Принципы лежищие в основе естествознания

1.      Принципы, лежащие в основе естествознания

Цель естествознания  - описать, систематизировать и объяснить совокупность природных явлений и процессов.

Принципы – наиболее общие и важные понятия теории, характеризующие существенные свойства объекта теории и ее предмета.

Основной принцип естествознания гласит: знания о природе должны допускать эмпирическую проверку. Задача ученого – обобщить эти факты и создать теоретическую модель, включающую законы, управляющие явлениями природы.

Общая динамика и закономерность, характеризующая в целом процесс исторического развития естествознания, подчиняется важному методологическому принципу, называемому принципом соответствия. Принцип соответствия утверждает, во-первых, что каждая естественнонаучная теория является относительной истиной, содержащей элемент абсолютной истины. Во-вторых, он утверждает, что смена естественнонаучных теорий – не последовательность разрушений разных теорий, а логический процесс развития естествознания, движения разума через последовательность относительных истин к абсолютной. В-третьих, принцип соответствия утверждает, что как новые, так и старые теории образуют единое целое. Таким образом, развитие естествознания представляется как процесс последовательного обобщения, когда новое отрицает старое, но не просто отрицает, а с удержанием всего того положительного, что было накоплено в старом.

Три основные принципа научного познания действительности:

1. Причинность. Первое и достаточно емкое определение причинности содержится в высказывании Демокрита: «Ни одна вещь не возникает беспричинно, но   все возникает на каком-нибудь основании и в силу необходимости» – это означает связь между отдельными состояниями видов и форм материи в процессе ее движения и развития.

2.                  Критерий истинности. Естественнонаучная истина проверяется (доказывается) только практикой: наблюдением, опытом, экспериментами, производственной деятельностью. Естественнонаучные теории проверяются экспериментами, связанными  с наблюдениями, измерениями и математическими обработками результатов.

«Наука началась, тогда, когда люди научились мерить; точная наука не мыслима без меры» Д. И. Менделеев (1834-1907 гг.).  

3.                  Относительность научного знания. Научное знание (идеи, концепции, модели, теории, выводы и т.д.) всегда относительно и ограничено. Задачи ученого – установить границы соответствия знания действительности – интервал адекватности. Например: классическая механика – механика Галилея-Ньютона – описывает движение микроскопических тел, скорости которых малы по сравнению  со скоростью света в вакууме. Признак относительности из подтверждения экспериментом, в большинстве случаев, основанном на измерениях, а измерений абсолютно точных не бывает, и в этой связи задача ученого указать интервал точности.

При совершенствовании процедуры измерений и модернизации измерительных приборов повышается точность измерений, результаты  эксперимента приближаются к абсолютной истине. Но подтверждение экспериментом научной теории не означает абсолютной истины: научные теории развиваются, обогащаются, уточняются, некоторые их положения заменяются новыми, и сама практика и способы сопоставления через практику постоянно развиваются и совершенствуются.

2. Основные принципы и законы в химии

Химия – это наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения.             

Изучая состав различных веществ, французский ученый Ж.Пруст пришел к выводу, что массовые соотношения между элементами в сложных веществах всегда постоянны независимо от способов их получения. Это значит, что атомы химических элементов вступают в соединения друг с другом только в определенных количественных соотношениях. Например, поваренная соль (NaCl) может быть получена различными способами, но она всегда состоит из натрия и хлора, при этом массовое соотношение этих элементов будет всегда постоянное: 23 : 35,5. На основании экспериментов был сформулирован закон постоянства состава (Ж.Пруст, 1799):

              Всякое чистое вещество независимо от способа его получения всегда имеет постоянный качественный и количественный состав.

              Зная формулу вещества, атомные массы элементов, можно проводить различные вычисления по химическим формулам.

              Основываясь на количественном методе изучения химических реакций, М.В. Ломоносов в 1748 г. открыл закон сохранения веса веществ. Но так как каждое вещество имеет массу, то теперь говорят о сохранении при химических реакциях массы веществ, и закон формулируется следующим образом:

              Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

              При химических реакциях изменяются вещества, т.е. одни молекулы превращаются в другие, но число атомов и их общая масса не изменяются. Правильно составленное уравнение реакции имеет большое практическое значение. По уравнению реакции можно рассчитать, сколько надо взять исходного вещества для получения строго определенного количества необходимого продукта, или узнать, сколько получится нового продукта из данного количества вещества.

              Кроме вышеперечисленных, современная химическая наука опирается на ряд основных химических законов:

-         закон сохранения энергии (при любых взаимодействиях, имеющих место в изолированной системе, энергия этой системы остается постоянной и возможны лишь переходы из одного вида энергии в другой);

-         закон кратных отношений (если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящихся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа);

-         закон объемных отношений (при одинаковых условиях объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов реакции как небольшие числа);

-         закон Авогадро (в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул)

3.      Земные оболочки: литосфера, криосфера

Литосфера. Литосферой (от греч. lithos — камень) называется верхняя оболочка Земли выше астеносферы. Она включает земную кору и верхнюю часть мантии, содержащую менее плотные веще­ства, чем нижняя ее часть. Толщина литосферы равняется 30—70 км. Существует точка зрения, согласно которой общая толщина литосферы составляет 50-200 км. В верхней своей части она слага­ется гранитами, в нижней — базальтовыми породами.

Важнейшей особенностью литосферы является концепция литосферных плит. Литосферные плиты — это крупнейшие (несколько тысяч километров в поперечнике) жесткие блоки литосферы. На Земном шаре выделяются 8-9 больших плит и более 10 плит по­мельче. Литосферные плиты находятся в постоянном медленном движении по слою астеносферы (гипотеза о перемещении лито-сферных плит). Границы литосферных плит соответствуют зонам нестабильности на земной поверхности. Так, например, тихооке­анская плита отмечена огненным кольцом вулканов, где находит­ся половина всех вулканов, расположенных на Земном шаре.

Криосфера, почва, геомагнетизм. Криосфера (от греч. kryos — мороз, холод, лед) — оболочка Земли, характеризуемая отрица­тельной (нулевой) температурой, при которой вода, содержащая- ся в этой оболочке в парообразном, свободном или связанном с  другими компонентами (физическом или химическом) видах, может существовать в твердой фазе (снег, лед, иней и т.д.). Крио­сфера включает также твердые толщи горных пород и относитель­но сухие воздушные массы с отрицательной температурой, в ко­торых естественными или искусственными путями могут созда­ваться условия для конденсации воды. В космосе оболочки, подобные криосфере, имеют огромное распространение.

Криосферу изучают самые разные науки (геокриология, гля­циология и др.). Геокриология (мерзлотоведение) является ярким примером ориентации современных наук на проблемы. В этой на­уке проблему составляют многолетнемерзлые грунты, которые исследуются с самых разных сторон методами физики, химии, гео­графии, климатологии и смежных с ними наук. Геокриология тес­но взаимодействует со строительными науками, горным делом.

Проблема заключается в том, что огромные площади Азии, Европы, Северной Америки, Антарктиды содержат в себе много­летнемерзлые грунты (мерзлоту). Толщина этих грунтов достигает 500—1000 м. Многолетнемерзлые грунты покрывают приблизительно половину территорий России и Канады, а также значительные части территорий Монголии, Китая, Норвегии, Швеции, Гренландии,

США (Аляски), Тибета. В Антарктиде толщина «вечной мерзлоты» достигает 4 км. Иногда мерзлота бывает не сплошной, а состоит из так называемых перелетков, т.е. участков, где мерзлота бывает не каждый год. Общая площадь многолетнемерзлых грунтов составля­ет 35 млн км2. Имеются гипотезы, что другие планеты Солнечной системы также содержат мерзлоту. Предполагается, что ею сплошь покрыт Марс. Хотя следует заметить, что эти вопросы до конца не исследованы.

Наличие многолетнемерзлых грунтов есть следствие того, что среднегодовые температуры в регионах их залегания имеют отри­цательные значения. Например, в Якутске среднегодовая темпера­тура равняется —8°С и, как следствие ее поддержания на этом уровне в течение многих веков, толщина многолетнемерзлых грунтов под городом весьма значительна (равняется 300 м). Считается, что воз­раст многолетнемерзлых грунтов составляет 1,8—2,4 млн.  лет.

В верхней части многолетнемерзлых грунтов выделяют два наи­более важных слоя. Первый — толщиной 0,5—4 м, а в среднем 2,5 м от поверхности — деятельный слой, оттаивающий в течение лет­него периода. В густом лесу, под мхом, это может быть 0,5 м, а на открытом со всех сторон бугре — до 4 м. Например, под полог леса тепла проникает в 2,5 раза меньше, чем на открытом пространстве. Второй слой имеет толщину 15—18 м от поверхности. Его нижняя граница называется зоной «годовых нулевых амплитуд».

Если на глубине, соответствующей зоне нулевых годовых ампли­туд (15—18 м), строить какие-либо инженерные сооружения, то в них в течение круглого года нужно поддерживать устойчивые отри­цательные температуры (от —5 до — ТС). Эти инженерные сооруже­ния могут быть складами для хранения отдельных продуктов, но не мяса и рыбы, которые требуют для своего хранения — 18°С. При та­ких температурах (от —5 до —7°С) можно в течение очень длительно­го времени хранить семена многих злаков, круглогодично эксплуа­тировать подземный ледовый каток, где летом и зимой, независимо от температуры воздуха на поверхности, будет оптимальная для ка­тания на коньках температура. Но эксплуатация подобных сооруже­ний требует большой аккуратности: должны быть обеспечены двой­ные-тройные двери, шлюзование и всесторонние исследования ок­ружающих грунтов (их температуры, механических, влажностных и других характеристик). Подземные лаборатории, используемые для научной работы, располагаются на глубине, соответствующей зоне годовых нулевых амплитуд. В Якутске, Фэрбенксе (Аляска) есть не­сколько подземных лабораторий, расположенных на этих глубинах.

Общий объем подземного льда составляет, согласно оценоч­ным подсчетам П. А. Шумского, 0,5 млн. км3, т.е. 2% общего объема льда на Земном шаре. Следует отметить, что вода, замерзающая в трещинах горных пород, действует, как клин, разрывающий по­роду с силой до 140 кг/см2.

В почвоведении центральное понятие «почва» отражает состоя­ние системы, стремящейся к равновесному взаимодействию с ок­ружающей средой. Определяя это понятие, В. В. Докучаев сделал акцент на результате совокупной деятельности ряда факторов, объединив их в пять групп: климат местности, материнские гор­ные породы, растительные и животные организмы, рельеф и воз­раст страны. Здесь можно говорить о попытке представить основ­ные понятия в виде результата уравновешивания различных фак­торов, которые не являются энергетическими взаимодействиями рассматриваемой природной системы с окружающей средой, но могут быть связаны с подобными взаимодействиями.

Докучаев писал: «Изучались главным образом отдельные тела — минералы, горные породы, растения и животные — и явления, отдельные стихии — огонь (вулканизм), вода, земля, воздух, ...но не их соотношения, не та генетическая, вековечная и всегда закономер­ная связь, какая существует между силами, телами и явлениями, между мертвой и живой природой, между растительными, животными и минеральными веществами, с одной стороны, человеком, его бытом и даже духовным миром — с другой. А между тем именно эти соотношения, эти закономерные взаимодействия и составляют сущность познания естества, ядро истинной натурфилософии — лучшую и высшую прелесть естествознания».

Почвой (по Докучаеву) являются «дневные», или наружные, горизонты горных пород (все равно каких), естественно изменен­ные совместным влиянием воды, воздуха и различного рода орга­низмов, включая их остатки. Количество микроорганизмов в 1 г некоторых почв исчисляется миллиардами. Почва отражает (запи­сывает) пространственно-временную структуру ландшафта. Инфор­мация записывается избирательно в сложном комплексе почвен­ных свойств и частных почвенных профилей.

Магнитные явления, наблюдаемые на земной поверхности, в атмосфере и космосе, дают основание считать Землю огромным магнитом с двумя четко выраженными магнитными полюсами. Северный магнитный полюс находится в Северной Америке на полуострове Ботия (70° 5 '3" северной широты и 96° 45 '3" западной долготы). Южный магнитный полюс находится в Антарктиде на станции Восток (75°6' южной широты и 154°8' восточной долго­ты). Линии магнитных сил образуют магнитные меридианы, кото­рые не совпадают с географическими. В действии магнитных сил встречаются аномалии, которые иногда имеют распространение