В. Ф. Тулинов, К. В. Тулинов
КОНЦЕПЦИИ
СОВРЕМЕННОГО
ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Учебник
3-е издание
Рекомендовано
Учебно-методическим центром
«Профессиональный учебник»
в качестве учебника для студентов
высших учебных заведений
Москва
Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°»
2018
Стр.1
УДК 001
ББК 72
Т82
Лауреат конкурса Фонда развития отечественного образования
на лучшую научную книгу среди преподавателей
высших учебных заведений
Рецензенты:
В. П. Волков — доктор физико-математических наук, профессор;
Ю. К. Овчинников — доктор химических наук, профессор.
Тулинов В. Ф.
Т82
Концепции современного естествознания: Учебник
/ В. Ф. Тулинов, К. В. Тулинов. — 3-е изд. — М.: Издательскоторговая
корпорация «Дашков и К°», 2018. —
484 с.
ISBN 978-5-394-01999-9
Учебник подготовлен в соответствии с требованиями Федерального
государственного образовательного стандарта высшего
образования по дисциплине «Концепции современного естествознания».
Представлена
широкая панорама естественно-научных
концепций в их историческом развитии, имеющих важное мировоззренческое
и методическое значение.
Освещены различные процессы и явления в живой и неживой
природе, принципы эволюции, воспроизводства и развития
живых систем.
Для студентов бакалавриата, преподавателей высших
учебных заведений, а также всех интересующихся проблемами
современного естествознания.
УДК 001
ББК 72
ISBN 978-5-394-01999-9 © Тулинов В. Ф., Тулинов К. В., 2009
© ООО «ИТК «Дашков и К°», 2009
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Глава I. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ
КУЛЬТУРЫ. НАУЧНЫЙ МЕТОД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1. Естественно-научная и гуманитарная культуры . . . . . . . . . . . . 14
1.2. Научный метод. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.1. Уровни научного познания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.2. Методология научного исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Глава 2. ИСТОРИЯ, ПАНОРАМА И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1. История развития естествознания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.1. Краткая история физики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.2. Античный и средневековый период . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.3. Классическая физика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1.4. Физика ХХ в. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.1.5. Краткая история химии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.1.6. Краткая история биологии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.2. Панорама современного естествознания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.2.1. Физика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.2.2. Химия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.2.3. Биология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2.3. Тенденции развития естествознания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
2.3.1. Физика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
2.3.2. Химия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
2.3.3. Биология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
2.3.4. Единство естественных наук . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Глава 3. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ
ПРИРОДЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.1. Корпускулярная и континуальная концепции
описания природы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.2. Порядок и беспорядок в природе, хаос . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3
Стр.3
3.3. Структурные уровни организации материи: микро-,
макро- и мегамиры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.3.1. Микромир . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.3.2. Ядерная физика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.3.3. Элементарные частицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
3.3.4. Макромир . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
3.3.5. Мегамиры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
3.4. Пространство и время . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
3.4.1. Общие понятия о пространстве и времени. . . . . . . . . . . . 206
3.4.2. Греческая натурфилософия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
3.4.3. Пространство и время в классической физике . . . . . . . 209
3.4.4. Пространство, время в специальной теории
относительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
3.4.5. Пространство, время в общей теории
относительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
3.4.6. Пространство и время в физике микромира . . . . . . . . . 212
3.5. Принципы относительности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
3.5.1. Принцип относительности в классической
механике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
3.5.2. Принцип относительности в специальной теории
относительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
3.5.3. Принципы относительности в общей теории
относительности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
3.6. Принципы симметрии и законы сохранения . . . . . . . . . . . . . . . . 221
3.7. Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие . . . . . . . . 237
3.8. Состояние, принципы суперпозиции, неопределенности,
дополнительности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
3.8.1. Состояние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
3.8.2. Принцип неопределенности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
3.8.3. Принцип дополнительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
3.8.4. Принцип суперпозиции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
3.9. Динамические и статистические закономерности
в природе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
3.10. Законы сохранения энергии в макроскопических
процессах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
3.11. Закон возрастания энтропии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
Глава 4. ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ
ПРИРОДЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
4
Стр.4
4.1. Химические системы, энергетика химических процессов,
реакционная способность веществ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
4.1.1. Энергетика химических процессов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
4.1.2. Реакционная способность веществ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
4.2. Химическое равновесие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
Глава 5. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ
ПРИРОДЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
5.1. Внутреннее строение и история геологического
строения Земли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
5.2. Современные концепции развития геосферных
оболочек . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
5.3. Литосфера как биотическая основа жизни. . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
5.4. Экологические функции литосферы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.5. Ресурсная, геодинамическая, геофизико-геохимическая,
географическая оболочки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
Глава 6. БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ
ПРИРОДЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
6.1. Особенности биологического уровня организации
материи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
6.1.1. Свойства живых систем. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.1.2. Структура и функции биосферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
6.1.3. Живые организмы (живое вещество) . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
6.1.4. Биотический круговорот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
6.2. Принципы эволюции, воспроизводства и развития
живых систем.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
6.2.1. Генетические теории . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
6.2.2. Условия, необходимые для возникновения жизни . . . 328
6.2.3. Организм и среда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
6.2.4. Эволюция растительного мира . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
6.2.5. Эволюция животного мира . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
6.2.6. Эволюция биосферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
6.3. Многообразие живых организмов — основа
организации и устойчивости биосферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
6.4. Генетика и эволюция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
6.4.1. Генетика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
6.4.2. Генетический код . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
6.4.3. Мутации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
6.4.4. Генная инженерия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
6.4.5. Эволюция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
5
Стр.5
Глава 7. ЧЕЛОВЕК: ПРОИСХОЖДЕНИЕ, ФИЗИОЛОГИЯ,
ЗДОРОВЬЕ, БИОЭТИКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
7.1. Физиология, здоровье, эмоции, творчество,
работоспособность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
7.2. Биоэтика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
7.3. Биосфера и космос . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
7.4. Ноосфера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
7.5. Экология и здоровье . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
Глава 8. ПРОБЛЕМЫ САМООРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ
И УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЭВОЛЮЦИОНИЗМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
8.1. Необратимость времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
8.2. Самоорганизация в живой и неживой природе . . . . . . . . . . . . . 452
8.2.1. Пространственные диссипативные структуры. . . . . . . 454
8.2.2. Временные диссипативные структуры . . . . . . . . . . . . . . . 455
8.2.3. Химическая основа морфогенеза. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
8.2.4. Самоорганизация в живой природе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
8.2.5. Самоорганизация в неравновесных системах . . . . . . . . 460
8.3. Принципы универсального эволюционизма. . . . . . . . . . . . . . . . . 466
8.3.1. Микромир. Формирование элементного состава
вещества материи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
8.3.2. Микромир. Химическая эволюция
на молекулярном уровне . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
8.3.3. Макромир. Эволюция живой материи. . . . . . . . . . . . . . . . . 472
8.3.4. Самоорганизация и развитие неживой материи . . . . . 473
8.3.5. Мегамиры. Идея развития Вселенной . . . . . . . . . . . . . . . . 474
8.4. Концепции эволюционного естествознания . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
ЛИТЕРАТУРА. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
6
Стр.6