Научно — техническая революция 20 века В

Научно - техническая революция 20 века

В XX в. естествознание развивалось невероятно быстрыми темпами, что обусловливалось потребностями практики. Промышленность требовала новых технологий, в основе которых лежало естественнонаучное знание. Мощным стимулятором для развития науки и техники стали мировые войны, а также экономическое и военное противостояние двух военно-политических блоков, во главе которых стояли СССР и США.

НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ В ФИЗИКЕ НАЧАЛА XX в. : ВОЗНИКНОВЕНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ И КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ В начале XX в. кризис в физике разрешается с созданием двух новых способов физического познания — релятивистского и квантового. На их основе формируется неклассическая физика и новая, современная физическая картина мира.

Таким образом, к рубежу XIX XX вв. развитие физики привело к осознанию противоречивости и несовместимости трех принципиальных положений классической механики: 1) скорость света в пустом пространстве всегда постоянна независимо от движения источника или приемника света; 2) в двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакого средства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение (принцип относительности); 3) координаты и скорости преобразовываются из одной инерциальной системы в другую согласно классическим преобразованиям Галилея. Было ясно, что эти три положения не могут быть объединены, поскольку они несовместимы.

Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности (СТО). Фундаментальные противоречия в основаниях классической механики. В начале XX в. на смену классической механике пришла новая фундаментальная теория — специальная теория относительности (СТО). Созданная усилиями ряда ученых, прежде всего А. Эйнштейна, она позволила непротиворечиво объяснить многие физические явления, которые не укладывались в рамки классических представлений. В сентябре 1905 г. в немецком журнале «Annalen der Physik» появилась работа А. Э й н ш т е й н а «К электродинамике движущихся тел» . Эйнштейн сформулировал основные положения СТО, которая объясняла отрицательный результат опыта Майкельсона и смысл преобразований Лоренца, а также содержала новый взгляд на пространство и время.

Математический аппарат СТО был разработан Г. Минковским (1908). С математической точки зрения СТО есть геометрия плоского четырехмерного пространства — времени Минковского. СТО подтверждена и проверена на обширном материале, многими фактами и экспериментами (например, замедление времени наблюдается при распадах элементарных частиц в космических лучах или в ускорителях высоких энергий) и лежит в основе теоретических описаний всех процессов, протекающих с релятивистскими скоростями. Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физического познания.

Создание и развитие общей теории относительности Согласование СТО и теории тяготения Ньютона пошло по пути ограничения сферы применения ньютоновской теории гравитации (гравитационное поле не должно быть очень сильным, т. е. таким, которое не разгоняет частицы до релятивистских скоростей), а также обобщения и углубления содержания основных понятий классической теории тяготения. Это привело к созданию А. Эйнштейном в 1915— 1916 гг. новой (неклассической) теории гравитации — общей теории относительности (ОТО). Здесь в центре внимания оказалось понятие неинерциальных систем отсчета. В физике XX в. ОТО сыграла особую и своеобразную роль. Прежде всего следует отметить, что она является неклассической теорией тяготения, которая, возможно, не завершена и не лишена некоторых недостатков. Трудность состоит в том, что с точки зрения ОТО искривление пространства времени создается материей (и соответствующей ей энергией) и в то же время оно влияет на материю, создавшую искривление. Поэтому уравнения поля тяготения должны содержать в себе и уравнения движения масс в этом поле.

Итак, с точки зрения ОТО пространство нашего мира не обладает постоянной нулевой кривизной. Кривизна его меняется от точки к точке и определяется полем тяготения. И время в разных точках течет по разному. Поле тяготения является не чем иным, как отклонением свойств реального пространства от свойств идеального (евклидова) пространства. Поле тяготения в каждой точке определяется значением кривизны пространства в этой точке. При этом искривление пространства времени определяется не только полной массой вещества, из которого слагается тело, но и всеми видами энергии, присутствующими в нем, в том числе энергии всех физических полей. Таким образом, важнейшее отличие ОТО от других физических теорий состоит в том, что она описывает тяготение как воздействие материи на свойства пространства времени, эти свойства пространства времени, со своей стороны, влияют на движение тел, на физические процессы в них.

Астрофизика. Релятивистская космология Современная космология начала складываться в 20 е гг. XX в. на основе созданной Эйнштейном общей теории относительности. Из этой теории следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, релятивистская. Еще в 1922 г. советский математик и геофизик А. А. Фридман нашел решение уравнений общей теории относительности для замкнутой расширяющейся Вселенной. Он установил, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. Именно Фридман, опубликовавший свою работу в 1922 г. , впервые сделал из общей теории относительности космологические выводы, имеющие поистине революционное значение: он заложил основы нестационарной релятивистской космологии.

Существует два различных типа моделей Фридмана. • Если средняя плотность материи во Вселенной меньше некоторой критической величины или равна ей, то тогда Вселенная должна быть пространственно бесконечной. В этом случае современное расширение Вселенной будет продолжаться всегда. • В то же время, если плотность материи во Вселенной больше той лее критической величины, тогда гравитационное поле, порожденное материей, искривляет Вселенную, замыкая ее на себя. Вселенная в этом случае конечна, хотя и не ограничена, вроде поверхности сферы. Гравитационные поля достаточно сильны для того, чтобы в конце концов остановить расши рение Вселенной, так что рано или поздно она начнет снова сжиматься к состоянию бесконечно большой плотности.

Квантовая физика Формулировка гипотезы квантов энергии была началом новой эры в развитии теоретической физики. С большим успехом эту гипотезу начали применять для объяснения других явлений, которые не поддавались описанию на основе представлений классической физики. Существенно новым шагом в развитии квантовой гипотезы было введение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В целом ряде исследований были получены подтверждения истинности этой идеи. В 1909 г. Эйнштейн, продолжая исследования законов излучения, показывает, что свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно, что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя объяснить с позиций классической физики. Требовались новые понятия, новые представления и новый научный язык, для того чтобы физики могли осмыслить эти необычные явления. Все это появилось позже — вместе с созданием квантовой механики.

Атомная физика Представления об атомах и их строении за последние сто лет изменились радикально. В конце XIX века ученые считали, что: 1) химические атомы каждого элемента неизменны, и существуют столько сортов атомов, сколько известно химических элементов (в то время — примерно 70); 2) атомы данного элемента одинаковы; 3) атомы имеют вес, причем различие атомов основано на различии их веса; 4) взаимный переход атомов данного элемента в атомы другого элемента невозможен.

В конце XIX — начале XX вв. в физике были сделаны выдающиеся открытия, разрушившие прежние представления о строении материи. Открытие электрона (1897 г. ), затем протона, фотона и нейтрона показали, что атом имеет сложную структуру. Исследование строения атома становит ся важнейшей задачей физики XX в.

В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление — взаимодействие. Различают четыре вида взаимодействия. Ø Сильное взаимодействие (короткодействующее, радиус действия около (10 13 см) связывает между собой нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре; именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить. Ø Электромагнитное взаимодействие (дальнодействующее, радиус действия не ограничен) определяет взаимодействие между электронами и ядрами атомов или молекул; взаимодействующие частицы имеют электрические заряды; проявляется в химических связях, силах упругости, трения. Ø Слабое взаимодействие (короткодействующее, радиус действия меньше 10 15 см), в котором участвуют все элементарные частицы, обусловливает взаимодействие нейтрино с веществом. Ø Гравитационное взаимодействие самое слабое, не учитывается в теории элементарных частиц; распространяется на все виды материи; имеет решающее значение, когда речь идет об очень больших массах.

Основные положения современной атомистики могут быть сформулированы следующим образом: 1. Атом является сложной материальной структурой, представляет собой мельчайшую частицу химического элемента. 2. У каждого элемента существуют разновидности атомов (содержащиеся в природных объектах или искусственно синтезированы). 3. Атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого; эти процессы осуществляются либо самопроизвольно (естественные радиоактивные превращения), либо искусственным путем (посредством различных ядерных реакций). Таким образом, физика XX в. давала все более глубокое обоснование идеи развития.

ОСОБЕННОСТИ АСТРОНОМИИ XX в. В XX в. в астрономии произошли поистине радикальные изменения. Прежде всего значительно расширился и обогатился теоретический фундамент астрономических наук. Начиная с 1920— 1930 -х гг. в качестве теоретической основы астрономического познания стали выступать (наряду с классической механикой) релятивистская и квантовая механика, что существенно раздвинуло «теоретический горизонт» астрономических исследований. Кроме того, радикально изменился эмпирический базис астрономии — она стала всеволновой. Во второй половине XX в. астрономия вступила в период научной революции, которая изменила способ астрономического познания — на смену классическому пришел «неклассический» способ астрономического познания. Свидетельством этого является радикальная смена методологических установок астрономического познания и астрономической картины мира. В основании новой астрономической картины мира — образ нестационарной, динамической, развивающейся Вселенной.

Краткий обзор современной астрономической картины мира показывает, что астрономия в XX в. кардинально преобразовала старые классические представления о Вселенной, ее структуре и эволюции, пережила глубокую научную революцию, которая изменила способ астрономического познания. На смену классического пришел «неклассический» способ астрономического познания. Свидетельством этого является радикальная смена методологических установок астрономического познания. + Основа астрономического познания — признание объективного существования предмета астрономической науки (космических тел, их систем и Вселенной в целом) и их принципиальной познаваемости научно-рациональными средствами (причем не только структурного, но и исторического аспекта Вселенной). Следовательно, можно говорить о полной победе материалистического принципа познаваемости природы, истории Вселенной в системе методологии астрономии XX в.

+ Эмпирическая основа современной астрономии — наблюдение во всеволновом диапазоне. Теоретические исследования и экспериментальные попытки регистрации гравитационных волн открывают перспективы развития гравитационной астрономии. Сведения о космосе несут космические лучи и нейтрино. Важная особенность наблюдений во внеоптических диапазонах состоит в том, что они дают информацию, как правило, о нестационарных процессах во Вселенной. + Теоретическая основа современной астрономии — не только классическая механика, но и релятивистская и квантовая механика, квантовая теория поля. Классическая механика не потеряла своего значения для астрономического познания (прежде всего, для объяснения процессов, происходящих в Солнечной системе). Как и прежде, все расчеты движений тел планетной системы и искусственных спутников Земли, Луны и планет, космических аппаратов, созданных человеком, осуществляются (в силу слабости релятивистских и квантовых эффектов для этих систем) на базе ньютоновской механики.

Современная астрономия теоретически и эмпирически обосновывает идею нестационарности Вселенной: мир астрономических объектов находится в состоянии постоянного качественного изменения, развития. Идея развития пронизывает всю современную астрономию. Эта идея носит не умозрительный характер, а воплощается в конкретных астрофизических и космологических моделях.

Общая идея о нестационарности Вселенной (пространственной и структурной) конкретизируется в следующих методологических установках: во первых, развитие космических тел рассматривается диалектически — со взрывами, скачками, перерывами постепенности; при этом учитывается многообразие путей развития, включая моменты нисходящего, регрессивного движения; во вторых, в качестве факторов, определяющих процесс развития космических тел, рассматриваются все четыре известных сейчас фундаментальных взаимодействия; прибегать ко всем четырем приходится в моделировании начальных стадий эволюции Вселенной, вблизи сингулярности; в масштабах Метагалактики решающая роль принадлежит силе тяготения; в третьих, признается необходимость доведения теоретического описания астрономического объекта и его эволюции до выделения его индивидуальных черт, поскольку астрономические объекты даже одного типа (например, звезды или даже звезды определенного класса) имеют заметные индивидуальные различия (масса, светимость, химический состав, температура и др. ).

Такая смена методологических установок позволяет сделать вывод о том, что в XX в. в астрономии произошла научная революция, которая привела к изменению способов астрономического познания и астрономической картины мира.

ü XX в. явился продолжением не менее интенсивного прогресса в биологии. В 1900 г. голландским ученым биологом X. де Фризом (1848 1935), немецким ученым ботаником К. Э. Корренсом (1864 1933) и австрийским ученым Э. Чермак Зейзенеггом (1871 1962) независимо друг от друга и почти одновременно вторично были открыты и стали всеобщим достоянием законы наследственности, установленные Менделем. ü Было принято понятие «ген» , введенное известным датским биологом Вильгельмом Иогансоном (1857 1927) в 1909 г. и означающее единицу наследственного материала, ответственного за передачу по наследству определенного признака. ü Утвердилось понятие хромосомы как структурного ядра клетки, содержащего дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК)

Хуго де Фриз Грегор Иоганн Мендель — австрийский биолог и ботаник, сыгравший огромную роль в развитии представления о наследственности. Открытие им закономерностей наследования моногенных признаков стало первым шагом на пути к современной генетике.

Развитию генетики способствовали в большой мере исследования известного американского биолога, одного из основоположников этой науки, Томаса Ханта Моргана (1866 — 1945). Он сформулировал хромосомную теорию наследственности. Большинство растительных и животных организмов являются диплоидными, т. е. их клетки (за исключением по ловых) имеют наборы парных хромосом, однотипных хромосом от женского и мужского организмов. Хромосомная теория наследственности сделала более понятными явления расщепления в наследовании признаков.

Советский ученый микробиолог Георгий Адамович Надсон (1867— 1940) вместе со своими коллегами и учениками установил в 1925 году воздействие радиоизлучения на наследственную изменчивость у грибов. Известный американский генетик Герман Джозеф Меллер (1890— 1967), работавший в течение 1933— 1937 гг. в СССР, обнаружил в 1927 г. в опытах с дрозофилами сильное мутагенное действие рентгеновских лучей. В дальнейшем было установлено, что не только рентгеновское, но и любое ионизированное облучение вызывает мутации. Герман Джозеф Меллер

Выводы Научные исследования физических, химических, биологических явлений, проводившиеся в XX в. , существенно расширили, углубили прежние представления о структуре и свойствах материи. Если на рубеже XIX и XX вв. была известна лишь одна элементарная частица — электрон, то на рубеже XX и XXI вв. количество известных элементарных частиц исчисляется сотнями. Во второй половине XX в. было выяснено, что элементарные частицы, образующие ядра атомов, сами обладают внутренней структурой и состоят из «еще более элементарных» частиц — кварков. Наряду с успехами в исследовании микромира современная наука имеет значительные достижения и в познании мегамира. В XVIII— XIX вв. и даже в первой половине XX в. господствовала теория стационарной Вселенной, которая представлялась статичной, не изменяющейся в пространстве. Такое понимание во второй половине XX в. было отброшено и заменено теорией расширяющейся Вселенной.

Существенно расширились в XX столетии представления и о структурных уровнях органической природы, которые включают молекулярный уровень жизни, клеточный уровень (микроорганизмов, тканей и органов), уровни целого живого организма, сообществ организмов, биологических видов, биогеоценозов (совокупности видов различных организмов в единстве с природными условиями их существования) и, нако нец, биосферы в целом, т. е. области распространения жизни на Земле. Прогресс в биологии еще в первой половине XX в. привел к введению понятий гена (как единицы наследственного материала, ответственного за передачу по наследству определенного признака) и хромосомы (как структурного ядра клетки, обозначаемого ДНК и являющегося высокомолекулярным соединением — носителем наследственных признаков). Расшифровка молекулы ДНК в середине XX в. послужила началом интенсивных исследований в области молекулярной биологии, которые к концу XX в. вплотную подвели к расшифровке генома человека.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!!!