Контрольная работа по дисциплине "Концепция современного естествознания"

Министерство образования  и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Московский  государственный открытый университет  имени В.С. Черномырдина»

Чебоксарский политехнический  институт (филиал)

Кафедра высшей и прикладной математики

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине концепция современного естествознания

на тему «Научно-техническая революция и ее основные черты»,

«Понятие «информация» в кибернетике и естествознании»,

«Принципы симметрии»,

«Модель расширяющейся Вселенной  и модель большого взрыва»,

«Атмосфера Земли: строение, состав, функции»,

«Роль мутаций и окружающей среды в эволюции живых организмов»

Выполнил(а):

студент(ка) 1 курса

специальности 080200

заочного отделения

Гусева Анастасия Игоревна

учебный шифр 1513083

Проверил(а):

доцент, Середа Надежда Валериевна

Чебоксары 2013

Оглавление

Тема 4. «Научно-техническая революция и ее основные черты»

Вторая половина XX века — это эпоха бурного  прогресса науки и техники. Производственные, экономические, военные, социальные, нравственно-психологические  проблемы научно-технического прогресса  давно перестали быть предметом  обсуждений лишь узкого круга специалистов. Открытия в науке и технике — будь то эффект высокотемпературной сверхпроводимости, супер-ЭВМ пятого поколения или новые формы животных и растений, полученные благодаря развитию генной инженерии,— волнуют людей отнюдь не меньше, чем самые злободневные события внутренней и международной жизни. Одним словом, речь идет о революционном перевороте, неслыханном в длительной истории технологических способов производства. Для лучшего понимания глубины и характера происходящих преобразований необходимо обратиться к анализу различных технологических способов производства, к истории становления и развития машинного производства.

Начало научно-технической  революции (НТР) принято относить к  середине 50-х годов XX века. В этот период был сделан целый ряд фундаментальных  открытий в естественных науках и  осуществлено их производственное применение. Это время овладения энергией атома, создания первых ЭВМ и квантовых  генераторов, выпуска серии полимерных и других искусственных материалов, выхода человека в космос. 
 
Современная научно-техническая революция является сложным, многоплановым явлением. С известной долей условности можно выделить три ее важнейших составляющих, неразрывно связанных между собой. 
 
Во-первых, научно-техническая революция характеризуется глубоким процессом интеграции науки и производства, притом такой интеграции, что производство постепенно превращается, как это еще предвидел К. Маркс, как бы в технологический цех науки. Формируется единый поток — от научной идеи через научно-технические разработки и опытные образцы к новым технологиям и массовому производству. Повсеместно идет процесс инновации, возникновение нового и его быстрое продвижение в практику. Резко усиливается процесс обновления и производственного аппарата, и выпускаемой продукции. Новые технологии и новые изделия становятся воплощением все более современных достижений науки и техники. Все это приводит к кардинальным изменениям в факторах и источниках экономического роста, в структуре экономики и ее динамизме. 
 
Когда говорят о научно-технической революции, то в первую очередь подразумевают именно процесс интеграции науки и производства. Однако было бы неправильно все сводить только к этой, на наш взгляд, лишь первой составляющей современной НТР. 
Во-вторых, понятие «научно-техническая революция» включает в себя революцию в подготовке кадров и во всей системе образования. Новая техника и технология требуют нового работника — более культурного и образованного, гибко приспосабливающегося к техническим нововведениям, высокодисциплинированного, имеющего к тому же навыки коллективного труда, что является характерной чертой новых технических систем. 
 
В-третьих, важнейшей составляющей НТР является подлинная революция в организации производства и труда, в системе управления. Новой технике и технологии соответствует и новая организация производства и труда. Ведь современные технологические системы обычно базируются на взаимосвязанной цепочке оборудования, на котором работает и которое обслуживает довольно разносторонний коллектив. В связи с этим выдвигаются новые требования к организации коллективного труда. Поскольку процессы исследования, конструирования, проектирования и производства неразрывно связаны между собой, переплетаются и взаимно проникают друг в друга, перед управлением стоит сложнейшая задача — связать воедино все эти этапы. Сложность производства в современных условиях многократно возрастает, и, чтобы соответствовать ему, само управление переводится на научную основу и на новую техническую базу в виде современной электронно - вычислительной, коммуникационной и организационной техники.

Тема 14. Понятие «информация» в кибернетике и естествознании.

Кибернетика - наука об общих  закономерностях процессов управления и передачи информации в технических, биологических и социальных системах.

Её основателем является американский математик Н. Винер (1894-1964), выпустивший в 1948 году книгу "Кибернетика, или управление их связь в животном и машине"

Информация в кибернетике. Естественнонаучное понимание И. основано на двух определениях этого понятия, предназначенных для различных  целей (для информации теории, иначе  называемой статистической теорией  связи, и теории статистических оценок). К ним можно присоединить и  третье (находящееся в стадии изучения), связанное с понятием сложности  алгоритмов.

Центральное положение понятия  И. в кибернетике объясняется  тем, что кибернетика (ограничивая  и уточняя интуитивное представление  об И.) изучает машины и живые организмы  с точки зрения их способности  воспринимать определённую И., сохранять  её в "памяти", передавать по "каналам  связи" и перерабатывать её в "сигналы", направляющие их деятельность в соответствующую  сторону.

В некоторых случаях возможность  сравнения различных групп данных по содержащейся в них И. столь  же естественна, как возможность  сравнения плоских фигур по их "площади"; независимо от способа  измерения площадей можно сказать, что фигура A имеет не большую  площадь, чем B, если A может быть целиком  помещена в В (сравни примеры 1—3 ниже). Более глубокий факт — возможность выразить площадь числом и на этой основе сравнить между собой фигуры произвольной формы — является результатом развитой математической теории. Подобно этому, фундаментальным результатом теории И. является утверждение о том, что в определённых весьма широких условиях можно пренебречь качественными особенностями И. и выразить её количество числом. Только этим числом определяются возможности передачи И. по каналам связи и её хранения в запоминающих устройствах.

Пример 1. В классической механике знание положения и скорости частицы, движущейся в силовом поле, в данный момент времени даёт И. о  её положении в любой будущий  момент времени, притом полную в том смысле, что это положение может быть предсказано точно. Знание энергии частицы даёт И., но, очевидно, неполную.

В середине XX в. понятие «информация» приобрело общенаучное значение.

Каждая клетка содержит в  себе генетический код.

Этот генетический код  и есть всем известная ДНК. Информация о клетке передается из поколения  в поколение с помощью комплементарного спаривания оснований.

Несмотря на то что генетический код разных организмов, естественно, разнообразен, можно выделить некоторые их общие свойства:

1) избыточность;

2) специфичность;

3) универсальность;

4) дискретность;

5) «знаки препинания»  генетического кода.

Избыточность. Смысл данного  свойства заключается в том, что  генетический код включает в себя очень большое число азотистых  оснований. Поэтому генетические коды образуются так называемыми триплетами, т. е. комбинацией, которая состоит  из трех нуклеотидов.

Специфичность. Данное свойство заключается в том, что триплеты индивидуальны и могут соответствовать  только одной аминокислоте.

Универсальность. Смысл данного  свойства состоит в том, что генетический код является универсальным и  для бактерий, и для млекопитающих.

Дискретность. Эти самые  триплеты никогда не бывают перекрытыми, а считать ДНК с молекулы невозможно, если были использованы азотистые основания  разных триплетов.

«Знаки препинания» генетического  кода. Проще говоря, в клетках  существуют такие триплеты, которые  разграничивают информацию о белках, не позволяя ей смешиваться.

Информация является также  важной философской проблемой. Не вызывает сомнений то, что информационные процессы — это отражение объективной  реальности.

Положение о неразрывной  связи информации и отражения  стало одним из важнейших в  изучении информации и информационных процессов и признается абсолютным большинством отечественных философов.

Информация изучается  в такой науке, как кибернетика. Кибернетика тесно связана с  рядом других наук (например, с логикой, философией, математикой).

Главной задачей кибернетики  является решение вопроса о том, возможно ли создать искусственный  интеллект. Ученые- философы утверждают, что создать искусственный интеллект невозможно. Вернее, создать его можно, но он никогда не заменит собой человеческий разум.

Ученый П. Армер предложил  идею о «континууме интеллекта», суть которого заключалась в том, что компьютеры можно классифицировать по уровню развитости их интеллекта. Армер  также предлагал разработать  своеобразную шкалу, согласно которой  можно будет осуществлять такую  классификацию.

Тема 24. «принципы симметрии»

 Симметрия является  той идеей, посредством которой  человек на протяжении веков  пытался постичь и создать  порядок, красоту и совершенство. (Г. Вейль)

Принципы симметрии:

Калибровочные симметрии

Калибровочные симметрии  связаны с инвариантностью относительно масштабных преобразований. Под калибровкой, таким образом, первоначально понималось именно изменение уровня или масштаба. Формы симметрии являются одновременно и формами асимметрии. Так геометрические асимметрии выражают неоднородность пространства – времени, анизотропность пространства и т.д. Динамические асимметрии проявляются  в различиях между протонами  и нейтронами в электромагнитных взаимодействиях, различие между частицами  и античастицами (по электрическому, барионному зарядам) и т.д.

Симметрия пространства – времени и законы сохранения

Значение законов сохранения (законы сохранения импульса, энергии, заряда и др.) для науки трудно переоценить. Дело в том, что понятие  симметрии применимо к любому объекту, в том числе и к  физическому закону.

Теорема Нетер. Наиболее общий  подход к взаимосвязи симметрий  и законов сохранения содержится в знаменитой теореме Э. Нетер. В 1918 г., работая в составе группы по проблемам теории относительности, доказала теорему, упрощенная формулировка которой гласит: если свойства системы  не меняются относительно какого-либо преобразования переменных, то этому  соответствует некоторый закон  сохранения.

Переход от одной инерциальной системы (ИСО) к другой можно осуществлять следующими преобразованиями:

1. Сдвиг начала координат.  Это связано с физической эквивалентностью  всех точек пространства, т.е.  с его однородностью. В этом  случае говорят о симметрии  относительно переносов в пространстве.

2. Поворот тройки осей  координат. Эта возможность обусловлена  одинаковостью свойств пространства во всех направлениях, т.е. изотропностью пространства и соответствует симметрии относительно поворотов.

3. Сдвиг начала отсчета  по времени, соответствующий симметрии  относительно переноса по времени.  Этот вид симметрии связан  с физической эквивалентностью  различных моментов времени и  однородностью времени, т.е. его  равномерным течением во всех  инерциальных системах –отсчета. Смысл эквивалентности различных моментов времени заключается в том, что все физические явления протекают независимо от времени их начала (при прочих равных условиях).

4. Равномерное прямолинейное  движение начала отсчета со  скоростью V, т.е. переход от  покоящейся системы к системе,  движущейся равномерно и прямолинейно.

Это возможно, т.к. такие системы  эквивалентны. Такую симметрию условно  называют изотропностью пространства-времени. Переход же осуществляется с помощью  преобразований Галилея или преобразований Лоренца. Описанные выше 4 вида симметрии  являются универсальными. Это означает, что все законы природы относительно них инвариантны с большой  степенью точности, а соответствующие  им законы являются фундаментальными. К этим законам относятся соответственно:

1. Закон сохранения импульса  как следствие однородности пространства.

2. Закон сохранения момента  импульса как следствие изотропности  пространства.

3. Закон сохранения энергии  как следствие однородности времени.

4. Закон сохранения скорости центра масс (следствие изотропност

пространства-времени).

Как уже было сказано ранее, описанные виды симметрий относятся  к геометрическим. Связь с законами сохранения обнаруживают и динамические симметрии. С динамическими симметриями связан закон сохранения электрического заряда (при превращении элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной), закон сохранения лептонного заряда (при превращении элементарных частиц сумма разность числа пептонов и антилептонов не меняется) и т.д.

Симметрия и асимметрия живого.

Дело в том, что «живые»  молекулы, т.е. молекулы органических веществ, составляющих живые организмы и  полученные в ходе жизнедеятельности, отличаются от «неживых», т.е. полученных искусственно, отличаются зеркальной симметрией. Неживые молекулы могут быть как зеркально симметричны, так и зеркально асимметричны, как, например, левая и правая перчатка. Это свойства зеркальной асимметрии молекул называется киральностью, или хиральностью. Неживые киральные морекулы встречаются в природе как в «левом» так и в «правом» варианте, т.е. они кирально нечистые. «Живые» молекулы могут быть только одной ориентации – «левой» или «правой», т.е. здесь говорят о киральной чистоте живого. Например, молекула ДНК, как известно, имеет вид спирали, и эта спираль всегда правая. У глюкозы, образующейся в организме правовращающая форма, у фруктозы – левовращающая.

Нарушение симметрии  как источник самоорганизации.

В качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, рассмотренный нами ранее, включает инфляционную стадию (раздувание) от «ложного вакуума» – вакуума, обладающего огромной энергией. Такой вакуум обладает стремление к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его расширение. «Ложный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, а следовательно, нестабильное состояние. В свете инфляционной теории эволюция Вселенной предстает как синергетический самоорганизующийся процесс. Если считать Вселенную замкнутой системой, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены как взаимодействие двух открытых подсистем – физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. Согласно этой теории в процессе расширения из «суперсимметричного» состояния Вселенная разогрелась до температуры, соответствующей Большому Взрыву. Дальнейшее ее развитие по мере падения температуры пролегало через критические точки бифуркации (ветвления), в которых происходили спонтанные нарушения симметрий исходного вакуума. Спонтанное нарушение симметрии вакуума выражается в том, что он отдает энергию на рождение микрообъектов, на приобретение их масс и зарядов, вследстве чего плотность энергии вакуума уменьшается.

Важным здесь является и то, что ход этой эволюции, выбор  пути развития в моменты бифуркаций оказался именно таким, что в результате появилась именно такая Вселенная, какую мы наблюдаем, т.е. Вселенная, в которой оказалась возможной  жизнь нашего типа и появление  самого наблюдателя (т.н. антропный  принцип).

Асимметрия и  жизнь

Асимметрия и жизнь. Открытие киральной чистоты молекул биогенного происхождения проливает новый  свет на возникновение жизни на Земле, которое могло быть вызвано спонтанным нарушением существующей до того зеркальной симметрии. Факторами возникновения  асимметрии могли быть радиация, температура, давление, воздействие электромагнитных полей и др. Возможно, что жизнь на Земле зародилась в виде структур, схожих с генами современных организмов. Это мог быть акт самоорганизации материи в виде скачка, а не постепенной эволюции. В связи с этим говорят о Большом Биологическом Взрыве.

Исследования показывают, что в ходе развития жизни асимметрия все больше и больше вытесняет  симметрию из биологических и  химических процессов. Внешне симметричные полушария головного мозга различаются  по своим функциям. Явно асимметричным  признаком является разделение полов  – достаточно «позднее приобретение»  эволюции, причем каждый пол вносит в процесс воспроизведения свою генетическую информацию. Симметрия  и асимметрия живого проявляются  и в важнейших факторах эволюции. Так в устойчивости видов (наследственность) проявляется симметрия, а в их изменчивости – асимметрия.

Тема 34. «Модель расширяющейся  Вселенной и модель большого взрыва»

Нас интересуют события, которые  произошли, по разным оценкам, 13 -20 млрд. лет назад (13 млрд. лет в соответствии с теорией «закрытого мира», а 20 млрд. лет по теории «Открытого мира»). Все  это время наша Вселенная, согласно теории Большого взрыва, постоянно  расширялась. В пролом же плотность  вещества должна было быть огромной. Согласно теории А. Фридмана следует, что плотность  могла быть бесконечно большой, хотя некоторые ученые называют некий  возможный предел значения плотности  вещества, примерно равный 10 кг/м3

Другим важным параметром является температура. Вопрос о том, «холодной» или «горячей» была материя  в ту эпоху, долгое время оставался  спорным. Решающие доказательства, что  Вселенная была горячей, удалось  получить в середине 60-х годов. В  настоящее время большинство  космологов считает, что материя  в начале расширения Вселенной была не только сверхплотной, но и очень  горячей, а теория рассматривающая физические процессы в начале расширения Вселенной получила название «теории горячей Вселенной».

Согласно этой теории, ранняя Вселенная представляла собой гигантский ускоритель «элементарных» частиц. Началом  работы Вселенского ускорителя был  Большой взрыв. Этот термин часто  применяют современные космологи. Наблюдаемый разлет галактик и их скоплений – следствие Большого взрыва. Академик Я.Б. Зельдович назвал этот взрыв астрономическим, тем  самым, подчеркнув его отличие от химического взрыва.

У обоих взрывов есть общие  черты, например, в обоих случаях  вещество после взрыва охлаждается  при расширении, падает и его плотность. Но есть и существенный отличия. Главное  состоит в том, что химический взрыв обусловлен разностью давлений во взрывающемся веществе и давлением  в окружающей среде (воздухе). Эта  разность давлений создает силу, сообщающую скорость частицам заряда взрывчатого  вещества. В астрономическом взрыве подобной разности давлений нет. Астрономический  взрыв не начался из какого-то определенного  центра, распространяясь на все большие  области, а произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве. Представить себе это очень трудно, тем более что «все пространство»  в начале взрыва могло быть как  конечным (теория замкнутого мира), так  и бесконечным (теория открытого  мира).

В теории космологии приято эволюцию вселенной разделять на 4 эры:

а)      адронная эра (начальная фаза, характеризующаяся  высокой температурой и плотностью вещества, состоящего из элементарных частиц — «адронов»);

б)      лептонная  эра (следующая фаза, характеризующаяся  снижением энергии частиц и температуры  вещества, состоящего из элементарных частиц

«лептонов». Адроны распадаются  в мюоны и мюонное нейтрино — образуется «нейтринное море»;

в)      фотонная эра или эра излучения (характеризуется  снижением температуры до 10 К, аннигиляцией электронов и позитронов, давление излучения полностью отделяет вещество от антивещества);

г)       звездная эра (продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц,  продолжается со времени завершения Большого взрыва (примерно 300 000 лет назад) до наших  дней.

В нулевой момент времени  Вселенная возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом, характеризующейся бесконечно высокими плотностью, давлением, температурой и кривизной. Пытаясь объяснить происхождение Вселенной, сторонники Большого взрыва сталкиваются с серьезной проблемой, поскольку исходное состояние Вселенной в разработанной ими модели не поддается математическому описанию. В их описаниях Вселенная в начале представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую плотность и температуру. Такое состояние вещества в принципе не может быть описано математически. На языке науки это явление получило название «сингулярности».

В течение первой миллионной доли секунды, когда температура  значительно превышала 10 К (по некоторым оценкам до 10  К),  а плотность была немыслимо велика, происходили неимоверно быстро сменяющие себя экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять, каковы были эти первые мгновения, например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были слиты воедино. Есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Иными словами материя Вселенной представляла собой электронно-позитронные пары (е и е); мюонами и антимюонами (м и м); нейтрино и антинейтрино, как электронными (v, v), так и мюонными (v, v) и тау-нейтрино (v, v); нуклонами (протонами и нейтронами) и электромагнитным излучением. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия.

В те первые мгновения все  имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать (парами – частица и  античастица) и аннигилировать. Это  взаимное превращение частиц в излучение  и обратно продолжалось до тез  пор, пока плотность энергии фотонов  превышала значение пороговой энергии  образования частиц. Когда возраст  Вселенной достиг одной сотой  доли секунды, ее температура упала  примерно до 10 К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, некоторые из этих частиц избежали аннигиляции – иначе в современной нам

Вселенной не было бы вещества. Через 1 секунду после Большого взрыва температура понизилась до 10  К и нейтрино перестали взаимодействовать с веществом. Вселенная стала практически «прозрачной» для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10 секунд уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение катастрофического процесса взаимной аннигиляции. По окончанию этого процесса, однако, осталось определенное количество электронов, достаточное, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.

Существует два основных взгляда на процесс формирования галактик. Первый состоит в том, что  в любой момент времени в расширяющейся  смеси вещества и излучения могли  существовать случайно распределенные области с плотностью выше средней. В результате сил тяготения эти  области сначала отделились в  виде очень протяженных сгустков вещества. В этих сгустках начался  процесс фрагментации, приведший  к образованию облаков меньших размеров, которые позднее превратились в скопления и отдельные галактики, наблюдаемые сегодня. Далее в этих меньших (по галактическим размерам) сгустках под действием сил тяготения в случайных неоднородностях плотности началось формирование звезд. Другая точка зрения дает другой сценарий: вначале из флуктуации плотности в расширяющемся первичном шаре сформировались многочисленные (малые) галактики, которые с течением времени объединились в скопления, в сверхскопления и, возможно, в более крупные иерархические структуры.

Главным в споре этих двух взглядов является ответ на вопрос, имел ли процесс Большого взрыва вихревой (турбулентный) характер или протекал более гладко. Признаков турбулентности в крупномасштабной структуре сегодняшней  Вселенной не наблюдается. Вселенная  выглядит удивительно сглаженной в  крупных масштабах, несмотря на некоторые  отклонения, в целом далекие галактики  и их скопления галактики распределены по всему небу равномерно, а степень  изотропности фонового излучения также  довольно высока. Все это заставляет признать, что Большой взрыв был  безвихревым, упорядоченным процессом  расширения.

В1978 г., пытаясь найти обоснование  для наблюдаемого соотношения фотонов  и барионов (10  : 1) М. Рис высказал предположение, что фоновое излучение может быть результатом «эпидемии» образования массивных звезд, начавшейся сразу после отделения излучения от вещества и до того, как возраст Вселенной достиг 1 млрд. лет. Продолжительность жизни этих звезд не могла превышать 10 млн. лет, многим из них было суждено пройти стадию сверхновых и выбросить в пространство тяжелые химические элементы, которые частично собрались в крупицы твердого вещества, образовав облака межзвездной пыли. Эта пыль, нагретая излучением догалактических звезд, могла, в свою очередь, испускать инфракрасное излучение, которое в силу его красного смещения, вызванного расширением Вселенной, наблюдается сейчас как микроволновое фоновое излучение.

Эта точка зрения не получила широкого признания, но в1979 г. Д.П. Вуди и П.Л. Ричарде из Калифорнийского  университета опубликовали результаты наблюдений, указывающие на некоторые  отклонения характеристик микроволнового фонового излучения от кривой излучения  абсолютно черного тела. В том же году М. Роуэн-Робинсон, Дж. Негропонте и Дж. Силк (Колледж королевы Марии, Лондон) указали, что отклонения обнаруженные Вуди и Ричардсом, может быть объяснено излучением пылевых облаков, образовавшихся вслед за «эпидемией» массового формирования звезд, что соответствует теории М. Риса. Если эта новая теория соответствует истине, то это означает, что подавляющее количество всей массы Вселенной содержится в невидимых остатках звезд первичного, догалактического, поколения и в настоящее время может находиться в массивных темных гало, окружающих яркие галактики, которые мы наблюдаем сегодня.

Тема 39. Атмосфера Земли: строение, состав, функции.

Атмосфе́ра (от. др.-греч. ἀτμός — пар и σφαῖρα — шар) — газовая оболочка (геосфера), окружающая планету Земля. Внутренняя её поверхность покрывает гидросферу и частично земную кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.