Ainete ringlus ja biogeokeemilised tsüklid. Bioloogilised ja geoloogilised tsüklid
Aineringe looduses on kõige olulisem ökoloogiline mõiste.
Joonisel fig. bioloogiline tsükkel on esitatud koos energiavoo lihtsustatud diagrammiga. Ringluses osalevad ained ja energiavoog on ühesuunaline taimedelt, mis muudavad päikese energia keemiliste sidemete energiaks, loomadele, kes seda energiat kasutavad, ja edasi mikroorganismidele, mis hävitavad orgaanilist ainet.
Ühesuunaline energiavoog paneb liikuma ainete ringlemise. Iga keemiline element, tehes ökosüsteemis tsükli, läheb vaheldumisi orgaanilisest vormist anorgaaniliseks ja vastupidi.
Riis. 1. Energiavoog ja biogeensete elementide ringlus biosfääris
Fotosüntees- loomine orgaaniline aine(glükoos, tärklis, tselluloos jne) süsinikdioksiidist ja veest klorofülli osalusel päikeseenergia toimel:
6CO 2 + 12H 2 O + hν (673 kcal) \u003d C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6 H 2 O
Fotosüntees on päikeseenergia püüdmine fotosünteetiliste organismide poolt ja selle muundamine biomassi energiaks.
Igal aastal salvestab taimemaailm tasuta energiat 10 korda rohkem kui kogu Maa elanikkonna aastas tarbitud mineraalenergia hulk. Need mineraalid ise (kivisüsi, nafta ja maagaas) on samuti miljoneid aastaid tagasi toimunud fotosünteesi saadused.
Igal aastal neelab fotosüntees 200 miljardit tonni süsihappegaasi ja vabastab kuni 320 miljardit tonni hapnikku. Kogu atmosfääri süsihappegaas läbib elusaine 6-7 aastaga.
Biosfääris toimuvad ka orgaanilise aine lagunemise protsessid kõige lihtsamateks molekulideks: CO 2 , H 2 O, NH 3 . Orgaaniliste ühendite lagunemine toimub loomorganismides, taimedes hingamise ajal koos CO 2 ja H 2 O moodustumisega.
Orgaaniliste ainete mineraliseerumine, surnud orgaanilise aine lagunemine lihtsateks anorgaanilisteks ühenditeks, toimub mikroorganismide toimel.
Orgaanilise aine moodustumise ja hävimise vastupidised protsessid biosfääris moodustavad ühtse aatomite bioloogilise tsükli. Orgaaniliste ühendite mineraliseerumise protsessis vabaneb fotosünteesi käigus neeldunud energia. See vabaneb soojusena ja ka keemilise energiana.
Bioloogiline tsükkelon protsesside kogum keemiliste elementide sisenemiseks elusorganismidesse, uute kompleksühendite biosünteesiks ning elementide tagasi viimiseks pinnasesse, atmosfääri ja hüdrosfääri.
Bioloogilise tsükli (BIC) intensiivsuse määrab ümbritseva õhu temperatuur ja vee hulk. Troopilistes vihmametsades kulgeb bioloogiline tsükkel intensiivsemalt kui tundras.
Ainete bioloogilise ringi kõige olulisem tulemus on huumusmuldade horisondi teke maismaal.
Bioloogilist tsüklit iseloomustavad järgmised näitajad.
Biomass - antud ajahetkel kogunenud elusaine mass (füto-, zoo-, mikrobiomass).
taimne biomass(fütomass) - elusate ja surnud taimeorganismide mass.
Sügis - surnud taimede orgaanilise aine kogus pinnaühiku kohta ajaühikus.
Kasv– pindalaühiku kohta ajaühikus kogunenud biomass.
Taimede keemiline koostis sõltub kahest peamisest tegurist:
1) ökoloogiline, - taimede kasvutingimused, - elementide sisalduse tasemed keskkonnas, taimedele kättesaadavad esinemisvormid, sealhulgas liikuvad;
2) geneetiline, seoses taimeliigi päritolu iseärasustega.
Keskkonnasaaste tingimustes määrab elementide kontsentratsiooni taimedes esimene tegur. Mõlemad tegurid on taustal (häirimata) maastikul olulised.
Sõltuvalt reaktsioonist keskkonna keemilisele tegurile (keemiliste elementide sisaldusele) võib eristada 2 taimerühma:
1) kohandatud muutustele keemiliste elementide kontsentratsioonis;
2) ei ole kohandatud muutustele keemiliste elementide kontsentratsioonis.
Muutused keemiliste elementide kontsentratsioonides keskkonnas kohanemata taimedes põhjustavad füsioloogilisi häireid, mis põhjustavad haigusi; taimede areng pärsitud, liik sureb välja.
Mõned taimeliigid on hästi kohanenud taluma suuri elementide kontsentratsioone. Need on teatud piirkonnas pikka aega kasvavad looduslikud taimed, mis loodusliku valiku tulemusena omandavad vastupidavuse ebasoodsatele keskkonnatingimustele.
Taimi, mis koondavad keemilisi elemente, nimetatakse kontsentraatoriteks. Näiteks: päevalill, kartul kaaliumikontsentraat, tee - alumiinium, samblad - raud. Kulda koguvad koirohi, korte, mais ja tamm.
12.1. Bioloogilise tsükli mõiste
Bioloogiline tsükkel on keemiliste elementide ja ainete tsükkel, mis tekkis samaaegselt elu tekkimisega Maal ja mille viib läbi organismide eluline aktiivsus. See mängib biosfääris erilist rolli. Sel puhul kirjutas N. V. Timofejev-Resovski: "Biosfääris on tohutu, igavene, pidevalt töötav bioloogiline tsükkel, selles suures biosfääri tsüklis ringleb pidevalt hulk aineid, hulk energiavorme" (M. M. Kamshilov). , 1974; V. A. Vronsky, 1997). Elu pika eksisteerimise ja arengu probleem on lahendatud bioloogilise tsükli seadustes. Piiratud mahuga kehal, milleks on Maa, ei saa elufunktsiooni elluviimiseks vajalike saadaolevate mineraalsete elementide varud olla lõpmatud. Kui neid ainult tarbitaks, peaks elu varem või hiljem lõppema. "Ainus viis anda piiratud kogusele lõpmatu omadus," kirjutab W. R. Williams, "on panna see pöörlema mööda suletud kõverat." Elu kasutas täpselt seda meetodit. “Rohelised taimed tekitavad orgaanilist ainet, mitterohelised taimed hävitavad selle. Orgaanilise aine lagunemisel saadud mineraalsetest ühenditest ehitavad uued rohelised taimed uut orgaanilist ainet jne. Seda silmas pidades on iga organismitüüp bioloogilise tsükli lüli. Kasutades elatusvahendina mõne organismi kehasid või lagunemissaadusi, peab ta andma keskkonnale seda, mida teised saavad kasutada. Eriti suur on mikroorganismide roll. Loomade ja taimede orgaanilisi jäänuseid mineraliseerides muudavad mikroorganismid need "ühtseks valuutaks" – mineraalsooladeks ja kõige lihtsamateks orgaanilisteks ühenditeks nagu biogeensed stimulandid, mida kasutavad jällegi rohelised taimed uue orgaanilise aine sünteesil. Elu üks peamisi paradokse on see, et selle järjepidevuse tagavad lagunemise, hävimise protsessid. Keeruline orgaanilised ühendid, vabaneb energia, kaob keeruliselt organiseeritud eluskehadele omane infovaru. Destruktorite, peamiselt mikroorganismide tegevuse tulemusena lülitatakse bioloogilisse tsüklisse paratamatult igasugune eluvorm. Seetõttu viiakse nende abiga läbi biosfääri loomulik iseregulatsioon. Kaks omadust võimaldavad mikroorganismidel seda mängida oluline roll: võime kohaneda suhteliselt kiiresti erinevate tingimustega ning võime kasutada süsiniku- ja energiaallikana väga erinevaid substraate. Kõrgematel organismidel selliseid võimeid pole. Seetõttu saavad nad eksisteerida vaid teatud tüüpi pealisehitusena mikroorganismide kindlal alusel. Bioloogiline tsükkel, mis põhineb orgaanilise aine sünteesi ja hävitamise vastasmõjul, on planeedi mastaabis üks olulisemaid elukorralduse vorme. Ainult tema tagab elu järjepidevuse ja selle järkjärgulise arengu.
Erinevate organismide isendid ja liigid süstemaatilised rühmad suhtlemine otse ja kaudselt arvukate ja mitmepoolsete otse- ja tagasisidelinkide abil. Ka planeedi bioloogiline tsükkel näib olevat keeruline eratsüklite süsteem – omavahel seotud ökoloogilised süsteemid erinevaid vorme interaktsioonid.
Bioloogiline tsükkel toimub peamiselt mööda troofilisi (toidu)ahelaid (joonis 12.1).
Taimede ja loomade olulise rolli tõttu on biogeensete elementide, nagu lämmastik, fosfor, väävel, vool läbi tsüklis olevate mikroorganismide populatsioonide ligikaudu suurusjärgu võrra suurem kui taimede ja loomade populatsioonide kaudu. Bioloogilise tsükli intensiivsuse oluline näitaja on keemiliste elementide ringluse kiirus. Selle intensiivsuse indikaatorina võib kasutada surnud orgaanilise aine kogunemise ja lagunemise kiirust, mis tekib iga-aastase lehtede langemise ja organismide hukkumise tulemusena.
Näiteks allapanu massi ja allapanu moodustava pesakonna massi suhe on pesakonna lagunemise ja keemiliste elementide vabanemise kiiruse näitaja. Mida kõrgem on see indeks, seda madalam on bioloogilise tsükli intensiivsus antud ökosüsteemis. Indeksi suurimat väärtust (üle 50) iseloomustavad soised metsad ja tundra. Pimedates okasmetsades on indeks 10-17, laialehelistes metsades - 3-4, steppides - 1,0-1,5, savannides - mitte rohkem kui 0,2. Niisketes troopilistes metsades taimejäänused praktiliselt ei kogune (indeks mitte rohkem kui 0,1). Seetõttu on siin bioloogiline tsükkel kõige intensiivsem.
Kõik ained planeedil on ringluses. Päikeseenergia põhjustab Maal kaks ainetsüklit: suur (geoloogiline, biosfääriline) ja väike (bioloogiline).
Ainete suurt ringlust biosfääris iseloomustavad kaks olulist punkti: see toimub kogu Maa geoloogilise arengu jooksul ja on kaasaegne planetaarne protsess, mis võtab juhtiva osa biosfääri edasises arengus.
Geoloogiline tsükkel on seotud kivimite tekke ja hävimisega ning sellele järgnenud hävimisproduktide – detriitmaterjali ja keemiliste elementide – liikumisega. Olulist rolli neis protsessides mängisid ja mängivad ka edaspidi maa ja vee pinna soojuslikud omadused: päikesevalguse neeldumine ja peegeldumine, soojusjuhtivus ja soojusmahtuvus. Maapinna ebastabiilne hüdrotermiline režiim koos planeedi atmosfääri tsirkulatsioonisüsteemiga määras ainete geoloogilise tsirkulatsiooni, mis Maa arengu algstaadiumis koos endogeensete protsessidega oli seotud mandrite, ookeanide ja kaasaegsete protsessidega. geosfäärid. Biosfääri moodustumisega kaasati organismide elulise aktiivsuse saadused suurde tsüklisse. Geoloogiline ringkäik varustab elusorganisme toitainetega ja määrab suuresti nende eksisteerimise tingimused.
Peamised keemilised elemendid litosfäärid: hapnik, räni, alumiinium, raud, magneesium, naatrium, kaalium ja teised - osalevad suures tsirkulatsioonis, liikudes ülemise vahevöö sügavatest osadest litosfääri pinnale. Magma kristalliseerumisel tekkinud tardkivim, mis on jõudnud Maa sügavusest litosfääri pinnale, läbib biosfääris lagunemise ja ilmastiku. Ilmastikuproduktid lähevad liikuvasse olekusse, veed, tuul kanduvad madalatesse reljeefsetesse kohtadesse, kukuvad jõgedesse, ookeani ja moodustavad paksud settekivimite kihid, mis aja jooksul langevad kõrgendatud temperatuuri ja rõhuga piirkondades sügavusele. , läbivad metamorfoosi, st "sulatatakse ümber". Selle ümbersulamise käigus ilmub uus moondekivim, mis siseneb ülemisse horisonti maakoor ja uuesti ainete tsüklisse sisenemine (riis.).
Kergesti liikuvad ained – gaasid ja looduslikud veed, mis moodustavad planeedi atmosfääri ja hüdrosfääri – läbivad kõige intensiivsema ja kiireima ringluse. Litosfääri materjal ringleb palju aeglasemalt. Üldiselt on iga keemilise elemendi iga tsükkel osa üldisest suur tsükkel ained Maal ja need kõik on omavahel tihedalt seotud. Selles tsüklis olev biosfääri elusaine teeb suurepärast tööd biosfääris pidevalt ringlevate keemiliste elementide ümberjaotamisel, liikudes väliskeskkond organismidesse ja tagasi keskkonda.
Väike ehk bioloogiline ainete ringlus- See
ainete ringlemine taimede, loomade, seente, mikroorganismide ja mulla vahel. Bioloogilise tsükli olemus on kahe vastandliku, kuid omavahel seotud protsessi kulgemine - orgaaniliste ainete teke ja nende hävitamine. Esimene aste Orgaaniliste ainete tekkimine on tingitud roheliste taimede fotosünteesist ehk elusaine moodustumisest süsihappegaasist, veest ja lihtsatest mineraalsetest ühenditest päikeseenergia abil. Taimed (tootjad) eraldavad mullast lahuses väävli, fosfori, kaltsiumi, kaaliumi, magneesiumi, mangaani, räni, alumiiniumi, tsingi, vase ja muude elementide molekule. Taimtoidulised loomad (esimese järgu tarbijad) omastavad nende elementide ühendeid juba taimset päritolu toiduna. Kiskjad (teise järgu tarbijad) toituvad taimtoidulistest loomadest, tarbides keerulisema koostisega toitu, sealhulgas valke, rasvu, aminohappeid ja muid aineid. Surnud taimede ja loomsete jäänuste orgaaniliste ainete hävitamise protsessis mikroorganismide (lagundajate) poolt satuvad pinnasesse ja veekeskkonda lihtsad mineraalsed ühendid, mis on taimedele omastatavad ning algab bioloogilise tsükli järgmine ring. (joonis 33).
Noosfääri tekkimine ja areng
Evolutsioon orgaaniline maailm Maal on läbinud mitu etappi.Esimene on seotud ainete bioloogilise tsükli tekkimisega biosfääris. Teisega kaasnes mitmerakuliste organismide teke. Neid kahte etappi nimetatakse biogeneesiks.Kolmas etapp on seotud inimühiskonna tekkega, mille mõjul a. kaasaegsed tingimused toimub biosfääri evolutsioon ja selle muutumine meele-noosfääri sfääriks (gr.-meel,-ball). Noosfäär on biosfääri uus seisund, mil intelligentsest inimtegevusest saab peamine selle arengut määrav tegur. Mõiste "noosfäär" võttis kasutusele E. Leroy. VI Vernadski süvendas ja arendas noosfääri õpetust. Ta kirjutas: "Noosfäär on uus geoloogiline nähtus meie planeedil. Selles saab inimesest suur geoloogiline jõud. V. I. Vernadski tuvastas noosfääri loomiseks vajalikud eeldused: 1. Inimkonnast on saanud ühtne tervik 2. Võimalus hetkeliseks infovahetuseks 3. Inimeste tõeline võrdsus 4. Kasv. üldine tase elu.5.Uute energialiikide kasutamine. 6. Sõdade väljajätmine ühiskonnaelust. Nende eelduste loomine saab võimalikuks kahekümnendal sajandil toimunud plahvatusliku teadusliku mõtlemise tulemusena.
Teema - 6. Loodus - inimene: süstemaatiline lähenemine. Loengu eesmärk: Kujundada terviklik vaade ökoloogia süsteemsetest postulaatidest.
Põhiküsimused: 1. Süsteemi mõiste ja komplekssed biosüsteemid 2. Bioloogiliste süsteemide tunnused 3. Süsteemi postulaadid: universaalse suhtluse seadus keskkonnaseadused B. Commoner, seadus suured numbrid, Le Chatelier' printsiip, looduses tagasiside seadus ja elusaine hulga püsivuse seadus.
ökoloogiline süsteem- ökoloogia põhiobjekt. Ökoloogia on olemuselt süsteemne ja oma teoreetiliselt sellele lähedane üldine teooria süsteemid. Süsteemi üldteooria järgi on süsteem reaalne või mõeldav osade kogum, mille terviklikud omadused on määratud süsteemi osade (elementide) vastasmõjuga. Reaalses elus määratletakse süsteemi kui objektide kogumit, mis on teatud funktsiooni täitmiseks kokku pandud mingi korrapärase interaktsiooni või vastastikuse sõltuvuse kaudu. Materjalis on teatud hierarhiad - järjestatud jadad ruumilis-ajalisest alluvusest ja süsteemide keerukusest. Kõiki meie maailma vorme saab kujutada kolme järjestikku tekkinud hierarhiana. See on peamine, looduslik, füüsikalis-keemilis-bioloogiline (P, X, B) hierarhia ja kaks selle alusel tekkinud kõrvalhierarhiat, sotsiaalne (S) ja tehniline (T) hierarhia. Viimaste olemasolu tagasisidete hulga osas teatud viisil mõjutab põhihierarhiat. Erinevate hierarhiate süsteemide kombineerimine viib "segatud" süsteemide klassideni. Seega hierarhia füüsikalis-keemilisest osast (F, X - "keskkond") pärit süsteemide kombineerimine hierarhia bioloogilise osa elussüsteemidega (B - "elustiku") viib süsteemide segaklassini, mida nimetatakse ökoloogiline. Süsteemide liit hierarhiatest C
("inimene") ja T ("tehnoloogia") viivad klassi majandus- või tehniline ja majanduslik, süsteemid. 
Riis. . Materjalisüsteemide hierarhiad:
F, X - füüsikaline ja keemiline, B - bioloogiline, C - sotsiaalne, T - tehniline
Peaks olema selge, et skeemil kajastuv inimühiskonna mõju loodusele, mida vahendavad tehnoloogia ja tehnoloogiad (tehnogenees), viitab kogu hierarhiale. looduslikud süsteemid: alumine haru - kuni abiootiline keskkond, ülemine - biosfääri elustikusse. Allpool käsitleme selle koostoime keskkonnaaspektide ning tehniliste ja majanduslike aspektide juhuslikkust.
Kõigil süsteemidel on mõned ühised omadused:
1. Igal süsteemil on spetsiifiline struktuur, määratud aegruumi ühenduste või süsteemi elementide vaheliste interaktsioonide vormiga. Struktuurne kord üksi ei määra süsteemi korraldust. Süsteemi saab kutsuda organiseeritud kui selle olemasolu on kas vajalik mingi funktsionaalse (teatud tööd tegeva) struktuuri säilitamiseks või, vastupidi, sõltub sellise struktuuri tegevusest.
2. Vastavalt vajaliku mitmekesisuse põhimõte süsteem ei saa koosneda identsetest elementidest, millel puudub individuaalsus. Mitmekesisuse alumine piir on vähemalt kaks elementi (prooton ja elektron, valk ja nukleiinhape, "tema" ja "she"), ülemine piir on lõpmatus. Mitmekesisus on süsteemi kõige olulisem informatsioon. See erineb elementide sortide arvust ja on mõõdetav 3. Süsteemi omadusi ei saa mõista ainult selle osade omaduste põhjal. Otsustav on elementide koostoime. Masina toimimist ei ole võimalik masina üksikute osade järgi enne kokkupanekut hinnata. Mõnda seente ja vetikate vorme eraldi uurides on võimatu ennustada nende sümbioosi olemasolu sambliku kujul. Kahe või enama erineva teguri koosmõju organismile erineb peaaegu alati nende eraldiseisvate mõjude summast. Süsteemi omaduste taandamatuse aste selle üksikute elementide omaduste summale, millest see koosneb, määrab tekkimine süsteemid.
4. Süsteemi jaotamine jagab selle maailma kaheks osaks – süsteem ise ja selle keskkond. Olenevalt aine-, energia- ja teabevahetuse olemasolust (puudumisest) keskkonnaga on põhimõtteliselt võimalik: isoleeritud süsteemid (vahetus pole võimalik); suletud süsteemid (võimatu ainevahetus); avatud süsteemid (võimalik aine- ja energiavahetus). Energiavahetus määrab teabevahetuse. Looduses on ainult avatud dünaamiline süsteemid, vahel sisemised elemendid mis ja keskkonna elemendid teostavad aine, energia ja informatsiooni ülekannet. Ükskõik milline elav süsteem- viirusest biosfäärini - on avatud dünaamiline süsteem.
5. Sisemiste vastasmõjude ülekaal süsteemis väliste üle ja süsteemi labiilsus välisjõudude suhtes.
toimingud määratlevad selle enesealalhoiuvõime tänu organiseerituse, vastupidavuse ja stabiilsuse omadustele. Väline mõju süsteemile, mis ületab selle sisemiste vastasmõjude tugevust ja paindlikkust, viib pöördumatute muutusteni.
ja süsteemi surm. Dünaamilise süsteemi stabiilsust hoiab selle pidev väline tsükliline töö. See nõuab energia voolamist ja selle muundamist. teema. Süsteemi põhieesmärgi – enesesäilitamise (sealhulgas enese taastootmise kaudu) saavutamise tõenäosus on määratletud kui selle potentsiaalne tõhusus.
6. Süsteemi tegevust ajas nimetatakse selleks käitumine. Välisest tegurist põhjustatud käitumise muutust tähistatakse kui reaktsioon süsteem ja muutus süsteemi reaktsioonis, mis on seotud struktuuri muutusega ja mille eesmärk on stabiliseerida käitumist, kuna selle seade, või kohanemine. Süsteemi struktuuri ja seoste adaptiivsete muutuste ajas kinnistamist, mille käigus suureneb selle potentsiaalne efektiivsus, loetakse kui areng, või evolutsioon, süsteemid. Kõigi materiaalsete süsteemide tekkimine ja olemasolu looduses on tingitud evolutsioonist. Dünaamilised süsteemid arenevad selles suunas, et organisatsioon muutub tõenäolisemalt vähem tõenäoliseks, s.t. arendus on käimas piki teed keerulisemaks organisatsiooni ja
alamsüsteemide moodustamine süsteemi struktuuris. Looduses on kõik süsteemi käitumise vormid – elementaarsest reaktsioonist globaalse evolutsioonini – oma olemuselt olemas mittelineaarne. Evolutsiooni oluline tunnusjoon keerulised süsteemid on an
ebatasasus, monotoonsuse puudumine. Väiksemate muutuste järkjärgulise kuhjumise perioodid katkestavad mõnikord teravad kvalitatiivsed hüpped, mis muudavad oluliselt süsteemi omadusi. Tavaliselt seostatakse neid nn bifurkatsioonipunktid- endise evolutsioonitee hargnemine, lõhenemine. Väga palju oleneb teekonna ühe või teise jätkumise valikust hargnemispunktis kuni osakeste, ainete, organismide, ühiskondade uue maailma tekke ja õitsenguni või vastupidi süsteemi surmani. Isegi otsustussüsteemide puhul on valiku tulemus sageli ettearvamatu ja valik ise bifurkatsioonipunktis võib olla tingitud juhuslikust impulsist. Igasugust reaalset süsteemi võib kujutada mingisuguse materiaalse sarnasuse või ikoonilise kujutisena, s.t. vastavalt analoog või märk süsteemi mudel. Modelleerimisega kaasneb paratamatult mõningane süsteemis olevate suhete lihtsustamine ja formaliseerimine. See vormistamine võib olla
rakendatakse loogiliste (põhjuslike) ja/või matemaatiliste (funktsionaalsete) seoste kujul.Süsteemide keerukuse kasvades omandavad nad uusi esilekerkivaid omadusi. Samal ajal säilivad lihtsamate süsteemide omadused. Seetõttu suureneb süsteemi üldiste omaduste mitmekesisus selle keerukamaks muutudes (joonis 2.2).
Riis. 2.2. Süsteemihierarhiate omaduste muutuste mustrid koos nende taseme tõusuga (Fleishmani, 1982 järgi):
1 - mitmekesisus, 2 - stabiilsus, 3 - tekkimine, 4 - keerukus, 5 - mitteidentiteet, 6 - levimus
Välismõjude suhtes aktiivsuse suurenemise järjekorras saab süsteemi omadused järjestada järgmises järjestuses: 1 - stabiilsus, 2 - töökindlus tänu keskkonnateadlikkusele (mürakindlus), 3 - juhitavus, 4 - enesekindlus. organisatsioon. Selles sarjas on iga järgnev kvaliteet eelmise juuresolekul mõttekas.
Steami raskusaste süsteemi struktuuri määrab number P selle elemendid ja arv t
nendevahelised ühendused. Kui mis tahes süsteemis uurida privaatsete diskreetsete olekute arvu, siis süsteemi keerukust Koos määratakse võlakirjade arvu logaritmiga:
C = logm.(2.1)
Süsteemid liigitatakse tavapäraselt keerukuse järgi järgmisel viisil: 1) kuni tuhande olekuga süsteemid (O <С < 3), относятся к lihtne; 2) kuni miljoni olekuga süsteemid (3< С < 6), являют собой keerulised süsteemid; 3) identifitseeritakse süsteemid, millel on üle miljoni oleku (C > 6). väga keeruline.
Kõik tõelised looduslikud biosüsteemid on väga keerulised. Isegi ühe viiruse struktuuris ületab bioloogiliselt oluliste molekulaarsete olekute arv viimast väärtust.
Ökosüsteemi elutähtis tegevus ja ainete ringlemine selles on võimalik ainult pideva energiavarustuse tingimustes. Peamine energiaallikas maa peal on päikesekiirgus. Päikese energia muudetakse fotosünteetiliste organismide poolt orgaaniliste ühendite keemiliste sidemete energiaks. Energia ülekanne toiduahelate kaudu järgib termodünaamika teist seadust: ühe energialiigi muundumine teiseks kaasneb osa energia kadumisega. Samal ajal toimub selle ümberjaotamine rangelt: ökosüsteemi vastuvõetud ja tootjate poolt omastatav energia hajub või koos oma biomassiga kandub pöördumatult üle esimese, teise jne tarbijatele. järjestused ja seejärel lagundajad energiavoo langusega igal troofilisel tasemel. Selle tulemusena puudub energia ringlus.
Erinevalt energiast, mida ökosüsteemis kasutatakse ainult üks kord, kasutatakse aineid korduvalt, kuna nende tarbimine ja muundumine toimub ringikujuliselt. Seda tsüklit viivad läbi ökosüsteemi elusorganismid (tootjad, tarbijad, lagundajad) ja seda nimetatakse ainete bioloogiliseks tsükliks.
Ainete bioloogiline tsükkel ehk väike - ainete sattumine pinnasest ja atmosfäärist elusorganismidesse koos nende keemilise vormi vastava muutumisega, nende tagasipöördumine pinnasesse ja atmosfääri organismide eluea jooksul ning koos surmajärgsete jääkainetega ja uuesti. -sisenemine elusorganismidesse pärast hävimis- ja mineraliseerumisprotsesse mikroorganismide abil. Selline arusaam ainete bioloogilisest tsüklist (N. P. Remezovi, L. E. Rodini ja N. I. Bazilevitši järgi) vastab biogeotsenootilisele tasemele. Õigem on rääkida keemiliste elementide, mitte ainete bioloogilisest tsüklist, kuna tsükli erinevatel etappidel saab aineid keemiliselt muuta. Vastavalt V.A. Kovdy (1973) järgi ületab tuhaelementide bioloogilise tsükli aastane väärtus pinnas-taim süsteemis oluliselt nende elementide aastase geokeemilise äravoolu väärtust jõgedesse ja merre ning seda mõõdetakse kolossaalse väärtusega 109 t/aastas.
Maa ja ookeanide ökoloogilised süsteemid seovad ja jaotavad ümber päikeseenergiat, atmosfääri süsinikku, niiskust, hapnikku, vesinikku, fosforit, lämmastikku, väävlit, kaltsiumi ja muid elemente. Taimeorganismide (tootjate) eluline aktiivsus ja nende koosmõju loomadega (tarbijad), mikroorganismide (lagundajad) ja elutu loodus on ette nähtud Maale tuleva päikeseenergia kogunemise ja ümberjaotamise mehhanism.
Ainering ei ole kunagi täielikult suletud. Osa orgaanilistest ja anorgaanilistest ainetest viiakse ökosüsteemist välja ning samal ajal saab nende varusid täiendada väljastpoolt tuleva sissevoolu tõttu. Mõnel juhul on ainete ringluse mõne tsükli korduva reprodutseerimise aste 90–98%. Tsüklite mittetäielik sulgemine geoloogilise aja skaalal viib elementide kuhjumiseni Maa erinevatesse looduslikesse sfääridesse. Seega akumuleeruvad mineraalid - kivisüsi, nafta, gaas, lubjakivi jne.
2. Moodsa loodusteaduse teadusliku maailmapildi põhijooned
Loodusteadus on loodusnähtuste ja loodusseaduste teadus. Kaasaegne loodusteadus hõlmab paljusid loodusteaduslikke harusid: füüsikat, keemiat, bioloogiat, aga ka paljusid sellega seotud harusid, nagu füüsikaline keemia, biofüüsika, biokeemia jne. Loodusteadus tõstatab paljusid küsimusi loodusteaduste omaduste arvukate ja mitmepoolsete avaldumiste kohta. loodus, mida võib käsitleda ühtse tervikuna.
Kaasaegne mitmekesine tehnoloogia on loodusteaduse vili, mis on tänapäevani paljude perspektiivsete valdkondade – nanoelektroonikast keerukaima kosmosetehnoloogiani – arengu põhialuseks ja see on paljudele ilmne.
Kõigi aegade filosoofid toetusid teaduse ja eelkõige loodusteaduse viimastele saavutustele. Möödunud sajandi saavutused füüsikas, keemias, bioloogias ja teistes teadustes on võimaldanud heita uue pilgu sajandite jooksul kujunenud filosoofilistele ideedele. Palju filosoofilised ideed sündisid loodusteaduse sügavustes ja loodusteadus oli omakorda oma arengu alguses loodusfilosoofilist laadi. Sellise filosoofia kohta võib öelda saksa filosoofi Arthur Schopenhaueri (1788-1860) sõnadega: "Minu filosoofia ei andnud mulle üldse tulu, kuid päästis mind väga paljudest kulutustest."
Inimene, kellel on loodusteadustest vähemalt üldised ja samas kontseptuaalsed teadmised, s.o. tunneb loodust, viib oma teod tõrgeteta ellu nii, et tema tegevusest saadav kasu oleks alati ühendatud hoolika suhtumisega loodusesse ja selle hoidmisse mitte ainult praeguse, vaid ka tulevaste põlvede jaoks.
Loodusteadusliku tõe tundmine teeb inimese vabaks, vabaks selle sõna filosoofilises laiemas tähenduses, vabaks ebapädevatest otsustest ja tegudest ning lõpuks vabaks oma õilsa ja loova tegevuse tee valikul.
Loodusteaduse saavutusi pole mõtet loetleda, igaüks meist tunneb enda sündinud tehnoloogiaid ja kasutab neid. Kõrgtehnoloogiad põhinevad peamiselt 20. sajandi viimaste kümnendite loodusteaduslikel avastustel, kuid vaatamata käegakatsutavatele saavutustele kerkivad esile probleemid, mille põhjuseks on peamiselt meie planeedi ökoloogilise tasakaalu ohu teadvustamine. Kõige erinevamad toetajad turumajandus nõustume, et vaba turg ei saa kaitsta Aafrika elevante jahimeeste või Mesopotaamia ajaloomälestisi happevihmade ja turistide eest. Ainult valitsused on võimelised kehtestama seadusi, mis julgustavad pakkuma turgu kõige vajalikuga inimesele ilma tema elupaika hävitamata.
Samal ajal ei suuda valitsused sellist poliitikat ajada ilma teadlaste abita ja eelkõige teadlaste abita, kes teavad. kaasaegne loodusteadus. Vajame seost loodusteaduste ja juhtimisstruktuuride vahel keskkonna, materiaalse toetuse jms küsimustes. Ilma teaduseta on planeeti raske puhtana hoida: tuleb mõõta saastetaset, ennustada selle tagajärgi – ainult nii kas saame teada probleemidest, mida tuleb ennetada. Ainult kõige kaasaegsemate loodusteaduste ja ennekõike füüsilised meetodid saate jälgida osoonikihi paksust ja ühtlust, mis kaitseb inimest ultraviolettkiirguse eest. Ainult teaduslikud uuringud aitavad mõista põhjuseid ja tagajärgi happevihm ja sudu, mis mõjutab iga inimese elu, et anda inimesele Kuule lendamiseks vajalikke teadmisi, uurida ookeani sügavusi, leida viise inimese vabastamiseks paljudest rasketest haigustest.
1970. aastatel populaarsete matemaatiliste mudelite analüüsi tulemusena jõudsid teadlased järeldusele, et majanduse edasine areng muutub peagi võimatuks. Ja kuigi nad uusi teadmisi ei toonud, oli neil siiski oluline roll. Nad demonstreerisid tänaste arengusuundade võimalikke tagajärgi. Omal ajal veensid sellised mudelid tõesti miljoneid inimesi, et loodust on vaja kaitsta ja see on oluline panus edasiminekusse. Vaatamata soovituste erinevustele sisaldavad kõik mudelid ühte peamist järeldust: loodust ei saa enam niimoodi reostada, nagu see praegu on.
Loodusteaduslike teadmistega võib seostada paljusid probleeme Maal. Need probleemid on aga põhjustatud teaduse enda ebaküpsusest. Las see jätkab oma kurssi – ja inimkond saab tänastest raskustest üle – on enamiku teadlaste arvamus. Teiste jaoks sisse rohkem nende jaoks, kes peavad end ainult teadlaste hulka kuuluvaks, on teadus kaotanud oma tähtsuse.
Loodusteadus peegeldab suures osas praktikute vajadusi ja samas rahastatakse olenevalt riigi ja avalikkuse pidevalt muutuvast sümpaatiast.
Teadus ja tehnoloogia pole mitte ainult peamine tööriist, mis võimaldab inimestel pidevalt muutuvatega kohaneda looduslikud tingimused, aga ka peamine jõud otseselt või kaudselt selliseid muutusi põhjustades.
Koos selgesõnalisega positiivseid jooni loodusteadusele omaselt tuleks rääkida ka puudujääkidest, mis tulenevad nii teadmise enda olemusest kui ka arusaamatusest see etapp mõned väga olulised materiaalse maailma omadused inimese piiratud teadmiste tõttu. Näiteks tegid puhtad matemaatikud avastuse, mis läks vastuollu mineviku mõtlejate ideedega: juhuslikke, kaootilisi protsesse saab kirjeldada täpsete matemaatiliste mudelitega. Veelgi enam, selgus, et ka lihtne tõhusa tagasisidega varustatud mudel on algtingimuste vähimatele muutustele nii tundlik, et selle tulevik muutub ettearvamatuks. Kas siis tasub vaielda selle üle, kas Universum on deterministlik, kui rangelt deterministlik mudel annab tulemusi, mis ei erine tõenäosuslikest?
Loodusteaduse eesmärk on kirjeldada, süstematiseerida ja selgitada tervikut looduslik fenomen ja protsessid. Sõna "selgitama" teaduse metoodikas ise nõuab selgitust. Enamasti tähendab see mõistmist. Mida inimene tavaliselt mõtleb, öeldes "ma saan aru"? Reeglina tähendab see: "Ma tean, kust see tuli" ja "Ma tean, kuhu see viib." Nii tekib põhjuslik seos: põhjus - nähtus - tagajärg. Selle ühenduse laiendamine ja paljusid nähtusi hõlmava mitmemõõtmelise struktuuri moodustamine on teadusliku teooria aluseks, mida iseloomustab selge loogiline struktuur ja mis koosneb põhimõtete või aksioomide ja teoreemide kogumist koos kõigi võimalike järeldustega. Selle skeemi järgi on üles ehitatud mis tahes matemaatiline distsipliin, näiteks eukleidiline geomeetria või hulgateooria, mis võib olla tüüpilised näited teaduslikud teooriad. Teooria konstrueerimisega kaasneb muidugi erilise teaduskeele, eriterminoloogia, süsteemi loomine teaduslikud mõisted, millel on ühemõtteline tähendus ja mis on omavahel seotud rangete loogikareeglitega.
Pärast seda, kui teooria on „kogemusega kontrollitud, algab reaalsuse tunnetamise järgmine etapp, milles pannakse paika meie teadmiste tõesuse piirid või teooriate ja üksikute teaduslike väidete rakendatavuse piirid. Selle etapi määravad objektiivsed ja subjektiivsed tegurid. Üks olulisi objektiivseid tegureid on meid ümbritseva maailma dünaamilisus. Tuletagem meelde Vana-Kreeka filosoofi Herakleitose (6. sajandi lõpp - 5. sajandi algus eKr) tarku sõnu; “Kõik voolab, kõik muutub; sa ei saa kaks korda samasse jõkke astuda.” Kokkuvõtteks sõnastame lühidalt kolm aluspõhimõtet teaduslikud teadmised tegelikkus.
1. Põhjuslikkus. Esimene ja üsna mahukas põhjuslikkuse määratlus sisaldub Demokritose väites: "Ükski asi ei teki ilma põhjuseta, vaid kõik tekib mingil alusel ja vajaduse tõttu."
2. Tõe kriteerium. Loodusteaduslikku tõde kontrollib (tõestatakse) ainult praktika: vaatlused, katsed, katsed, tootmistegevus: Kui teaduslik teooria praktika kinnitab, siis on see tõsi. Loodusteaduslikke teooriaid testitakse katsega, mis on seotud vaatluste, mõõtmiste ja saadud tulemuste matemaatilise töötlemisega. Mõõtmiste tähtsust rõhutades ütles silmapaistev teadlane D.I. Mendelejev (1834 - 1907) kirjutas: „Teadus sai alguse sellest, kui inimesed õppisid mõõtma; täppisteadus on mõeldamatu ilma mõõtmiseta.
3. Teaduslike teadmiste suhtelisus. Teaduslikud teadmised (kontseptsioonid, ideed, kontseptsioonid, mudelid, teooriad, nende põhjal tehtud järeldused jne) on alati suhtelised ja piiratud.
Üldine väide: peamine eesmärk loodusteadused - loodusseaduste kehtestamine, varjatud tõdede avastamine - eeldab otseselt või kaudselt, et tõde on kuskil juba olemas ja on olemas valmis kujul, see tuleb vaid üles leida, leida omamoodi aardena. Suur filosoof Iidsetel aegadel ütles Demokritos: "Tõde on peidus sügavustes (peidab mere põhjas)." Teine objektiivne tegur on seotud katsetehnika ebatäiuslikkusega, mis on mis tahes katse materiaalseks aluseks.
Loodusteadus ühel või teisel viisil süstematiseerib meie loodusvaatlusi. Samas ei tohiks näiteks teist järku kõverate teooriat pidada ligikaudseks põhjendusega, et looduses pole täpselt teist järku kõveraid. Ei saa öelda, et mitte-eukleidiline geomeetria täpsustab eukleidilist - igaüks võtab mudelite süsteemis oma koha, olles sisemiste täpsuskriteeriumide kohaselt täpne ja leiab vajaduse korral rakendust. Samamoodi on vale väita, et relatiivsusteooria viimistleb klassikalist mehaanikat – see on nii erinevad mudelid millel on üldiselt erinevad kasutusvaldkonnad.
Ükskõik, milline on tõe sisu, mis on suurte teadlaste meeli iidsetest aegadest peale vaevanud, ja ükskõik kui keeruline teaduse teema üldiselt ja eriti loodusteaduse küsimus lahendatakse, üks on ilmne: loodusteadus on äärmiselt tõhus, võimas tööriist, mitte ainult ei võimalda teada maailm aga ka palju kasu.
Aja jooksul ja eriti eelmise sajandi lõpus on toimunud muutus teaduse ja eelkõige loodusteaduse funktsioonis. Kui varem oli teaduse põhifunktsiooniks uuritavate objektide kirjeldamine, süstematiseerimine ja selgitamine, siis nüüd on teadusest saamas inimtootmistegevuse lahutamatu osa, mille tulemusel kaasaegne tootmine- olgu selleks siis kõige keerulisema kosmosetehnoloogia tootmine, kaasaegsed super- ja personaalarvutid või kvaliteetne audio- ja videotehnika - see on muutumas teadusmahukaks. Toimub teadusliku ja tootmis-tehnilise tegevuse ühinemine, mille tulemusena tekivad suured teadus- ja tootmisühendused - valdkondadevahelised teadus-tehnilised kompleksid "teadus - tehnoloogia - tootmine", milles teadusel on juhtiv roll. Just sellistes kompleksides tekkisid esimesed kosmosesüsteemid, esimesed tuumaelektrijaamad ja palju muud, mida peetakse teaduse ja tehnika kõrgeimateks saavutusteks.
AT viimastel aegadel humanitaarteaduste spetsialistid usuvad, et teadus on tootlik jõud. See puudutab eelkõige loodusteadusi. Kuigi teadus otseselt materiaalseid tooteid ei tooda, on ilmne, et iga toote tootmine põhineb teaduse arengutel. Seetõttu ei võta nad teadusest kui tootlikust jõust rääkides arvesse mitte ühe või teise toodangu lõppsaadust, vaid seda teaduslikku teavet - omamoodi toodet, mille alusel organiseeritakse materiaalsete väärtuste tootmine ja tootmine. rakendatud.
Arvestades sellist olulist näitajat nagu arv teaduslikku teavet, on võimalik anda mitte ainult kvalitatiivne, vaid ka kvantitatiivne hinnang selle näitaja ajalisele muutumisele ja seeläbi määrata teaduse arengumuster.
Kvantitatiivne analüüs näitab, et teaduse arengutempot nii üldiselt kui ka selliste loodusteaduste harude nagu füüsika, bioloogia jt, aga ka matemaatika puhul iseloomustab varasemaga võrreldes 5-7% aastas tõus. 300 aastat. Analüüsis võeti arvesse konkreetseid näitajaid: teadusartiklite arv, uurijad jne. Seda teaduse arengutempot saab iseloomustada ka teisiti. Iga 15 aasta kohta (pool vanemate ja laste keskmisest vanusevahest) suureneb teadusliku toodangu maht e korda (e = 2,72 - naturaallogaritmide baas). See väide on teaduse eksponentsiaalse arengu korrapärasuse olemus.
Sellest seaduspärasusest tulenevad järgmised järeldused. Iga 60 aastaga suureneb teaduslik toodang umbes 50 korda. Viimase 30 aasta jooksul on selliseid tooteid loodud ligikaudu 6,4 korda rohkem kui kogu inimkonna ajaloo jooksul. Seoses sellega XX sajandi arvukatele tunnustele. võib täiesti õigustatult lisada veel ühe - "teaduse ajastu".
On täiesti ilmne, et vaadeldavate näitajate piires (neid ei saa muidugi pidada ammendavaks teaduse arengu keerulise probleemi iseloomustamiseks) ei saa teaduse eksponentsiaalne areng lõputult kesta, vastasel juhul suhteliselt lühikese aja jooksul. aja jooksul, lähitulevikus kogu elanikkond gloobus saaksid teadlased. Nagu eelmises lõigus märgitud, sisaldab isegi suur hulk teaduspublikatsioone suhteliselt väikeses koguses tõeliselt väärtuslikku teaduslikku teavet. Ja mitte iga teadlane ei anna tõsiteadusesse olulist panust. Teaduse edasine areng jätkub ka tulevikus, kuid mitte tänu teadlaste arvu ja nende poolt toodetavate teaduspublikatsioonide arvu ulatuslikule kasvule, vaid progressiivsete uurimismeetodite ja -tehnoloogiate kaasamisele ning kvaliteedi tõstmisele. teaduslikust tööst.
Tänapäeval on rohkem kui kunagi varem detailne töö oluline mitte ainult ja mitte niivõrd mineviku kritiseerimisel ja ümbermõtestamisel, vaid tulevikku viiva teede uurimisel, uute ideede ja ideaalide otsimisel. Lisaks majanduslikele probleemidele on see ilmselt kõige olulisem kodumaise teaduse ja kultuuri sotsiaalne tellimus. Varasemad ideed ammendavad end või on end ammendanud ning kui me tekkivat tühimikku ei täida, hõivavad selle veelgi vanemad ideed ja fundamentalism, mis on juba võimude võimu ja autoriteedi poolt heaks kiidetud. Just see on täna väljakutse mõistusele, lahkuminek, millest me oleme tunnistajaks.
3. Kõigis inertsiaalsetes referentssüsteemides toimub liikumine samade seaduste järgi - see on sõnastus ...
seadus gravitatsiooni; b) Galileo relatiivsusprintsiibid; c) Newtoni klassikalise mehaanika seadused
Relatiivsusprintsiip on fundamentaalne füüsikaline printsiip, mille kohaselt kõik füüsikalised protsessid inertsiaalsetes võrdlusraamides kulgevad ühtemoodi, sõltumata sellest, kas süsteem on paigal või ühtlase ja sirgjoonelise liikumise olekus.
See määratlus viitab lõigule "b" – Galileo relatiivsuspõhimõtetele.
4. Galilei relatiivsusprintsiibid
Galilei relatiivsusteooria põhimõte ,
inertsiaalsete referentssüsteemide füüsikalise võrdsuse printsiip klassikalises mehaanikas, mis väljendub selles, et mehaanika seadused on kõigis sellistes süsteemides ühesugused. Sellest järeldub, et üheski inertsiaalsüsteemis läbiviidud mehaaniliste katsetega ei saa kindlaks teha, kas antud süsteem on puhkeasendis või liigub ühtlaselt ja sirgjooneliselt. Selle positsiooni kehtestas esmakordselt G. Galileo 1636. aastal. Galileo illustreeris inertsiaalsete süsteemide mehaanikaseaduste sarnasust, kasutades näiteid, mis toimuvad puhkeseisundis oleva laeva teki all või liiguvad ühtlaselt ja sirgjooneliselt (Maa suhtes, mis võib piisava täpsusega pidada inertsiaalseks tugiraamistikuks): "Nüüd pange laev liikuma mis tahes kiirusega ja siis (kui ainult liikumine on ühtlane ja ilma veeremiseta ühes või teises suunas) kõigis nendes nähtustes ei leia vähimatki muutust ja te ei saa neist ühegi järgi kindlaks teha, kas laev liigub või seisab liikumatu ... Viskades mõnda asja seltsimehele, ei pea te seda suurema jõuga viskama, kui ta on vööris ja teie olete ahtris, kui siis, kui teie vastastikune positsioon on vastupidine; tilgad, nagu varemgi, kukuvad alumisse laeva ja ahtrile lähemale ei kuku ükski, ehkki kui tilk on õhus, läbib laev palju vahemaid.
Liikumine materiaalne punkt suhteline: selle asukoht, kiirus, trajektoori tüüp sõltuvad sellest, millise tugisüsteemi (võrdluskeha) suhtes seda liikumist käsitletakse. Samas klassikalise mehaanika seadused ,
st materiaalsete punktide liikumist ja nendevahelist vastasmõju kirjeldavaid suurusi ühendavad seosed on kõigis inertsiaalsetes tugisüsteemides ühesugused. Mehaanilise liikumise relatiivsus ja mehaanikaseaduste sarnasus (mitterelatiivsus) erinevates inertsiaalsetes tugiraamistikes moodustavad Galilei relatiivsusprintsiibi sisu.
Matemaatiliselt väljendab Galilei relatiivsusprintsiip mehaanika võrrandite muutumatust (invariantsust) liikuvate punktide (ja aja) koordinaatide teisenduste suhtes üleminekul ühest inertsiaalkaadrist teise – Galilei teisendusi.
Olgu kaks inertsiaalset tugiraamistikku, millest ühte, S, oleme nõus pidama puhkeks; teine süsteem S' liigub S suhtes ühtlase kiirusega u nagu on näidatud joonisel. Siis on Galilei teisendused materiaalse punkti koordinaatide jaoks süsteemides S ja S' kujul:
x' = x - ut, y' = y, z' = z, t' = t (1)
(katkendlikud väärtused viitavad S-süsteemile, praimimata väärtused viitavad S-süsteemile). Seega peetakse aega klassikalises mehaanikas ja ka kaugust fikseeritud punktide vahel kõigis võrdlusraamides samaks.
Galilei teisendustest võib leida seose punkti kiiruste ja selle kiirenduste vahel mõlemas süsteemis:
v' = v - u, (2)
a' = a.
Klassikalises mehaanikas määratakse materiaalse punkti liikumine Newtoni teise seadusega:
F = ma, (3)
Kus m- punktmass, a F- mis tuleneb kõigist sellele rakendatud jõududest. Sel juhul on jõud (ja massid) klassikalises mehaanikas invariandid, st suurused, mis ühest tugiraamistikust teise liikudes ei muutu. Seetõttu ei muutu võrrand (3) Galilei teisenduste korral. See on Galilei relatiivsusprintsiibi matemaatiline väljend.
Galilei relatiivsusprintsiip kehtib ainult klassikalises mehaanikas, kus arvestatakse liikumisi, mille kiirused on palju väiksemad kui valguse kiirus. Valguse kiirusele lähedasel kiirusel järgib kehade liikumine Einsteini relativistliku mehaanika seadusi ,
mis on invariantsed muude koordinaatide ja ajateisenduste suhtes - Lorentzi teisendused
(madalatel kiirustel lähevad nad üle Galilei teisendustele).
5. Einsteini erirelatiivsusteooria
Erirelatiivsusteooria põhineb kahel postulaadil. Esimene postulaat(Einsteini üldistatud relatiivsusprintsiip) väidab: ei füüsikalised katsed(mehaaniline, elektromagnetiline jne), mis on toodetud etteantud võrdlusraami sees, on võimatu vahet teha puhkeseisundite ja ühtlase sirgjoonelise liikumise vahel (teisisõnu, loodusseadused on kõigis inertsiaalsetes koordinaatsüsteemides, s.o liikuvates süsteemides samad sirgjooneliselt ja üksteise suhtes ühtlaselt). See postulaat tuleneb kuulsa Michelson-Morley eksperimendi tulemustest, mille käigus mõõdeti valguse kiirust Maa liikumissuunas ja risti. Valguse kiirus osutus kõigis suundades samaks, sõltumata allika liikumise faktist (muide, need mõõtmised lükkasid ümber idee liikumatu maailma eetri olemasolust, mille võnkumised selgitasid olemust. valgusest).
Teine postulaatütleb, et valguse kiirus vaakumis on kõigis inertsiaalsetes koordinaatsüsteemides sama. Seda postulaati mõistab (ka Einstein ise) valguse kiiruse püsivuse tähenduses. Üldtunnustatud seisukoht on, et ka see postulaat on Michelsoni katse tagajärg.
Postulaate kasutas Einstein Maxwelli elektrodünaamika võrrandite ja järgnevate Lorentzi teisenduste analüüsimiseks, mis võimaldavad väljendada liikuva süsteemi koordinaate ja aega (märgitud kriipsuga ülal) koordinaatide ja statsionaarse süsteemi aja järgi ( need teisendused jätavad Maxwelli võrrandid muutmata):
x' = (x - Vt) / ^ 0,5(m); y' = y(m); z' = z(m); (üks)
t' = (t - xV/c^2)/^0,5(sek). (2)
Einsteini kiiruse liitmise teoreem tuleneb otseselt nendest teisendustest:
Vc = (V1 + V2)/(1 + V1*V2/c^2)(Prl). (3)
Tavaline liitmise seadus ( Vc = V1 + V2) töötab ainult madalatel kiirustel.
Tehtud analüüsi põhjal jõudis Einstein järeldusele, et süsteemi liikumise fakt (kiirusel V) mõjutab selle mõõtmeid, aja kiirust ja massi vastavalt avaldistele:
l = lo/^0,5(m); (4)
delta t = delta kuni/^0,5(sek); (5)
M = Mo/^ 0,5(kg). (6)
Null tähistab liikumatu (puhke)süsteemiga seotud suurusi. Valemid (4) - (6) näitavad, et liikuva süsteemi pikkus väheneb, aja kulg sellel (kellal) aeglustub ja mass suureneb. Valemi (5) põhjal tekkis nn kaksikefekti idee. Aasta aega (laevakella järgi) laeval kiirusega 0,9998 lennanud astronaut koos, naastes Maale, kohtub oma kaksikvennaga, kes on saanud 50-aastaseks. Seos (6), mis iseloomustab massi suurenemise mõju, pani Einsteini sõnastama oma kuulsa seaduse (6):
E = Mc^2(j).
6. Einsteini üldrelatiivsusteooria
Üldrelatiivsusteooria (GR) on geomeetriline gravitatsiooniteooria, mille Albert Einstein avaldas - aastatel. Selle teooria raames, mis on edasine areng erirelatiivsusteoorias on postuleeritud, et gravitatsiooniefekte ei põhjusta mitte aegruumis paiknevate kehade ja väljade jõudude vastastikmõju, vaid aegruumi enda deformatsioon, mis on seotud eelkõige massi olemasoluga. energiat. Üldrelatiivsusteooria (GR) – kaasaegne teooria gravitatsiooni, ühendades selle neljamõõtmelise aegruumi kõverusega.
Seega ei ole gravitatsioon üldrelatiivsusteoorias, nagu ka teistes meetrikateooriates, jõudude vastastikmõju. Üldrelatiivsusteooria erineb teistest gravitatsiooni meetrilistest teooriatest, kasutades Einsteini võrrandeid aegruumi kõveruse seostamiseks ruumis esineva ainega.
Üldrelatiivsusteooria on praegu kõige edukam gravitatsiooniteooria, mida vaatlused hästi toetavad. Üldrelatiivsusteooria esimene õnnestumine oli anomaalse pretsessiooni selgitamine
periheel
Elavhõbe. Seejärel teatas Arthur Eddington aastal valguse kõrvalekaldumise vaatlusest Päikese lähedal täieliku varjutuse ajal, mis kinnitas üldrelatiivsusteooria ennustusi. Sellest ajast alates on paljud teised vaatlused ja katsed kinnitanud märkimisväärset hulka teooria ennustusi, sealhulgas gravitatsiooniaja dilatatsioon, gravitatsiooniline punanihe, signaali viivitus gravitatsiooniväljas ja seni vaid kaudselt ka gravitatsioonikiirgus. Lisaks tõlgendatakse arvukaid tähelepanekuid üldise relatiivsusteooria ühe müstilisema ja eksootilisema ennustuse – mustade aukude olemasolu – kinnitusena.
Einstein sõnastas ekvivalentsuse printsiibi, mis ütleb, et gravitatsiooniväljas toimuvad füüsikalised protsessid on eristamatud sarnastest nähtustest vastava kiirendatud liikumisega. Aluseks sai samaväärsuse põhimõte uus teooria nimetatakse üldrelatiivsusteooriaks (GR). Einstein nägi selle idee realiseerimise võimalust liikumise relatiivsusprintsiibi üldistamise teel, s.o. laiendades seda mitte ainult kiirusele, vaid ka liikuvate süsteemide kiirendusele. Kui me ei omista kiirendusele absoluutset iseloomu, siis kaotab inertsiaalsüsteemide klassi eristamine oma tähenduse ja on võimalik sõnastada füüsikaseadusi nii, et need kehtiksid iga koordinaatsüsteemi kohta. See on mis üldpõhimõte suhtelisus.
Üldrelatiivsusteooria seisukohalt ei ole meie maailma ruumil pidevat nullkõverust. Selle kõverus muutub punktist punkti ja selle määrab gravitatsiooniväli ja aeg voolab erinevates punktides erinevalt. Gravitatsiooniväli pole midagi muud kui reaalse ruumi omaduste kõrvalekalle ideaalse (eukleidilise) ruumi omadustest. Gravitatsioonivälja igas punktis määrab ruumi kõveruse väärtus selles punktis. Samal ajal ei määra aegruumi kumerust mitte ainult aine kogumass, millest keha koosneb, vaid ka kõik selles sisalduvad energialiigid, sealhulgas kõigi füüsikaliste väljade energia. Seega on üldrelatiivsusteoorias SRT massi ja energia identsuse printsiip üldistatud: Е= mc 2 . Seega on kõige olulisem erinevus üldrelatiivsusteooriate ja teiste füüsikaliste teooriate vahel selles, et see kirjeldab gravitatsiooni kui aine mõju aegruumi omadustele, need aegruumi omadused omakorda mõjutavad kehade liikumist, füüsikalisi protsesse. neis.
Üldrelatiivsusteoorias loetakse materiaalse punkti liikumist gravitatsiooniväljas vabaks "inertsiaalseks" liikumiseks, kuid see ei toimu mitte eukleidilises, vaid muutuva kõverusega ruumis. Selle tulemusena ei ole punkti liikumine enam sirgjooneline ja ühtlane, vaid toimub piki kõvera ruumi geodeetilist joont. Sellest järeldub, et nii materiaalse punkti kui ka valguskiire liikumisvõrrand tuleb kirjutada kõvera ruumi geodeetilise joone võrrandi kujul. Ruumi kõveruse määramiseks on vaja teada fundamentaaltensori (potentsiaali analoog Newtoni gravitatsiooniteoorias) komponentide avaldist. Ülesanne on, teades gravitatsioonimasside jaotust ruumis, määrata koordinaatide ja aja (põhitensori komponent) funktsioonid; siis on võimalik üles kirjutada geodeetilise sirge võrrand ja lahendada materiaalse punkti liikumise ülesanne, valguskiire levimise ülesanne jne.
Einstein leidis üldvõrrand gravitatsiooniväli (mis klassikalises lähenduses muutus Newtoni gravitatsiooniseaduseks) ja seega lahendas gravitatsiooniprobleemi üldiselt. Üldrelatiivsusteooria gravitatsioonivälja võrrandid on 10 võrrandi süsteem. Erinevalt Newtoni gravitatsiooniteooriast, kus gravitatsiooniväljal on üks potentsiaal, mis sõltub ühest suurusest – massitihedusest, kirjeldatakse Einsteini teoorias gravitatsioonivälja 10 potentsiaaliga ja seda saab luua mitte ainult massitihedusega, aga ka massivoo ja impulsivoo järgi.
Teine üldrelatiivsusteooria kardinaalne erinevus sellele eelnenud füüsikateooriatest on mitmete vanade mõistete tagasilükkamine ja uute sõnastamine. Seega loobub üldrelatiivsusteooria mõistetest “jõud”, “potentsiaalne energia”, “inertsiaalsüsteem”, “aegruumi eukleidiline iseloom” jne; Üldrelatiivsusteoorias kasutatakse mittejäikaid (deformeeruvaid) võrdluskehi, kuna gravitatsiooniväljades pole tahkeid kehasid ja taktsagedus sõltub nende väljade olekust. Selline tugiraam (seda nimetatakse "reference clam") võib suvaliselt liikuda ja selle kuju võib muutuda, kasutatav kell võib olla meelevaldselt ebakorrapärase kursiga. Üldrelatiivsusteooria süvendab välja mõistet, sidudes omavahel inertsi, gravitatsiooni ja aegruumi meetrika mõisted ning võimaldab gravitatsioonilainete võimalikkust. Gravitatsioonilained tekivad muutuva gravitatsioonivälja, masside ebaühtlase liikumise mõjul ja levivad ruumis valguse kiirusel. Gravitatsioonilained maapealsetes tingimustes on väga nõrgad. Võimalik on gravitatsioonikiirguse reaalne fikseerimine, mis toimub Universumi suurejoonelistes katastroofilistes protsessides - supernoovapuhangud, pulsaride kokkupõrked jne. Kuid neid pole veel eksperimentaalselt tuvastatud.
Vaatamata üldrelatiivsusteooria ülekaalukale edule on teadlaskonnas ebamugav, et seda ei saa ümber sõnastada kvantteooria klassikaliseks piiriks, kuna mustade aukude ja ruumi-aja singulaarsuste puhul üldiselt ilmnevad eemaldamatud matemaatilised lahknevused. Selle probleemi lahendamiseks on välja pakutud mitmeid alternatiivseid teooriaid. Praegused eksperimentaalsed tõendid näitavad, et mis tahes tüüpi kõrvalekalle üldrelatiivsusteooriast peaks olema väga väike, kui see üldse eksisteerib.
MAAILMA KAASAEGSE FÜÜSILISE PILDI TEKKIMINE EINSTEINI ÜLDRELATIVSUSTEORIA PÕHIMÕTTED JA MÕISTED (GRAVITATSIOONI TEOORIA) Tasandite mõisted bioloogilised struktuurid ja elusüsteemide korraldus
KAITSUSSEADUSED
Ained tulevad elusorganismidesse pinnasest, õhust, veest. Vesi aurustub ookeanidest, tõuseb atmosfääri kihtidesse, moodustades vihma. Rohelised taimed kasutavad pinnasesse sattuvat vett. Säilitades oma elutegevuse, vabastavad nad samaaegselt eluks vajalikku hapnikku. Samal ajal ei saaks ilma hapniku mõjuta toimuda taimede lagunemis- ja lagunemisprotsessid. Kuidas nimetatakse seda nõiaringi, mis annab eluvõimaluse Maal ja millised on selle tunnused?
Ökoloogia põhikontseptsioon
Bioloogiline tsükkel on keemiliste elementide ringlus, mis tekkisid samaaegselt elu sünniga meie planeedil ja mis toimub elusorganismide osalusel.
Ainete ringlemisele omased mustrid lahendavad peamised elu säilimise probleemid Maal. Toitainete varud kogu Maa pinnal ei ole ju piiramatud, kuigi need on tohutud. Kui neid varusid tarbiksid ainult elusolendid, siis ühel hetkel peaks elu lõppema. Teadlane R. Williams kirjutas: "Ainus meetod, mis võimaldab piiratud kogusel omada lõpmatu omadust, on panna see pöörlema mööda suletud kõverjoone trajektoori." Elu ise käskis seda meetodit Maal kasutada. Orgaanilist ainet loovad rohelised taimed ja mitte-rohelised hävitavad selle.
Bioloogilises tsüklis on igal elusolendite liigil oma koht. Elu peamine paradoks seisneb selles, et seda hoitakse alal hävimise ja pideva lagunemise protsesside kaudu. Keerulised orgaanilised ühendid hävivad varem või hiljem. Selle protsessiga kaasneb energia vabanemine, elusorganismile omase teabe kadu. Mikroorganismidel on suur tähtsus ainete bioloogilises tsüklis ja elu arengus – just nende osalusel lülitatakse biotiilisse tsüklisse igasugune eluvorm.
Bioahela lingid
Mikroorganismidel on kaks omadust, mis võimaldavad neil eluringis nii tähtsat kohta hõivata. Esiteks suudavad nad väga kiiresti kohaneda muutuvate keskkonnatingimustega. Teiseks saavad nad oma energiavarude täiendamiseks kasutada väga erinevaid aineid, aga ka süsinikku. Ühelgi kõrgemal organismil pole selliseid omadusi. Need eksisteerivad ainult pealisehitusena mikroorganismide kuningriigi põhialusel.
Erinevatesse bioloogilistesse klassidesse kuuluvad indiviidid ja liigid on lülideks ainete ringluses. Nad suhtlevad ka üksteisega läbi erinevat tüüpiühendused. Aineringe planeedi mastaabis hõlmab privaatseid bioloogilisi tsükleid looduses. Neid viiakse läbi peamiselt mööda toiduahelat.
Kodutolmu ohtlikud elanikud
Märkimisväärset rolli bioloogilises tsüklis mängivad ka saprofüüdid – püsivad kodutolmu "elanikud". Nad toituvad mitmesugustest ainetest, mis on osa kodutolmust. Samal ajal eritavad saprofüüdid üsna mürgiseid väljaheiteid, mis provotseerivad allergiate tekkimist.
Kes on need inimsilmale nähtamatud olendid? Saprofüüdid kuuluvad ämblikuliste sugukonda. Nad saadavad inimest kogu elu. Tolmulestad toituvad ju kodutolmust, mille hulka kuulub ka inimese nahk. Teadlased usuvad, et kunagi olid saprofüüdid linnupesade asukad ja seejärel "kolisid" inimeste eluruumi.
Tolmulestad, millel on oluline roll bioloogilises ringluses, on väga väikese suurusega - 0,1–0,5 mm. Kuid nad on nii aktiivsed, et kõigest 4 kuuga võib üks tolmulest muneda umbes 300 muna. Üks gramm kodutolmu võib sisaldada mitu tuhat lesta. Kui palju tolmulestasid majas võib olla, on võimatu ette kujutada, sest arvatakse, et ühe aastaga võib inimese eluruumi koguneda kuni 40 kg tolmu.
Rattaga metsas
Metsas on bioloogiline ringkäik kõige võimsam tänu puujuurte tungimisele mulla sügavustesse. Esimeseks lüliks selles käibes peetakse tavaliselt nn risosfääri lüli. Risosfäär on õhuke (3–5 mm) mullakiht puu ümber. Puu juurte ümber olev pinnas (ehk "risosfäärimuld") kipub olema väga rikas juureretiste ja mitmesuguste mikroorganismide poolest. Risosfääri lüli on omamoodi värav eluslooduse ja elutu vahel.
Tarbimislüli on juurtes, mis imavad mullast mineraale. Osa aineid uhutakse aga sademetega tagasi pinnasesse enamjaolt toitainete tagastamine toimub kahe protsessi käigus - allapanu ja jäätmed.
Kukkumise ja kukkumise roll
Jäätmetel ja jäätmetel on ainete bioloogilises ringluses erinev tähendus. Allapanu sisaldab puukäbisid, oksi, lehti, murujääke. Teadlased puid allapanu ei hõlma – need liigitatakse allapanuks. Jäätmete lagunemine võib kesta aastakümneid. Mõnikord võivad jäätmed olla materjaliks teiste puuliikide toitmiseks, kuid alles pärast teatud lagunemisfaasi saavutamist. Jäätmed sisaldavad palju tuha klassi kuuluvaid aineid. Nad sisenevad aeglaselt pinnasesse ja taimed kasutavad neid edasiseks eluks.
Millest sõltub kukkumine?
Pesakonnal on bioloogilises tsüklis veidi erinev tähendus. Aasta jooksul läheb kogu selle maht allapanukihti ja läbib täielik lagunemine. Tuhaelemendid sisenevad biootilist vereringesse palju kiiremini. Kuid tegelikult on pesakond osa bioloogilisest tsüklist juba siis, kui lehed on puul. Allapanu määr sõltub paljudest teguritest: kliimast, ilmast käesoleval ja eelnevatel aastatel ning putukate arvukusest. Mets-tundras ulatub see mitme sentimeetrini, metsades mõõdetakse tonnides. Suurim prügi koguneb metsades kevadel ja sügisel. See näitaja erineb ka sõltuvalt aastast.
Mis puudutab nõelte ja lehtede orgaanilist koostist, siis need läbivad tsükli jooksul samad muutused. Erinevalt allapanust on rohelised lehed tavaliselt rikkad fosfori, kaaliumi ja lämmastiku poolest. Pesakond on tavaliselt kaltsiumirikas. bioloogilisele tsüklile suur mõju mida pakuvad putukad ja loomad. Näiteks lehti söövad putukad võivad seda oluliselt kiirendada. Suurimat mõju tsüklikiirusele avaldavad aga loomad allapanu lagunemise protsessis. Vastsed ja ussid söövad ja jahvatavad allapanu, segunevad mulla ülemiste kihtidega.
Fotosüntees looduses
Taimed saavad päikesevalgust kasutada oma energiavarude täiendamiseks. Nad teevad seda kahes etapis. Esimesel etapil püüavad lehed valgust kinni; teises kasutatakse energiat süsiniku sidumise protsessiks ja orgaaniliste ainete moodustumiseks. Bioloogid nimetavad rohelisi taimi autotroofideks. Need on elu aluseks kogu planeedil. Autotroofidel on suur väärtus fotosünteesis ja bioloogilises tsüklis. Päikesevalguse energia muudetakse nende poolt süsivesikute moodustumise kaudu salvestatud energiaks. Neist kõige olulisem on glükoos. Seda protsessi nimetatakse fotosünteesiks. Teiste klasside elusorganismid saavad päikeseenergiat kasutada taimi süües. Seega ilmub toiduahel, mis tagab ainete tsükli.
Fotosünteesi mustrid
Vaatamata fotosünteesi tähtsusele, pikka aega ta jäi uurimata. Alles 20. sajandi alguses tegi inglise teadlane Frederick Blackman mitu katset, mille abil oli võimalik seda protsessi kindlaks teha. Teadlane paljastas ka mõned fotosünteesi mustrid: selgus, et see algab vähese valgusega, suurenedes järk-järgult valgusvoogudega. See juhtub aga ainult teatud tasemeni, pärast mida valguse võimendamine enam fotosünteesi ei kiirenda. Blackman avastas ka, et temperatuuri järkjärguline tõus koos suurenenud valgusega soodustab fotosünteesi. Temperatuuri tõstmine nõrgas valguses ei kiirenda seda protsessi ega ka valguse tõstmine madalal temperatuuril.
Valguse süsivesikuteks muutmise protsess
Fotosüntees algab päikesevalguse footonite viimisega taimede lehtedes asuvatesse klorofülli molekulidesse. Klorofüll on see, mis annab taimedele roheline värv. Energia püüdmine toimub kahes etapis, mida bioloogid nimetavad Photosystem I ja Photosystem II. Huvitav on see, et nende fotosüsteemide arv peegeldab järjekorda, milles teadlased need avastasid. See on üks teaduse veidrusi, kuna reaktsioonid toimuvad esmalt teises fotosüsteemis ja alles seejärel esimeses.
Päikesevalguse footon põrkab lehes kokku 200-400 klorofülli molekuliga. Sel juhul suureneb energia järsult ja kandub üle klorofülli molekulile. Selle protsessiga kaasneb keemiline reaktsioon: klorofülli molekul kaotab kaks elektroni (need omakorda võtab vastu nn "elektronaktseptor", teine molekul). Ja ka footoni põrkumisel klorofülliga tekib vesi. Tsüklit, mille käigus päikesevalgus muundatakse süsivesikuteks, nimetatakse Calvini tsükliks. Fotosünteesi ja ainete bioloogilise tsükli tähtsust ei saa alahinnata – just tänu nendele protsessidele on hapnik maa peal kättesaadav. Inimese saadud mineraalid – turvas, nafta – on samuti fotosünteesi käigus talletunud energia kandjad.