11055 (Концепция современного естествознания), страница 3

Клод Шеннон и Уоррен Уивер в своем фундаментальном труде "Математическая теория связи" (1949 г) развили идею Хартли и представили формулу вычисления количества информации, в которой последняя возрастала с уменьшением вероятности отдельного сообщения. Так информация была ими определена как мера свободы чьего-либо выбора, как логарифм доступных выборов.

В 40-х годах Шеннон, исследуя пропускную способность каналов связи, вывел простую формулу, по которой можно рассчитать количество информации, отвлекаясь от ее качественных характеристик. Количество информации стали понимать как меру упорядоченности структур в противовес мере хаоса - энтропии.

Эта формула была функционально эквивалентна формуле, написанной Планком для термодинамической энтропии. Ряд ученых предполагали огромные возможности, открывающиеся из-за этого совпадения. Другие были осторожными в своих оценках. Эшби, например, заметил: "Движение в этих областях напоминает движение в джунглях, полных ловушек".

6. Что такое - фазовое равновесие, перегретая жидкость? Опишите физическую картину процесса кипения. Как зависит точка кипения от внешнего давления? Какое значение в природе имеют процессы сублимации и десублимации? Приведите примеры.

Нальем в сосуд водопроводной воды и поместим над горелкой. Вскоре на дне и стенках сосуда мы заметим многочисленные пузырьки. Они содержат водяной пар и воздух, который всегда растворен в воде за счет явления диффузии.

Рассмотрим пузырек, возникающий около горячего дна. Увеличиваясь в объеме, пузырек увеличивает площадь своего соприкосновения с еще недостаточно прогревшейся водой. В результате воздух и пар внутри пузырька охлаждаются, их давление уменьшается, и тяжесть слоя воды "захлопывает" пузырек. В этот момент закипающая вода издает характерный шум. Он возникает из-за ударов воды о дно сосуда там, где захлопываются пузырьки. Постепенно вода прогревается, и давление пара внутри пузырьков уже не уменьшается. Пузырьки перестают схлопываться и начинают расти. С этого момента шум становится тише. По мере увеличения объема пузырьков возрастает архимедова сила, и они начинают всплывать.

Итак, кипением называется интенсивное (бурное) парообразование, происходящее по всему объему жидкости внутрь возникающих и всплывающих на поверхность многочисленных пузырей пара.

Опыты показывают, что во время кипения температура жидкости и пара над ее поверхностью одинакова и остается постоянной до полного выкипания жидкости. Поэтому температура кипения - одна из характеристик вещества.

По мере кипения масса жидкости уменьшается (говорят, что она "выкипает"). Пар, покидающий сосуд, уносит с собой часть внутренней энергии. Поэтому для поддержания кипения жидкости необходимо постоянно передавать ей теплоту. Измерив массу выкипевшей жидкости, легко подсчитать количество теплоты, затраченное на образование пара. Для этого служит формула Q=rm, изучение которой предусмотрено на факультативных занятиях.

Кипение не при атмосферном давлении. Оказывается, что слова "кипяток" и "горячий" - не синонимы, то есть имеют разный смысл. Чтобы уяснить эту разницу, рассмотрим опыт. Возьмем колбу и вскипятим в ней воду. Немного подождем, чтобы вода чуть-чуть остыла, а затем закроем колбу пробкой с трубкой, присоединенной к насосу. Откачав из колбы воздух, мы заставим воду кипеть вновь!

Итак, опытным путем мы установили, что при уменьшении давления жидкость начинает кипеть при меньшей температуре. Будет верным и обратное утверждение: увеличение давления на поверхность жидкости приведет к возрастанию температуры ее кипения. Объясним этот факт.

Рассмотрим давление, воздействующее на зарождающийся пузырек пара. Оно складывается из гидростатического давления слоя жидкости (pж=rgh) и внешнего давления (pатм = 101,3 кПа), которое передается пузырьку через слой жидкости согласно закону Паскаля. Если какое-либо из этих давлений вдруг уменьшится, то давление пара внутри пузырька сможет расширять его даже при меньшей температуре, что мы и наблюдали на опыте. И наоборот: увеличение давления на зарождающийся пузырек (например, по причине толстого слоя налитой воды) приведет к необходимости прогрева жидкости до более высокой температуры. Только в этом случае давление пара сможет расширять пузырьки, заставляя воду кипеть.

Сублимация - это переход состояние через фазу - т.е. из твердого в газообразное. Десублимация - переход агрегатного состояния через фазу в обратном направлении - из газообразного в твердое. Переход вещества из твердого состояние непосредственно в газообразное можно наблюдать, например, в оболочках кометных хвостов. Когда комета находится далеко от Солнца, почти вся ее масса сосредоточена в ядре. Ядро окружено небольшой оболочкой газа. При сближении кометы с Солнцем ядро и оболочка кометы начинают нагреваться, вероятность сублимации растет, а десублимации - уменьшается.

7. Поясните смысл понятия "фотон". Какие явления, и каким образом были объяснены с помощью квантовой теории света?

В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц, которая обладает следующими свойствами :

Фотон является электрически нейтральной частицей, т.е. его заряд равен нулю (q = 0).

Во всех системах отсчета скорость фотона равна скорости света в вакууме (м = с).

Энергия фотона пропорциональна частоте электромагнитного излучения, квантом которого он является (Е = hv).

Импульс фотона равен отношению его энергии к скорости и обратно пропорционален длине волны

Рассмотрение электромагнитного поля даже в рамках классической теории позволяет приписать ему "традиционные" для частиц характеристики: энергию и импульс. Квантованный характер обмена энергией между веществом и полем и открытые законы фотоэффекта делали весьма соблазнительной идею рассмотрения поля как совокупности частиц фотонов, рождающихся и гибнущих при излучении и поглощении света соответственно. Поскольку скорость распространения электромагнитного поля в вакууме совпадает с предельным значением с, фотон является ультрарелятивистской частицей с равной нулю массой покоя: в противном случае импульс фотона был бы бесконечно большим, и процедура загорания на пляже не доставляла бы нам ни малейшего удовольствия:

Наличие импульса у фотона позволило изящно и количественно правильно описать явление светового давления как простое следствие закона сохранения импульса при поглощении света веществом.

Концепция фотонов привела к большим трудностям при интерпретации экспериментов по интерференции и дифракции, доказывающих волновую природу света.

В 1900 г. Планк выдвинул гипотезу о квантованности излучаемой энергии. Порция излучаемой энергии равна

? = h·?, где h - постоянная Планка, ?? - частота электромагнитного излучения.

Идея квантования является одной из величайших физических идей. Оказалось, что многие величины считавшиеся непрерывными, имеют дискретный ряд значений. На базе этой идеи возникла квантовая механика, описывающая законы поведения микрочастиц.

Гипотеза Планка получила дальнейшее развитие в работах Эйнштейна. Электромагнитная волна не только излучается, но и поглощается и распространяется в виде потока квантов. Итак, электромагнитное излучение (в том числе и свет) представляет собой поток фотонов.

Фотон - мельчайшая частица электромагнитного излучения, имеющая энергию в один квант.

Световые частицы (фотоны) одновременно обладают и волновыми и корпускулярными свойствами. Фотоны, как любые частицы, имеют массу. Из закона взаимосвязи массы и энергии следует, что энергию фотона можно выразить как ??m·c2. Из формул 1 и 2 получим, что масса фотона равна m = h·??c2.

Масса определяемая соотношением 3, является массой движущегося фотона. Фотон не имеет массы покоя (m0 = 0), так как он не может существовать в состоянии покоя. Все фотоны движутся со скоростью с = 3·108 м/с. Очевидно импульс фотона P = m·c, откуда следует, что P = h·??c = h/?.

Наличие импульса у фотона экспериментально подтверждается открытием давления света. В таблице приведены волновые и корпускулярные характеристики фотона, и их взаимосвязь.

Величины, описывающие волновые свойства Величины, описывающие квантовые свойства Формулы, объединяющие два класса величин

Частота - ? Масса фотона - m m = h·??c2

Период - T Скорость фотона - c

Длина волны - ? Импульс фотона - p = m·c p = h·??c =h/?

V = ?·? Энергия E = m·c2 E = h·?

8. Сопоставьте понятия "популяция" и "вид". Докажите, что популяция является единицей эволюции. Почему разные популяции одного вида отличаются по частоте генов?

Популяция - структурная единица вида. Популяция - совокупность особей одного вида, занимающих определенный ареал, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, генетическую основу и в той или иной степени изолированных от других популяций данного вида.

Важный признак вида - расселение его группами, популяциями в пределах ареала. Популяция - совокупность свободно скрещивающихся особей вида, которые длительное время существуют относительно обособленно от других популяций на определенной части ареала.

Факторы, способствующие объединению особей в популяции, - свободное скрещивание (взаимоотношения полов), выращивание потомства (генетические связи), совместная защита от врагов, типы взаимоотношений организмов разных видов: хищник-жертва, хозяин-паразит, симбиоз, конкуренция .

Популяция - структурная единица вида, характеризуется определенной численностью особей, ее изменениями, общностью занимаемой территории, определенным соотношением возрастного и полового состава. Изменение численности популяций в определенных пределах, сокращение ее ниже допустимого предела - причина возможной гибели популяции.

Изменение численности популяций по сезонам и годам (массовое размножение в отдельные годы насекомых, грызунов). Устойчивость численности популяций, особи которых имеют большую продолжительность жизни и низкую плодовитость.

Причины колебания численности популяций: изменение количества пищи, погодных условий, экстремальные условия (наводнения, пожары и пр.). Резкое изменение численности под влиянием случайных факторов, превышение смертности над рождаемостью - возможные причины гибели популяции.

Саморегуляция численности популяции. Вслед за возрастанием численности одних видов появляются факторы, вызывающие ее ограничение. Так, возрастание численности растительноядных животных сопровождается увеличением численности хищников, паразитов. Вследствие этого происходит снижение численности растительноядных животных, а затем и численности хищников. Таков механизм саморегуляции численности всех популяций, сохранения ее на определенном уровне.

Разные популяции одного вида могут отличаться по частоте генов. Важнейшим свойством генов является сочетание их высокой устойчивости в ряду поколений со способностью к наследуемым изменениям (мутациям), служащим основой изменчивости организмов, дающей материал для естественного отбора. Так же число генов, зависит от особенностей окружающей среду, где обитает популяция, поэтому в разных условиях окружающей среды число генов может меняться.

9. Как происходит деление клеток, ядра и ДНК? Как реализуется система воспроизводства на молекулярном уровне? В чем особенности биотехнологий: генной и клеточной инженерии, каковы их возможности и перспективы?

Деление клеток - основа роста и размножения организмов, передачи наследственной информации от материнского организма (клетки) к дочернему, что обеспечивает их сходство. Деление клеток образовательной ткани - причина роста корня и побега верхушками.

Ядро и расположенные в них хромосомы с генами - носители наследственной информации о признаках клетки и организма. Число, форма и размеры хромосом, набор хромосом - генетический критерий вида. Роль деления клетки в обеспечении постоянства числа, формы и размера хромосом. Наличие в клетках тела диплоидного (46 у человека), а в половых - гаплоидного (23) набора хромосом. Состав хромосомы - комплекс одной молекулы ДНЯ с белками.3. Жизненный цикл клетки: интерфаза (период подготовки клетки к делению) и митоз (деление).

1) Интерфаза - хромосомы деспирализованы (раскручены). В интерфазе происходит синтез белков, липидов, углеводов, АТФ, самоудвоение молекул ДНК и образование в каждой хромосоме двух хроматид;

2) фазы митоза (профаза, метафаза, анафаза, телофаза) - ряд последовательных изменений в клетке: а) спирализация хромосом, растворение ядерной оболочки и ядрышка; б) формирование веретена деления, расположение хромосом в центре клетки, присоединение к ним нитей веретена деления; в) расхождение хроматид к противоположным полюсам клетки (они становятся хромосомами); г) формирование клеточной перегородки, деление цитоплазмы и ее органоидов, образование ядерной оболочки, появление двух клеток из одной с одинаковым набором хромосом (по 46 в материнской и дочерних клетках человека).

Репликация ДНК происходит следующим образом. Двойная спираль раскручивается по разрывающимся водородным связям. Определенные ферменты строят новые цепи, связывая между собой нуклеотиды, комплиментарные нуклеотидам каждой из двух исходных цепей спирали ДНК .

Значение митоза - образование из материнской двух дочерних клеток с таким же набором хромосом, равномерное распределение между дочерними клетками генетической информации.

Современный уровень знаний в области биохимии позволяет не только понять и проследить тонкие процессы происходящие на генном уровне, но и использовать их в своих целях. Разрабатываются методы генной инженерии, позволяющие внедрить в клетку желаемую генетическую информацию. Появилась возможность изучать распределение нуклеотидов в определенном гене или получать нужный белок. Для этого создается рекомбинатная ДНК, которая возникает, когда ДНК одного организма внедряется в клетку другого. Так, в 80-е годы были разработаны интерфероны - белки, способные подавлять размножение вирусов.

10. Что такое синергетика и каково ее значение для современной картины мира? Какие этапы можно выделить в развитии самоорганизующихся систем? Каково соотношение случайного и закономерного в концепции развития? Поясните понятия "хаоса", "бифуркации", "катастрофы". Опишите процессы самоорганизации материи в процессе эволюции галактик и звезд.