sapiens. Достоверно известно, что эти два вида млекопитающих существовали одновременно на протяжении нескольких тысячелетий. Но затем современные люди окончательно вытеснили неандертальцев.
   Во Франции были обнаружены останки кроманьонца (они были обнаружены в гроте Кроманьон). Вместе с останками были обнаружены орудия труда; кроманьонцы умели изготавливать одежду и строить жилища.
   Кроманьонцы владели членораздельной речью; они были высокого роста (примерно до 180 см), а объем их черепной коробки равнялся в среднем 1600 см³.

3. Злоупотребление дарвинизмом

   Бесспорен тот факт, что теория Чарльза Дарвина явилась мощным стимулом для дальнейшего развития науки. Однако вопрос о ее состоятельности или, наоборот, полной несостоятельности каждый должен решить сам для себя.
   В конце XIX в. среди крупнейших промышленников как Америки, так и Европы циркулировали идеи англичанина Герберта Спенсера. Герберт Спенсер использовал концепцию естественного отбора для обоснования свободного предпринимательства.
   Суть его идеи заключался в том, что беднота должна использоваться как рабочая сила. И именно поэтому многие фабриканты, владельцы заводов, предприятий и т. д. «на ура» восприняли эту теорию. Они нашли этическое и философское оправдание своему образу жизни, ведь «выживает сильнейший» (автором этого выражения является Герберт Спенсер, а не Дарвин).
   А немецкий ученый Эрнст Геккель вообще утверждал, что человек, как и природа, должны быть свободны в своих действиях. Он даже говорил, что люди могут быть при этом жестокими и очень даже жестокими. Эту точку зрения восприняла фашистская Германия во главе с Адольфом Гитлером.
   Гитлер пропагандировал жестокость. «Чистая арийская раса» в борьбе с другими расами и национальностями не должна выбирать мягкие средства, они ведь будут неэффективны для Германии. Гораздо проще Гитлеру казалось расстрелять десятки миллионов мирных жителей: стариков, женщин, детей, – убить миллионы солдат в СССР, защищающих свою страну от фашистских агрессоров.
   Печально об этом говорить, но идеи фашизма продолжают жить и сегодня. Неофашизм и скинхэды в России в полной мере подтверждают это.

4. Эволюция природы

   История нашей Земли делится на три больших периода (или эры):
   1) палеозойская эра;
   2) мезозойская эра;
   3) неозойская эра.
   Палеозойская эра началась 600 млн лет назад, до нее была архейская эра. В период архейской эры еще не было жизни на Земле, поэтому и рассматривать мы ее не будем.
   Палеозойская эра разделяется на:
   1) ранний палеозой;
   2) поздний палеозой.
   В период раннего палеозоя входят следующие периоды: кембрийский, силурийский, девонский.
   Поздний же палеозой включает каменноугольный и пермский периоды.
   Именно в эру палеозоя на Земле появляются первые ростки жизни. В воде появляются водоросли, сначала небольшие. Но потом водное пространство стало им тесно, и они «решились» выбраться на воздух.
   После того как в воде появились водоросли, появляются и первые живые организмы – моллюски, которые питаются этими водорослями.
   Что же произошло после того, как водоросли появились на Земле? Они постепенно «трансформировались» в гигантские травы, а затем и травовидные деревья. Естественно, что на Земле появляется обильная растительность. Почему бы ей и не появиться? Ведь тогда климат был теплый. Вся наша планета была покрыта густым непроницаемым туманом из водяных паров.
   Тогда еще не было времен года. Вот что свидетельствует об этом: почти по всему миру обнаружены залежи каменного угля. А каменный уголь – это останки деревьев, не имеющих годичных колец, их структура трубчатая, а не кольцевая. Проще говоря, это еще не те деревья, которые растут у нас за окном, это очень большая трава.
   Также в палеозойскую эру в геометрической прогрессии растет число моллюсков; появляются рыбы, которые могут дышать и жабрами, и легкими.
   Следующая эра – мезозойская. Это время настоящего расцвета животного царства на Земле. Тогда планету населяли множество видов рептилий. Они жили как в морях и океанах, так и на суше и в воздухе. Не только рептилии жили на планете, но и очень крупные насекомые, которые появились в конце палеозоя.
   Также в мезозойскую эру появляются и первые птицы. Предками птиц считаются такие рептилии, как птеродактили и археоптериксы.
   Птеродактили были рептилиями с невероятно сильными и развитыми мышцами пальцев лап. И между ними появились перепонки, благодаря которым птеродактиль и научился летать.
   У археоптерикса были крупные губы и зубы, а морда похожа на птеродактиля. Палеонтологи находят лишь скелеты птеродактилей, археоптерикса и древних птиц, но не найдено ни одного промежуточного звена между ними.
   Так что тот факт, что птицы произошли от птеродактиля (как человек от обезьяны), на все сто процентов считать доказанным нельзя.
   Далее наступает неозойская эра. Животный мир неозойской эры очень похож на мир современных животных (например, в районах Африки, которые не затронуты ледником).
   Человек, как считают ученые, появился в конце ледникового периода. Именно в это время появились все млекопитающие. Млекопитающие выделились как самостоятельный класс из класса пресмыкающихся. Отличия млекопитающих от пресмыкающихся:
   1) волосяной покров;
   2) четырехкамерное сердце;
   3) разделение артериального и венозного кровотока;
   4) внутриутробное развитие потомства и вскармливание детенышей молоком;
   5) развитие коры головного мозга, что обеспечило преобладание условных рефлексов над безусловными.
   Особенным животным можно назвать утконоса. Его особенность заключается в том, что он «вылупляется» из яиц (как пресмыкающееся), а вскармливается молоком матери (как млекопитающее).

ЛЕКЦИЯ № 6. Механизм наследственности. Квантовая механика

1. Механизм наследственности

   Вся информация о «плане организма» содержится всего лишь в одной клетке, а точнее – в части клетки, которая именуется ядром клетки. Данное ядро состоит из набора частиц. Эти частицы по своей форме напоминают палочку или нить, а называются они хромосомы.
   Количество хромосом различно: 8, 12, а у человека их 48. Правильнее будет говорить о том, что в клетке содержится 24 пары хромосом. И именно они несут в себе весь шифровальный код организма.
   Если присмотреться, то мы увидим схожесть хромосом. Это объясняется тем, что часть хромосом приходит от матери, т. е. от яйцеклетки, а вторая часть – от отца, т. е. от оплодотворяющего сперматозоида.
   Ученые провели исследование, в ходе которого было достоверно установлено, что основной «код наследственности» содержится в нити ДНК. Нить ДНК и составляют хромосомы, по виду она напоминает сетку. В этом «коде наследственности» есть и свои единицы. Такой единицей для микроорганизма являются три нуклеотида. Они построены довольно просто – по длине молекулы ДНК. Хромосомы высших организмов построены гораздо сложнее, но существует предположение, что процесс считывания информации (хотя это достоверно не было установлено) в общих чертах похож на тот, который наблюдается у микроорганизмов.
   Рост организма происходит путем митоза. Митоз – это последовательное клеточное деление. Яйцеклетка делится на две «дочерние» клетки, которые затем делятся на 4, 8, 16, 32, 64 и т. д. При этом следует отметить, что частота деления клеток во всем организме не одинакова, вследствие чего нарушается число делений клеток.
   При митозе хромосомы удваиваются. Смысл митоза заключается в том, что дочерние клетки получают точные копии набора хромосом яйцеклетки. Отсюда следует вывод, что все клетки тела подобны друг другу.
   Мейоз. После того как особь начала развиваться, часть клеток резервируется. Зарезервированная часть клеток не участвует больше ни в каких процессах. Она активируется только лишь тогда, когда особь достигает зрелости, и участвует в размножении особи. Из этой зарезервированной части клеток очень скоро, но до того, как особь начнет размножаться, начинают формироваться клетки – гаметы. Мужские гаметы называются спермин, а женские – яйцеклетки.
   Между тем клетки могут различаться по числу хромосомных наборов:
   1) клетки, имеющие только один хромосомный набор, именуются гаплоидными (это те же самые гаметы);
   2) обычные клетки именуются диплоидными;
   3) в жизни встречаются индивидуумы с тремя, четырьмя и более хромосомными наборами: триплоиды, тетраплоиды, полиплоиды.

2. Квантовая механика

   Квантовая механика по-другому называется волновой механикой. Итак, квантовая механика – это теория, которая устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и их системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.
   Квантовая механика помогла человечеству описать и осознать такие явления, как:
   1) ферромагнетизм твердых тел;
   2) сверхтекучесть твердых тел;
   3) сверхпроводимость твердых тел;
   4) была объяснена природа и происхождение нейтронных звезд, белых карликов и других астрофизических объектов.
   На этом значение квантовой механики не заканчивается. В теории квантовая механика делится на два вида:
   1) нерелятивистскую квантовую механику;
   2) релятивистскую квантовую механику.
   Различие релятивистской и нерелятивистской квантовой механики. Естественно, что если существует два направления квантовой механики, то значит, они должны противоречить друг другу. Через это противоречие можно просмотреть значение как нерелятивистской, так и релятивистской квантовой механики. Вот эти характеристики, различающие оба направления:
   1) нерелятивистская квантовая механика более «строгая», это законченная фундаментальная физическая теория, главной особенностью которой является ее непротиворечивость. Релятивистская квантовая механика является более «мягкой», она допускает наличие противоречий в теории;
   2) в нерелятивистской теории принято считать, что информация, помогающая взаимодействию, передается мгновенно. Релятивистская же квантовая механика утверждает, что взаимодействие распространяется со строго определенной скоростью (так называемой «конечной скоростью»). Следовательно, должно существовать что-то, что будет способствовать такой передаче. И этим «помощником» является физическое поле.
   Одним из основоположников квантовой механики можно назвать Планка. Он первым выступил против существовавшей в то время теории теплового излучения. В основе теории теплового излучения лежала статистическая физика и классическая электродинамика. Эти две отрасли науки не дополняли друг друга, а наоборот, приводили к противоречию всю теорию теплового излучения.
   В чем же заключается точка зрения Планка? А суть его точки зрения заключается в том, что свет излучается не непрерывно (как считалось ранее), а порциями. А точнее – дискретными порциями энергии, т. е. квантами.
   В квантовой механике выделяют так называемые дискретные состояния. Смысл данного состояния в том, что тело большого масштаба непрерывно изменяет свою скорость. Причем изменение этой скорости может происходить как в сторону ее увеличения, так и в сторону ее уменьшения. Для изменения скорости имеют большое значение разнообразные физические явления. Именно эти явления способствуют увеличению скорости или же, наоборот, ее уменьшению. Примером физического явления, которое способствует уменьшению скорости тела, можно назвать сопротивление воздуха. Чтобы понять это, достаточно вспомнить маятник часов: сначала маятник колеблется довольно «часто», а затем останавливается вообще.
   Понятно, что не только Планк сыграл выдающуюся роль в развитии квантовой механики. Этапы развития квантовой механики (это развитие можно проследить в хронологическом порядке) выглядят так:
   1) в 1905 г. Альберт Эйнштейн построил теорию фотоэффекта. Данная теория была построена с целью развития идей Планка. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами. Следовательно, дискретность присуща самому свету;
   2) в 1913 г. Бор применяет идею квантов по отношению к планетарной системе атомов. Данная идея Бора привела к научному парадоксу. Согласно Бору, радиус орбиты электрона постоянно уменьшался. Электрон в конце концов должен был просто «упасть» на ядро. Бор решил, что электрон испускает свет не постоянно, а лишь тогда, когда он переходит на другую орбиту;
   3) в 1922 г. американец Комптон доказал, что рассеяние света происходит путем столкновения двух частиц;
   4) эффект Комптона привел также к парадоксу. Он утверждал о корпускулярно-волновой природе света. И это было явное противоречие: эти два явления не могли смешиваться. В 1924 г. французский ученый Луи де Бройль выдвинул теорию, согласно которой каждой частице надо поставить волну, которая связана с импульсом частицы;
   5) австриец Шредингер доказал гипотезу де Бройля. Шредингер придумал уравнение, которое соответствует поведению волн де Бройля. Данное уравнение получило название «уравнение Шредингера»;
   6) в 1926 г. ученые-физики проводили опыты, которые экспериментально окончательно подтвердили теорию де Бройля;