Концепция современного естествознания

Вариант № 1

1. Пространство, его свойства и жизнь во Вселенной

В обыденном восприятии под пространством понимают некую протяженную пустоту, в которой могут (но не обязательно) находиться какие-либо предметы. Однако между небесными телами (звездами, планетами, кометами) всегда имеется некоторое количество вещества, да и физический вакуум содержит виртуальные частицы. В науке пространство рассматривается не как вместилище материи, а как физическая сущность, обладающая конкретными свойствами и структурой.

Основные свойства пространства формировались по мере освоения человеком территорий и развития одной из древнейших наук — геометрии. Были определены основные представления о пространстве, которые использованы И. Ньютоном в его «Математических началах натуральной философии» (1687): однородность — нет выделенных точек пространства, параллельный перенос и поворот не изменяют вид законов природы;

изотропность — в пространстве нет выделенных направлений, и поворот на любой угол сохраняет неизменными законы природы;

непрерывность — между двумя различными точками в пространстве, как близко бы они не находились, всегда есть третья;

трехмерность — каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел — координат;

«евклидовость» — описывается геометрией Евклида, в которой, согласно пятому постулату, параллельные прямые не пересекаются и сумма внутренних углов треугольника равна 180°.

Положение тел в окружающем пространстве определяется тремя координатами (долгота, широта, высота), т. е. наглядным представлениям соответствует трехмерность пространства. Пространство называют искривленным, если в него невозможно ввести координатную систему, которая может считаться прямолинейной. Иначе — оно плоское.

Реальное пространство трехмерно, т. е. имеет три измерения. В трехмерном пространстве существуют атомы и планетные системы, выполняются фундаментальные законы природы. Первые представления о пространстве возникли из очевидного существования в природе твердых тел, занимающих определенный объем. Исходя из него, можно дать определение: пространство выражает порядок сосуществования физических тел.

Пустое пространство идеально, в то время как реальный окружающий нас мир заполнен различными материальными объектами.

Пространство относительно. Специальная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум пространство — время.

Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета, т. е. относительно ее поворота в пространстве на любой угол.

Функциональным мы называем пространство, образуемое последовательно сменяющимися материальными объектами. Объективно-реальное, функциональное пространство существует, имеет статус физической реальности лишь с момента возникновения материальных вещей и до их исчезновения как таковых (точнее, до воплощения их материального содержания в другие, последующие материальные вещи). Называем же мы функциональными пространство и время в связи с тем, что само их существование, все их свойства всецело зависят от изменений, происходящих в материальных вещах, явлениях и процессах как под действием содержащихся в них потенциальных возможностей, так и под влиянием их взаимодействия с внешней окружающей средой. В результате каждого качественного изменения образуются новое время и новое пространство, имеющие физический смысл, физическое значение. Трудности на пути исследования проблемы пространства связаны еще и с тем, что ученые вкладывают в понятие реальное пространство разный смысл, причем смысл, далеко не совпадающий с понятием функционального времени.

Основные свойства пространства — его всеобщность, протяженность и координированность его частей. Координированность частей пространства определяет его структуру, протяженность — топологию. И совершенно очевидно, что закономерности пространства — это прежде всего и только закономерности материи. Но поскольку материя существует в различных формах и видах, постольку и пространство должно быть многообразно по своим видам и формам. Данный факт определяет еще одно основное свойство пространства — его относительность. Здесь следует заметить, что, строго говоря, законы геометрии не зависят от строения материального объекта, но они определяются законами связей объектов, и поэтому, ввиду многообразия этих связей, многообразными должны быть и геометрии, что мы и наблюдаем. Таким образом, можно сделать самый общий вывод, имеющий большое методологическое значение: закономерности пространства относительны и обусловлены, геометрии пространства многообразны. Важнейшее свойство пространства — объективность. Чистого пространства, не связанного с материальными объектами, не существует.

2. Виды химических связей и их объяснение с точки зрения строения атомов

Свойства вещества определяются его химическим составом, порядком соединения в молекулу атомов и их взаимным влиянием. Теория строения атомов объясняет механизм образования молекул и природу химической связи. Важнейшими видами химической связи являются ионная, ковалентная, координационная, водородная и металлическая.

Химия изучает процессы превращения молекул при взаимодействиях и при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи. Взаимодействие электронных оболочек атомов порождает химические связи, создающие определенные конфигурации атомов, отличающие один тип молекулы от другого. Если атомные конфигурации подходят друг к другу, возникает структура, несколько большая, чем до этого была совокупность из атомов по отдельности. Получается насыщенная молекула, присоединить к ней еще какой-то атом почти невозможно. Насыщаемость молекул определяет их постоянный состав для данного вещества и связана с валентностью — способностью атома образовывать химические связи. Инертные газы с трудом образуют химические соединения, так как имеют устойчивую электронную оболочку. Внешняя оболочка атома, которая содержит орбитали самых высоких энергий атома, называется валентной.

Понятие валентности, введенное в науку для описания свойства одного изолированного атома, постепенно стало отражать свойства связанного атома, т. е. атома, находящегося в молекуле и изменившего свои свойства под влиянием других атомов. Современные представления о химической связи основаны на современной теории валентности. Термин «связь» оказался очень точен. Случайных связей не бывает — существуют правила их возникновения. При образовании связи атомы приближаются к достижению наиболее устойчивой электронной конфигурации, т. е. имеющей более низкую энергию. Для объяснения химической связи между атомами в молекулах солей, оксидов и щелочей наиболее пригодна теория, в основу которой положено представление об ионной связи.

Совокупность химически связанных атомов (молекула, кристалл) состоит из атомных ядер и связанных с ними электронов. Положение атомных ядер экспериментально устанавливается довольно точно. Распределение электронной плотности фиксируется менее точно, поскольку в молекуле каждый из валентных электронов может быть обнаружен в окрестности любого ядра. Тем не менее, каждому из этих валентных электронов, как и в атоме, соответствует определенный энергетический уровень, называемый молекулярной орбиталью. При построении молекулярных орбиталей используется Кроме этого подхода рассмотрим основанный на предположении, что химическая связь осуществляется одной или несколькими электронными парами, локализованными между взаимодействующими атомами.

Ионная связь, основанная на переносе валентных электронов от одного атома к другому и электростатическом притяжении этих образовавшихся ионов, — самый распространенный вид связи. Молекула представляется электрическим диполем, а центры ионов в нем расположены на определенном расстоянии друг от друга, называемом длиной связи. При ковалентной связи прочное соединение нейтральных атомов достигается за счет более глубокого взаимодействия между ними, например связь атомов углерода в кристалле алмаза или в молекуле Н2. Металлическая связь проявляется, когда атомы металла обобществляют валентные электроны, слабо связанные с атомными остовами.

3. Почему избыточное количество пищи приводит к ожирению? Откуда берется энергия для жизни и какова при этом роль АТФ?

Главным условием жизни как организма в целом, так и отдельной клетки является обмен веществ и энергии с окружающей средой. Для поддержания сложной динамической структуры живой клетки требуется непрерывная затрата энергии. Кроме того, энергия необходима и для осуществления большинства функций клетки (поглощение веществ, двигательные реакции, биосинтез жизненно важных соединений). Источником энергии в этих случаях служит расщепление органических веществ в клетке.

Энергетический обмен в клетке. Первичным источником энергии в живых организмах является Солнце. Энергия, приносимая световыми квантами (фотонами), поглощается пигментом хлорофиллом, содержащимся в хлоропластах зеленых листьев, и накапливается в виде химической энергии в различных питательных веществах. Все клетки и организмы можно разделить на два основных класса в зависимости от того, каким источником энергии они пользуются. У первых, называемых аутотрофными (зеленые растения), СО2 и Н2О превращаются в процессе фотосинтеза в элементарные органические молекулы глюкозы, из которых и строятся затем более сложные молекулы. Клетки второго класса, называемые гетеротрофными (животные клетки), получают энергию из различных питательных веществ (углеводов, жиров и белков), синтезируемых аутотрофными организмами. Клеточное дыхание — это окисление органических веществ, приводящее к получению химической энергии (АТФ). Аденозинтрифосфат (сокр. ATФ, англ. АТР) — нуклеотид, играет исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах; в первую очередь соединение известно как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. Главная роль АТФ в организме связана с обеспечением энергией многочисленных биохимических реакций. Являясь носителем двух высокоэнергетических связей, АТФ служит непосредственным источником энергии для множества энергозатратных биохимических и физиологических процессов. Все это реакции синтеза сложных веществ в организме: осуществление активного переноса молекул через биологические мембраны, в том числе и для создания трансмембранного электрического потенциала; осуществления мышечного сокращения. Таким образом, АТФ — это главный универсальный поставщик энергии в клетках всех живых организмов.

В течение всей жизни в организме человека непрерывно совершается обмен веществ и энергии. Источником необходимых организму строительных материалов и энергии являются питательные вещества, поступающие из внешней среды в основном с пищей. Полноценное рациональное питание — важное условие существования человека, сохранения его здоровья и работоспособности. Длительные отклонения от нормальных структур, уровней, калорийности пищевого рациона, состава по качеству белков, жиров и углеводов, витаминов, минеральных веществ, правильных режимов питания, температурных характеристик принимаемой пищи объективно сопровождаются теми или иными патологическими изменениями состояний организмов людей, их жизненно важных функций и становится одной из главных причин возникновения сердечно-сосудистых заболеваний, заболеваний органов пищеварения, болезней, связанных с нарушением обмена веществ, таких как ожирение и сахарный диабет. Под изменением внутренней энергии мы подразумеваем её затраты на поддержание температуры тела, перегруппировку атомов пищи в клетки организма и, наконец, запас энергии в виде жиров. Зная это, диетологи могут смело советовать желающим увеличить свой вес в состоянии покоя (когда величина совершаемой работы мала) поглощать как можно больше высококалорийной пищи — жиров и углеводов: тогда излишняя внутренняя энергия пойдет на организацию запаса жиров в организме. Напротив, желающим похудеть обычно рекомендуют побольше двигаться и поменьше есть булочек и пирожков (то есть уменьшить количество энергии, поступающей в виде пищи).

Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность изменений и превращений вещества и энергии в организмах, обеспечивающих их рост, развитие, жизнедеятельность, самовоспроизведение и самосохранение. Процесс метаболизма — это непрерывно протекающие реакции потребления и усвоения поступающих веществ, превращения их в собственное тело организма {ассимиляции), а также противоположные реакции — разрушения некоторых веществ {диссимиляции). Пищеварение включает в себя процессы расщепления. Для каждого вида организмов генетически закреплен свой тип обмена веществ, зависящий от условий существования. коферментов к кислороду.

4. Открытие реакции расщепления ядер урана и значение его открытия для человечества

Уран-элемент № 92 занимает в современной жизни особое место. Главный элемент атомной энергетики и сырье для получения другою главного энергетического элемента — плутония, он причастен ко многим большим открытиям XX в. Уран оказал серьезное влияние и на многие аспекты нашего бытия, далекие от науки, в частности на международную политику. Первая важная дата в истории урана — 1789 г., когда немецкий натурфилософ и химик Мартин Генрих Клапрот восстановил извлеченную из саксонской смоляной руды золотисто-желтую «землю» до черного металлоподобного вещества. В честь самой далекой из известных тогда планет (открытой Уильямом Гершелем восемью годами раньше) Клапрот, считая новое вещество элементом, назвал его ураном. Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом. Только в 1841 г. француз Эжен Пелиго доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, уран Клапрота не элемент, а окисел UO2. Пелиго удалось получить настоящий уран — тяжелый металл серо-стального цвета.

Так свершилось основополагающее открытие ядерной физики — открытие радиоактивности. Вскоре Беккерель, а затем и другие физики установили, что интенсивность излучения пропорциональна числу атомов урана, содержащихся в препарате, и не зависит от того, в какое химическое соединение они входят. Больше урана — сильнее излучение. В 1899 г. Резерфорд обнаружил, что излучение урановых препаратов неоднородно, что есть два вида излучения — альфаи бета-лучи. Они несут различный электрический заряд; далеко не одинаковы их пробег в веществе и ионизирующая способность. Чуть позже, в мае 1900 г., Поль Вийар открыл третий вид излучения — гамма-лучи…Великие открытия 30-х годов легли в основу современной ядерной физики и атомной энергетики. Они позволили глубже понять строение атома. В нейтронных потоках урановых реакторов в наши дни тоннами накапливаются элементы, в десятки раз более ценные, чем золото. Однако открытие процесса самопроизвольного ядерного деления одновременно поставило человечество перед опасностью всемирной ядерной катастрофы. Открытие расщепления урана, ставшее одной из важнейших вех на пути к атомному веку, было самым крупным его достижением. Применение открытия Гана для создания средств массового уничтожения объясняется сложившимися политическими условиями.