Концепция естествознания
1. Роль естествознания в развитие общества. Наука, техника, гуманизация
Современная наука возникла в Европе в период 15-17 вв. в период
становления капиталистического способа производства. Наука — это форма
духовной деятельности человека по получению нового знания о природе,
обществе и самом знании. Наука разделена на множество отраслей знания
(частных наук), которые различаются между собой тем, какую сторону
действительности.
По предмету и методу познания можно выделить науки о природе —
естествознание, и обществе — обществознание (гуманитарные, социальные
науки), о познание, мышлении (логика, гносеология и др.). Отдельную группу
составляют технические науки. В свою очередь каждая группа наук может быть
подвергнута более подробному членению. Так, в состав естественных наук
входят механика, физика, химия, биология и др., каждая из которых
подразделяется на научные дисциплины — физическая химия, молекулярная химия
и т.д. Могут быть и другие критерии для классификации наук. Так, по своей
удаленности от практики науки можно разделить на два крупных типа:
фундаментальные, где нет прямой ориентации на практику, и прикладные —
непосредственно решающие практические задачи.
Наука представляет собой продукт развития мысли древних греков. Наука
в древнегреческой культуре представляла собой целостную науку. Зачатки
мышления, идущие в плане частных наук, появились под влиянием Аристотеля и
его школы, таких великих врачей, как Гиппократ, Гален. Но это не нарушало
целостность науки и картины мира. В эпоху христианского средневековья наука
так же разрабатывалась как гармоническое целое. Только в конце средних
веков произошла подмена понятия «наука» понятием «естествознание» Эта новая
наука начала свое триумфальное шествие с эпохи Возрождения, когда была
признана возможность математического описания результатов, полученных
экспериментальным путем. Эта новая форма приобрела столь большое значение,
что Кант оценивал частные науки в зависимости от степени применения в них
математики. Под влиянием экспериментально-математической науки коренным
образом изменилось мировоззрение европейца и усилилось его влияние на
духовную жизнь остального мира. В особенности оно возросло благодаря
подведению строгого строго научного фундамента под возникшую из медицины
технику, которая базировалась до этого исключительно на ремесленном опыте.
С развитием новой науки возникла необходимость более глубокого
разделения ее на специальные дисциплины, для более тщательного и глубокого
изучения отдельных явлений и процессов определенной области
действительности. Естественные науки, получившие свое гражданство с 18 в.,
— это совокупность всех наук, занимающихся исследованием природы. Главные
сферы естественных наук — материя, жизнь, человек, Земля, Вселенная.
Взаимодействие естествознания и общества всегда было непростым.
Сначала науку рассматривали как средство покорения природы. Использование
достижений науки меняло само общество и его жизнь, прежде всего его
экономику. Но начиная со второй половины 20 в. в связи с угрозой ядерной и
биологической войны появилось негативное отношение к науке.
Наука, и в том числе естествознание становиться для общества основой
для практической деятельности. Со временем она становится производительной
силой общества. От развития науки зависит развитие техники — орудий труда,
мастерства, умения. Для современного общества характерна все более
крепнущая связь науки, техники и производства.
В настоящее время все большее значение приобретает гуманистический
аспект науки, складывается особая дисциплина — этика науки. В условиях
научно-технического прогресса особенно актуальны нравственные оценки
научных открытий — можно ли вмешиваться в генное строение человека,
совершенствовать биотехнологию и даже конструировать новые формы жизни?
2. Основные этапы развития естествознания. Революция в науке
Наука представляет собой продукт развития мысли древних греков. Наука
в древнегреческой культуре представляла собой целостную науку. Зачатки
мышления, идущие в плане частных наук, появились под влиянием Аристотеля и
его школы, таких великих врачей, как Гиппократ, Гален. Но это не нарушало
целостность науки и картины мира. В эпоху христианского средневековья наука
так же разрабатывалась как гармоническое целое. Только в конце средних
веков произошла подмена понятия «наука» понятием «естествознание» Эта новая
наука начала свое триумфальное шествие с эпохи Возрождения, когда была
признана возможность математического описания результатов, полученных
экспериментальным путем. Эта новая форма приобрела столь большое значение,
что Кант оценивал частные науки в зависимости от степени применения в них
математики. Под влиянием экспериментально-математической науки коренным
образом изменилось мировоззрение европейца и усилилось его влияние на
духовную жизнь остального мира. В особенности оно возросло благодаря
подведению строгого строго научного фундамента под возникшую из медицины
технику, которая базировалась до этого исключительно на ремесленном опыте.
С развитием новой науки возникла необходимость более глубокого
разделения ее на специальные дисциплины, для более тщательного и глубокого
изучения отдельных явлений и процессов определенной области
действительности. Естественные науки, получившие свое гражданство с 18 в.,
— это совокупность всех наук, занимающихся исследованием природы. Главные
сферы естественных наук — материя, жизнь, человек, Земля, Вселенная —
позволили сгруппировать их следующим образом:
1. физика, химия, физическая химия
2. биология, ботаника, зоология
3. анатомия, физиология, учение о происхождении и развитии, учение о
наследственности
4. геология, минералогия, палеонтология, метеорология, география
5. астрономия вместе с астрофизикой и астрохимией.
Математика, по мнению ряда натурфилософов, не относится к естественным
наукам, но является решающим инструментом их мышления.
Дифференциация научного знания была необходимым этапом в развитии
науки. Частные науки классифицировались с точки зрения их предмета или
метода. В результате, в какой-то степени, утрачивалось понимание истинной
цели науки о мире в целом, а действительности — как единого целого.
Революция в науке — это переворот. Развитие науки долго шло
постепенного, непрерывного накопления знаний, но развитие не сводится
только к простому накоплению знаний. Наиболее радикальные изменения в науке
связаны с научными революциями, которые сопровождаются пересмотром,
уточнением и критикой прежних идей, программ и методов, т.е. всего, что
называется парадигмой науки. В последние десятилетия началась кардинальная
революция, принципиально изменяющая отношение мира человека и мира природы.
В марксистской терминологии — это «научно-техническая революция», по
цивилизационной типологии Тоффлера — это «социо-техническая революция».
Иногда ее называют информационно-компьютерной революцией. Основой этой
революции является создание и развертывание электронно-компьютерной и
биотехнологической технологий. Ее результатом может стать новая
информационная цивилизация.
3. Фундаментальное единство естественных наук. Наблюдение, эксперимент,
теория
Если окружающий нас мир един и образует единое и целостное
образование, то и знание о нем имеет фундаментальное единство. И хотя наука
разделена на дисциплины, но существуют фундаментальные законы отображающие
единство и целостность природы, законы составляющие фундаментальное
единство естественных наук.
Наблюдение — это первоначальный источник информации, но в основе
наблюдений лежит теория, идея.
Эксперимент — важнейший метод эмпирического исследования, для
наблюдения процессов в условиях, меньше всего подверженных воздействию
посторонних факторов. Измерения являются дополнением любого эксперимента.
На теоретической стадии строят гипотезы и теории, открывают законы
науки. Затем гипотезу проверяют экспериментом. Если результаты эксперимента
не совпадают с гипотезой, то опровергается сама гипотеза. Но это возможно
поспешный вывод, проводятся разнообразные эксперименты и их достоверность
зависит от уровня развития науки и техники.
Единство естественных наук подтверждает и междисциплинарные методы
исследования, например системный метод. Хотя системы, встречающиеся в
природе имеют разное строение и разные признаки, но все они
самоорганизующиеся системы, и нельзя противопоставлять живые и неживые
системы, новые результаты проливают свет на проблему возникновения живого
из неживого.
4. Разделение естествознания на научные дисциплины. Структурные уровни
организации материи. Микро, макро, мега мир. Их основные характеристики
В конце средних веков возникло понятия «естествознание» Эта новая
наука начала свое триумфальное шествие с эпохи Возрождения, когда была
признана возможность математического описания результатов, полученных
экспериментальным путем.
С развитием новой науки возникла необходимость более глубокого
разделения ее на специальные дисциплины, для более тщательного и глубокого
изучения отдельных явлений и процессов определенной области
действительности. Естественные науки, получившие свое гражданство с 18 в.,
— это совокупность всех наук, занимающихся исследованием природы. Главные
сферы естественных наук — материя, жизнь, человек, Земля, Вселенная —
позволили сгруппировать их следующим образом:
1. физика, химия, физическая химия
2. биология, ботаника, зоология
3. анатомия, физиология, учение о происхождении и развитии, учение о
наследственности
4. геология, минералогия, палеонтология, метеорология, география
5. астрономия вместе с астрофизикой и астрохимией.
Математика, по мнению ряда натурфилософов, не относится к естественным
наукам, но является решающим инструментом их мышления.
Дифференциация научного знания была необходимым этапом в развитии
науки. Частные науки классифицировались с точки зрения их предмета или
метода.
В философии существует категория материи, которая обозначает
объективную реальность, независимую от восприятия. В физике под понятием
материи понимается любое вещество. Вещество может находиться в твердом,
жидком, газообразном и плазменном агрегатных состояниях. Принципиально
отличное от обычного «вещества» состояние материи в виде поля.
Материальный мир делиться на три сферы: неживая природа, живая
природа, социум. Структурность — внутренняя расчлененность реального мира.
Неживая природа представлена уровнями: субмикроэлементарном,
микроэлементарном, ядерном, атомном, молекулярном, макротел, планет, систем
планет, галактик, систем галактик, метагалактик, Вселенной или мира в
целом. Живая природа имеет свои уровни: доклеточный (ДНК, РНК, белки),
клетки, многоклеточные организмы, виды и популяции, биоценозы, биосфера.
Социум представлен уровнями: индивид, семья, коллективы, социальные группы,
этносы и нации, государство, союзы государств, человечество.
Материя имеет сложное строение, которое можно рассматривать на
нескольких структурных уровнях: на мега уровне материя рассматривается в
виде галактик, на макро уровне материя может представлять собой
определенное тело, например, стол, на микро уровне — этот стол уже
рассматривается как сложная система частиц (молекул, затем — атомов, затем
— элементарных частиц). Таким образом весь материальный мир можно
рассматривать как мега мир — мир галактик, звезд, комет и др. небесных тел,
макро мир — мир окружающих нас вещей, и микро мир — невидимый мир молекул,
атомов и элементарных частиц. При этом мега мир включает в себя микро мир
(галактики состоят из более мелких тел), макро мир включает в себя микро
мир (любое тело состоит из элементарных частиц). Какова структура материи
на уровне меньше чем макро уровень (с размерами меньше 10-16 см) пока не
ясно. В масштабах, превышающих тысячи мегапарсек, Вселенная бесструктурна.
В таких масштабах материя однородна и изотропна, т.е. св-ва везде
одинаковы. С развитием науки познания о материи расширяются и горизонты ее
изучения раздвигаются.
Для описания макро и мега мира используются уравнения и законы
классической физики, которые позволяют определить их положение, скорость,
траекторию и т.д. Но эти уравнения бессильны описать микро мир, для этого
необходима квантовая физика и статистическая физика, описывающая параметры
элементарных частиц вероятностными характеристиками с учетом их волновых
свойств. Распределение и структуру материи на мега уровне изучает
астрофизика, на микро уровне — атомная физика, ядерная, физика элементарных
частиц. Изучает материю на макро уровне физика твердого тела, физика
жидкостей и газов.
5. Развитие взглядов на физическую картину мира. Классическая физика,
электродинамика, квантовая и статистическая физика
Под картиной мира понимается система важнейших принципов и законов,
лежащих в основе окружающего мира. С развитием науки появляются новые
теории, открываются новые законы. Естественно те теории, которые
господствуют в определенный исторический период, формируют физическую
картину мира.
До 19 в. существовала физическая картина мира основанная на
классической физике. В основе ее лежали законы движения, которым
подчинялись и физические тела вокруг и небесные тела. Известно, что Ньютон
создал свой вариант дифференциального и интегрального исчисления для
решения этих задач: мгновенная скорость определялась как первая производная
пути по времени, ускорение — как первая производная от скорости по времени
или вторая производная пути по времени. Благодаря этому были сформулированы
законы динамики и закон всемирного тяготения. Эти законы проверялись
экспериментально. Таким образом в тот период в основе изучения природы
лежали основные законы механики сформулированные Ньютоном:
1. Закон инерции (всякое тело продолжает оставаться в состоянии покоя или
равномерного прямолинейного движения, пока под воздействие внешних сил не
изменит его).
2. Изменение количества движения пропорционально действующей силе и
происходит по прямой по которой действует эта сила.
3. Всякому действию есть равное и противоположно направленное
противодействие.
Такая картина мира давала представление о действующих на тела силах,
но не уточняло причину. Например, — «сила притяжения пропорциональна массам
тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния», но причины тяготения
этим законом не устанавливались.
Электродинамика дополнила существующую картину мира, установив
зависимость между электрическими и магнитными явлениями. Ученые 19 в.
обнаружили, что магнитная стрелка отклоняется над проводником с током, во
вращающемся в магнитном поле замкнутом контуре возникает ток. Было
показано, что существуют не только тела, но и поля (гравитационные,
электромагнитные). После того как объектом изучения стали не только тела,
но и поля картина мира приобрела более сложный характер.
В конце 19-20 вв. были сделаны крупные открытия, коренным образом
изменившие физическую картину мира. Прежде всего это открытия строения
вещества, взаимодействия поля и вещества и законов микромира. Оказалось,
что атом состоит из элементарных частиц, которые подчиняются законам не
классической физики, а квантовой механики и статистической физики. Кроме
того было обнаружено, что элементарные частицы обладают не только
корпускулярными свойствами, но и волновыми. Так было установлено, что между
веществом и полем нет непроходимой границы. Для объяснения процессов
микромира была создана квантовая механика. Квантовая механика не дает
однозначных ответов, а определяет лишь вероятность того или иного
результата. Ее главное открытие — вероятностный характер предсказаний.
Например вероятность нахождения электрона в определенном месте равняется
квадрату модуля волновой функции, которая описывает волновые свойства
частиц. Статистическая физика изучает свойства сложных систем и связь со
свойствами отдельных частиц. В ней используются методы рассматривающие
распределение частиц по скоростям с помощью функций распределения, которая
определяет вероятность определенной скорости для частицы. Таким образом с
развитием науки физическая картина мира становится все сложнее и
приобретает вероятностный характер.
6. Пространство и время. Понятие состояния. Принципы симметрии. Законы
сохранения
Пространство и время это формы существования материи. Представления об
этих понятиях изменялось по мере достижений науки. До появления теории
относительности их считали независимыми (ньютоновские представления), потом
поняли, что они органически связаны друг с другом. Согласно Ньютону
пространство и время абсолютны, т.е. св-ва не меняются со временем и не
зависят от распределения в-ва, время во всех точках течет равномерно и
одинаково. Распределение в-ва в таком пространстве и его движение
описывается законом всемирного тяготения. Это пространство называется
евклидовым или линейным. Положение тела в пространстве определяется тремя
координатами x, у, z, но для описания движения необходимо ввести четвертую
координату — время, координаты пространства и время рассматриваются
независимо. Процессы рассматриваются обратимые, т.е. знак этого параметра
(времени) может меняться на обратный. Для классической механики характерна
симметрия процессов во времени, которая выражается в обратимости времени.
Т.е. выходит, что время не влияет на процессы, что не соответствует
действительности (с течением времени неизбежно протекают различные
необратимые физические процессы).
Все эти положения о времени и пространстве остаются верными в
относительно небольших по астрономическим масштабам областях пространства и
для относительно коротких по этим меркам отрезков времени. Но когда речь
заходит об описаниях Вселенной в целом или ее части, или в условиях сильных
полей тяготения, то эти представления перестают соответствовать
действительности.
Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что реальное
пространство во Вселенной неэвклидово, геометрия его меняется со временем,
а время течет с разной скоростью в разных точках Вселенной. Понятия
пространства и времени соединены в единое понятие пространственно-временной
непрерывности. В этом случае состояние любого тела описываются тремя
пространственными координатами и четвертой координатой — временной.
Самой простой симметрией является — однородность и изотропность
пространства. Это проявляется в том, что любой физический прибор работает
одинаково в любой точке пространства если не меняются окружающие физические
условия. Т.е. физические законы инвариантны (неизменны) относительно
перемещений и поворотов. Еще одна важная симметрия — однородность времени.
Все физические процессы протекают одинаково, когда бы они не начались. Но
эта симметрия нарушается в слабом распаде некоторых элементарных частиц. И
хотя эти нарушения очень малы, они играют важную роль в физике элементарных
частиц, т.к. приводят к абсолютному различию между частицами и
античастицами. Существует кроме того зеркальная симметрия. Так существует
зеркальная симметрия строения молекул.
Но самую важную симметрию открыл Эйнштейн, обнаружив всеобщность
пространственно-временной симметрии. Т.е. все физические, химические,
биологические явления не изменяются при поворотах поворот означает такое
изменение координат, когда не изменяются расстояния между точками
постоянство распространения света при повороте. Так все симметрии выше
названные были объединены в одну всеобщую — все явления природы инвариантны
относительно сдвигов, поворотов и отражений в четырехмерном пространстве-
времени.
Важнейшим следствием симметрии состоит в том, что каждой симметрии
соответствует свой закон сохранения. В частности закон сохранения энергии
есть строгое следствие однородности времени (полная энергия замкнутой
системы тел остается неизменной), а закон сохранения импульса (в замкнутой
системе геометрическая сумма импульсов остается постоянной) следует из
однородности пространства. То же относится к законам сохранения вещества и
заряда. (В замкнутой системе алгебраическая сумма электрических зарядов
остается постоянной).
7. Микро мир. Проявление волновых и корпускулярных свойств микрочастиц.
Дуализм в микромире
Невидимый нам микромир состоит из мельчайших частиц материи —
электронов, протонов, нейтронов, атомов и т.д. Свойства объектов этого мира
совершенно не похожи на свойства привычного макромира. Свойства микрочастиц
невозможно описать с позиций классической физики, поэтому возникла
принципиально новая физика — квантовая механика.
Изучение свойств света показал, что он обладает сложной природой,
сочетающей в себе волновые и корпускулярные свойства. Такие явления как
дифракция и интерференция объясняются волновыми свойствами, а фотоэффект —
корпускулярными. В результате возник так называемый корпускулярно-волновой
дуализм, распространенный на мельчайшие частицы вещества — электроны,
протоны, нейтроны и т.д. Движущийся по орбите электрон можно рассматривать
с одной стороны как корпускулу (с определенной массой, энергией, зарядом) и
с другой стороны — как некую волну, длина которой укладывается на длине
орбиты целое число раз. При изучении явления фотоэффекта было установлено,
что с поверхности электронами выбиваются порции света, свет излучается и
поглощается квантами света, названными фотонами. Энергия фотона с одной
стороны определяется формулой Е=hy (y - частота, h - постоянная Планка). С
другой стороны энергия может быть выражена через массу m и скорость света c
— Е=mс2. Т.е. фотон также как и электрон имеет и волновые свойства и
корпускулярные, но не имеет заряда. Масса покоя фотона равна нулю, т.е. он
не существует в состоянии покоя.
Можно предположить, что всякому телу с массой m, движущемуся со
скоростью ( соответствует длина волны (= h/m(. Но для тел со значительной
массой длина волны ничтожно мала и ее невозможно зафиксировать.
Таким образом деление материи на две формы — вещество и поле довольно
условно. Частицы вещества обнаруживают признаки волны и корпускулы, и
электромагнитное излучение обнаруживает те же свойства. Это явление
получило название дуализма волны и корпускулы. Экспериментально дуализм
подтверждается, например, дифракцией электронов на кристалле никеля, т.е.
частица проявляет волновые св-ва.
8. Особенности описания законов микромира. Волновая функция. Принцип
суперпозиций, неопределенности и дополнительности
Особенностью микромира, состоящего из мельчайших частиц (электронов,
протонов, нейтронов, атомов, и т.д.) является то, что им присущи как
волновые так и корпускулярные свойства, те проявление дуализма. Вследствие
этого невозможно применение понятий и принципов классической физики.
Попытки описать и объяснить объекты микромира привели к появлению квантовой
механики, т.к. классическая физика не в силах была объяснить дуализм волны
и частицы. Кроме того особенностью микромира является то, что при
экспериментах неизбежно макроприборы и инструменты исследователей влияют на
микрообъекты. Подобное воздействие не учитывается в классической физике.
Принципиальное отличие описания законов микромира заключается в
вероятностном характере этих описаний. Это означает, что нельзя точно
предсказать место нахождения, например, электрона. Можно оценить лишь его
шансы попадания в определенную точку. Поэтому применяются методы и понятия
теории вероятности. В квантовой механике любое состояние описывается с
помощью «волновой функции» ((), но в отличие от классической физики эта
функция определяет параметры будущего состояния не достоверно, а с
определенной степенью вероятности. Например, говорят о вероятностном
распределении значений, а не о конкретных значениях. Значение волновой
функции становиться ясным из утверждения: вероятность нахождения электрона
в определенном месте равно квадрату модуля волновой функции. В основе
квантовой механики лежит принцип неопределенности.
Суть принципа неопределенности заключается в следующем: если мы
стремимся определить одну из сопряженных величин, например, координату x,
то значение другой величины, нельзя определить с такой же точностью.
Принцип неопределенности выражается формулой (x (p =h, где произведение
приращения координаты и приращение импульса равно постоянной Планка. Или
словами: невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и
импульс микрочастицы. Произведение их неточностей не должно превышать
постоянную Планка.
В силу кажущейся противоречивости корпускулярных и волновых свойств
датский физик Нильс Бор выдвинул принцип дополнительности для квантово-
механического описания микрообъектов, согласно которому корпускулярная
картина такого описания должна быть дополнена волновым альтернативным
описанием. Опираясь на этот принцип возможно понять и объяснить многие
явления, например дифракцию электрона на никелевом кристалле.
Принцип суперпозиций заключается в следующем: в каждой точке результат
от действия нескольких источников (например, волн) в любой момент равен
сумме результатов действий каждого источника в отдельности.
9. Виды взаимодействий. Вещество и поле. Виртуальные частицы
Атомистическая концепция опирается на представление о дискретном
строении материи, т.е. материя состоит из мельчайших частиц, которые на
определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими
частицами считались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки.
Между элементарными частицами существуют взаимодействия. По
интенсивности это взаимодействие подразделяется на сильное,
электромагнитное, слабое и гравитационное.
1. Сильное взаимодействие наиболее интенсивно и обуславливает связь между
протонами и нейтронами в атомных ядрах.
2. Электромагнитное взаимодействие менее интенсивное и определяет связь
между электронами и ядрами в атоме, и между атомами в молекуле.
3. Слабое взаимодействие наименее интенсивно, оно вызывает медленно
протекающие процессы с элементарными частицами, например, распад
квазичастиц.
4. Гравитационное взаимодействие происходит на чрезвычайно коротких
расстояниях и определяется малыми массами частиц, что дает малый эффект,
который возрастает с увеличением массы.
В квантовой механике каждой частице вещества соответствует волна, т.е.
каждой частице можно сопоставить свое поле. А если этих частиц много,
например, электронов с одинаковыми энергиями и импульсами, то и волны
одинаковы. И это значит, что эта среда является полем. Это поле можно
описать математически с помощью функции координат и времени. Например фотон
описывается электрическим полем Е(x, y, z, t) и магнитным полем H(x, y, z,
t). Фотон — это квант электромагнитного поля, а электрон и позитрон —
электрон-позитронного поля. Эти поля переменные, но существуют и постоянные
(статические) электрические и магнитные поля, например магнитное поле
Земли. Но все это разные формы проявления электромагнитного поля. Кроме
того в природе существует гравитационное поле, создаваемое материальными
телами. Гравитационное поле пропорционально массе. Гравитационные волны
пока не обнаружены.
Элементарные частицы (кроме фотонов) могут подразделяться по типам
взаимодействия: на адроны, для которых характерно сильное взаимодействие и
лептоны, для которых характерно слабое и электромагнитное взаимодействие.
По массе частицы делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени
жизни они делятся на стабильные (электрон, фотон, протон и нейтрино),
квазистабильные и нестабильные частицы.
По теории относительности энергия может переходить в массу, такие
переходы называются виртуальными. Таким виртуальным переходам сопутствует
рождение виртуальных частиц на короткое время. Эти процессы происходят в
физическом вакууме — состоянии с наименьшей энергией и отсутствием
вещества. Если приложить достаточно энергии, из вакуума можно рождать
частицы, т.к. энергия может переходить в поле, а поле — в частицы.
Поскольку Е=mс2, то частица с массой m рождается на время h/mс2. Для
протона это составляет около 10-34 с. Воздействие виртуальных частиц не
велико, но чем меньше исследуемые частицы, тем значительней воздействие на
них виртуальных частиц.
10. Связанные системы микрообъектов. Ядро, атом, молекула
Характер связанной системы микрообъекта, как и любой системы, зависит
не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия.
Именно такое взаимодействие определяет связанность и целостность системы. С
уровнем достигнутых знаний менялось и представления о структуре вещества. В
качестве первичной системы микрообъектов сначала рассматривались молекулы
как наименьшие единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы
постепенно совершенствовались и уточнялись. Существовало мнение, что
структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно
заряженных атомов или групп атомов. Но это было не совершенное суждение. В
дальнейшем исследователи установили, что при образовании структур различные
атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг
друга, так в результате получается целостность или связанная система.
Позднее структуру молекул стали связывать с понятием валентности элемента.
Дальнейшим шагом в этом направлении было изучение того, какую роль в
образовании молекул из атомов играет степень напряженности и энергии с
которой они связываются друг с другом. Из всего этого необходимо уяснить
главное: структура с точки зрения системного подхода представляет собой
упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря
которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической
системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия атомов
определяет новые целостные свойства молекулы.
Резерфорд положил основу ядерной модели атома как целостной системы.
Она заключается во взаимодействии ядра атома, находящегося в центре атома и
электронов, вращающихся вокруг ядра. Ядро состоит из положительно
заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов в атоме
равно числу протонов в ядре. Т.к. масса электронов в 2000 раз меньше массы
протонов или нейтронов, поэтому вся масса атома сосредоточена в ядре.
Разные электроны связаны с ядром в разной степени, некоторые из них атом
легко теряет, при этом система переходит в другое состояние, атом
становиться положительным ионом. Приобретая дополнительный электрон, атом
превращается в отрицательный ион. При поглощении электромагнитного
излучения, например света, атом возбуждается и совершает квантовый переход
с нижнего уровня на более высокий. В связи с этим говорят об энергетических
уровнях атома, которые определяют состояние атома как системы.
Атомное ядро как целостная система существует благодаря сил
притяжения, связывающих протоны и нейтроны в атомном ядре. Эти силы
называются ядерными или сильным взаимодействием. Так как по способности к
сильному взаимодействию протон и нейтрон не отличаются друг от друга,
поэтому их рассматривают как одну частицу — нуклон. Сильное взаимодействие
действует на малых расстояниях (10-15 м) и превосходит электромагнитное и
гравитационное, но оно уменьшается с увеличением расстояния.
11. Достижения атомной и ядерной физики
Атомная физика возникла на рубеже 19-20 вв. на основе исследований
оптических спектров. Она занималась изучением строения атома и изучением
его свойств. Была разработана количественная теория атома. Последующие
исследования свойств атомов и электронов завершились созданием квантовой
механики — физической теории, описывающей законы микромира. Квантовая
механика является теоретическим фундаментом атомной физики, а она в свою
очередь выступает опытным полигоном. Атомной физикой установлены оптические
спектры атомов различных химических элементов, связь закономерностей
спектров с системой энергетических уровней, подтвердила то, что внутренняя
энергия атома квантуется и изменяется дискретно. Вследствие изучения
радиоактивности произошло выделение ядерной физики, изучающей
взаимопревращение элементарных частиц — физика элементарных частиц. Атомная
физика добилась огромных успехов в изучении процессов, происходящих в
атомных ядрах и взаимопревращение элементарных частиц. Но эта дисциплина
изучает ту часть, в которой не происходит изменение с самим ядром, а только
с электронной оболочкой. Ядерная физика изучает превращения атомных ядер,
происходящие как в результате радиоактивных распадов, так и в результате
различных ядерных реакций. Достижения ядерной физики немыслимы без
использования достижений физики и техники ускорителей заряженных частиц.
Именно создание различных ускорителей элементарных частиц помогли
исследователям во многих проблемах изучения атомных ядер и их превращений.
Важной частью ядерной физики является нейтронная физика, занимающаяся
ядерными реакциями, происходящими под действием нейтронов. Современная
ядерная физика распадается на две взаимосвязанные ветви — теоретическую и
экспериментальную ядерную физику. Теоретическая работает с моделями атомных
ядер и ядерных реакций. Экспериментальная ядерная физика использует богатый
арсенал современных исследовательских средств, включая ядерные реакторы
(как источники мощных пучков нейтронов), ускорители заряженных частиц (как
источник ускоренных электронов, протонов, ионов, мезонов и т.д.),
разнообразные детекторы частиц. Ядерно-физические исследования имеют
огромное чисто научное значение, позволяя глубже проникать в тайны природы.
В то же время эти исследования важны и для практического использования в
ядерной энергетике, медицине, в ядерных реакторах на ледоколах, для
изучения ядерных реакций для использования в мирных целях, для синтеза
материалов.
13. Статистические системы и характеристики их законов. Средние величины.
Понятие энтропии. Флуктуации
Законы классической механики имеют универсальный характер, т.е. они
относятся ко всем без исключения изучаемым объектам. Их особенностью
является то, что их предсказания достоверны и однозначны. Но законы,
действующие для статистических систем (систем с множеством объектов) не
являются однозначными, а только вероятностными. Но это не является
свидетельством недостоверности, т.к. квантовая механика показала, что
существование неопределенности корениться в самом фундаменте материи (см.
8). По этой причине эти законы носят название вероятностных, или —
статистических, т.к. информация носит статистический характер. Эта исходная
информация об объектах исследования собирается, например, методом
длительных наблюдений, затем анализируется методами статистики и выводиться
какое-то среднее значение определяемой величины. Статистические методы
используются для изучения свойств сложных систем — газов, жидкостей,
твердых тел и их связь со свойствами отдельных частиц — атомов, молекул.
Для описания больших статистических систем используются
среднестатистические значения параметров, отвлекаясь от конкретных значений
этих параметров для каждой частицы, например определяется средняя энергия
для данной системы, вместо определения энергий каждой молекулы. Большое
значение для статистической физики имели работы американского физика
Гиббса, который дал общий метод вычисления усредненных величин для
произвольной системы. Но на практике исследователи, использующие
усредненные величины какого-либо параметра, имеют дело с флуктуациями.
Флуктуации это — небольшие нерегулярные, хаотические изменения какой-либо
физической величины. Обычно эти отклонения в физике связывают с тепловыми
или квантовыми явлениями. Например, в квантовой механике температура
одноатомного газа определяется кинетической энергией атомов. Но из-за
столкновений атомов энергия каждого из них не остается постоянной, а все
время меняется. Если взять большой объем, то энергия, усредненная по всем
атомам, будет практически постоянна. Если же газа в этом объеме мало, то
флуктуации энергии будут значительны. Величина флуктуации обратно
пропорциональна корню квадратному из числа частиц N.
Если статистическая физика рассматривает теплоту как беспорядочное
движение огромного числа молекул, то термодинамика не анализирует
внутреннее строение систем, а исследует физические процессы преобразования
тепловой энергии. Так первый закон термодинамики утверждает, что всякое
тело обладает внутренней энергией U, причем она может уменьшиться, если
тело совершило работу А, и увеличиться, если ему сообщают теплоту Q: (U = Q-
А.
При формулировании второго закона термодинамики была введена
специальная функция S, которую назвали энтропией. Сформулирован он так: при
самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия
всегда возрастает. Физический смысл энтропии по мнению австрийского физика
Больцман — мера беспорядка в системе. Полный порядок соответствует минимуму
энтропии, любой беспорядок ее увеличивает. Максимальная энтропия
соответствует полному хаосу. Третий закон термодинамики гласит о том, что
энтропия стремиться к нулю, при стремлении температуры к нулю. Эти три
закона термодинамики справедливы для любых систем и веществ: твердых,
жидких, газообразных, плазмы, металлов, полупроводников, диэлектриков и
т.д.
14. Развитие взглядов на строение солнечной системы от Птолемея до Кеплера.
Планета Земля
15. Мега мир. Космологические модели Вселенной. Стандартные модели эволюции
Вселенной. Реликтовое излучение
Если атомистические взгляды на развитие систем сводят все к свойствам
мельчайших частиц материи из которых состоит систем, то системные и
эволюционные взгляды обращают большее внимание на характер взаимодействий
элементов. Существуют различные гипотезы эволюции Вселенной. Вселенную как
единое целое изучает наука космология.
Космологическая модель Вселенной базируется на общей теории
относительности (уделяя внимание кривизне четырехмерного
пространства—времени), на важнейших открытиях внегалактической астрономии
(таких как явление «разбегания» галактик), на теоретических доказательствах
того, что Вселенная, заполнена тяготеющим веществом, не может быть
стационарной и периодически сжимается и расширяется.
Существуют различные модели Вселенной, но общим для них является
представление о нестационарном изотропном и однородном характере ее модели.
Нестационарность означает, что Вселенная либо расширяется, либо сжимается,
но не может находиться в стационарном положении. «Разбегание» галактик по-
видимому свидетельствует о расширении, хотя существуют модели где это
свидетельствует о «пульсации» Вселенной. Изотропность указывает на
независимость ее свойств от направлений. Однородность характеризует
распределение вещества во Вселенной.
Существуют открытая модель, в которой кривизна отрицательна или равна
нулю, и замкнутая модель с положительной кривизной. В открытой модели
Вселенная непрерывно увеличивается, что соответствует бесконечной
Вселенной. В замкнутых моделях Вселенная оказывается конечной, но столь же
неограниченной, т.к. двигаясь по ней нельзя достичь какой-либо границы.
Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что начальная
температура превышала 1013 градусов по Кельвину (0о по К=-273оС) гигантская
плотность материи достигала 1093 г/см2. В этих условиях был неизбежен
взрыв, поэтому эту теорию называют теорией «большого взрыва».
Предположительно это произошло 15-20млрд лет назад и сопровождалось сначала
быстрым, потом умеренным расширением и постепенным охлаждением Вселенной.
Когда температура упала до 6млрд градусов по Кельвину, первые 8 секунд
после взрыва там существовала в основном смесь электронов и позитронов.
Пока эта смесь находилась в тепловом равновесии, между частицами
происходили столкновения, в результате чего происходило непрерывное
превращение вещества в излучение и наоборот, излучения в вещество.
Вследствие этого между веществом и излучением сохранялась симметрия.
Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и
понижения температуры. На этой стадии возникли более тяжелые ядерные
частицы — протоны и нейтроны. Но самое гласное было нарушение симметрии —
произошел перевес вещества над излучением (один протон на миллиард
фотонов). Это послужило основой для дальнейшей эволюции и возникновения
разнообразных материальных образований, начиная от атомов, молекул,
кристаллов, и кончая планетами, звездами и галактиками.
В момент, когда возникли нейтральные атомы водорода и гелия, вещество
сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое
пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде
реликтового излучения. Это явление находится в полном соответствии с
моделью «горячей» Вселенной.
16. Химические элементы. Состав вещества и химические системы
Для определения свойств вещества необходимо установить состав
вещества, т.е. из каких элементов оно состоит. Свойства простых веществ и
химических соединений зависят от их носителей, которые называют элементами.
В современном представлении химические элементы представляют собой
разновидности изотопов, т.е. атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и
отличающимися по массе. Здесь мы видим аналогию с концепцией атомизма. Т.е.
свойства вещества зависят от его мельчайших составных частей — атомов. Но
это первый концептуальный уровень исследования химических свойств веществ.
Второй уровень связан с изучением структуры вещества, т.е. взаимодействия
элементов. (Например, химический элемент углерод может существовать как
алмаз и как графит.) Третий уровень исследований химических веществ —
исследование внутренних условий протекания химических процессов
(температура, давление, скорость реакции и т.д.).
Великая заслуга Менделеева состоит в том, что открыв периодический
закон, он заложил фундамент для научных химических знаний. Он показал, что
химические св-ва находятся в периодической зависимости от атомного веса.
Дальнейшее развитие науки позволило уточнить эту зависимость от атомного
номера, определяемого зарядом ядра. Наука позволила определить различие
между химической смесью и химическим соединением, которое должно обладать
постоянным составом, в отличие от смеси. Наименьшей частицей, обладающей
свойствами какого-либо вещества являются молекулы. Например молекула
простого вещества кислорода О2 образована из двух атомов и имеет все
свойства кислорода как химического вещества (атомы кислорода имеют
несколько другие св-ва). Каким бы путем любое вещество не было получено,
оно имеет постоянные св-ва. Долгое время закон постоянства химического
состава казался истиной, но потом были открыты химические соединения
переменного состава в форме растворов и сплавов. Это и соединения
полученные в разных условиях. Это связано с характером связей атомов в
молекулах. К молекулам можно отнести различные квантово-механические
системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и др. макромолекулы) Таким
образом химическое соединение — это не только сложное вещество, состоящее
из нескольких элементов, но оно может состоять и из одного элемента.
Рассматривая химические системы необходимо знать, что ее свойства
зависят не только от состава и строения элементов, но и от их
взаимодействия. Поэтому при изучении химических систем ученым приходиться
изучать и их структуру. Например, в такой химической системе, как молекула,
именно характер взаимодействия составляющих ее атомов определяет св-ва
молекулы.
С другой стороны часто свойства химической системы зависят от условий
получения. Условия могут оказать влияние на характер и результат химических
реакций. Это и термодинамические факторы (температура, давление) и
использование катализаторов.
17. Особенности биологического уровня организации материи. Молекулярно-
генетическое строение биологических структур
Особенностью организации живой материи является ее многоуровневая
структура, в которой первый уровень — организменный уровень, занимают живые
организмы, одноклеточные и многоклеточные. Этот уровень называется
организменным, т.к. рассматриваются отдельные организмы, без учета их
связей и взаимодействий с другими. Минимальной живой системой на этом
уровне является клетка.
Остальные уровни организации живого являются надорганизменными, т.е.
они включают не только организмы, но и связи и взаимодействия между собой и
окружающей средой:
1. Первый надорганизменный уровень — популяционный уровень. Этот уровень
включает в себя совокупность особей одного вида, которые имеют единый
генофонд и занимают единую территорию. Такие совокупности или системы
живых организмов составляют единую популяцию. Популяция рассматривается
как единая система, в которой идут непрерывные взаимодействия между собой
и окружающей средой. Благодаря этому появляется способность популяции к
трансформациям и развитию.
2. Второй надорганизменный уровень составляют различные системы популяций,
которые называют биоценозами. Они являются более обширными объединениями
живых существ и в значительно большей степени зависят от небиологических
факторов развития.
3. Третий надорганизменный уровень организации содержит в качестве
элементов разные биоценозы и в еще большей степени зависит от
многочисленных земных условий (географических, климатических,
гидрологических, атмосферных и т.д.). Академик Вернадский назвал этот
уровень биогеоценозом.
4. Четвертый надорганизменный уровень организации возникает из объединения
самых разнообразных биогеоценозов и называются биосферой.
Представление о молекулярно-генетическом уровне органической материи
базируется на клеточной теории строения живых тел, на исследованиях
строения клетки, белков и аминокислот. Ученые выяснили, что белки состоят
из 20 аминокислот, которые соединены длинными полипептидными связями. Хотя
в состав белков человеческого организма входят все 20 аминокислот, но
совершенно необходимы для него 9 из них. Остальные, по-видимому
вырабатываются самим организмом. Характерная особенность аминокислот
человеческого организма то, что они левого вращения (хотя в принципе
существуют и правого вращения), и объяснению этому пока нет. Если молекулы
неорганических веществ построены симметрично, то важнейшим свойством всей
живой материи является их молекулярная асимметричность. Пастер считал, что
поскольку живое возникает из неживого, то необходимым предварительным
условием для этого процесса должно стать превращение симметричных
неорганических молекул в асимметричные. Такое превращение могло быть
вызвано различными космическими факторами. Наряду со структурой белка
интенсивно изучается механизм наследственности и воспроизводства живых
систем. Наиболее важным на этом пути было выделение из состава ядра
нуклеиновой кислоты, а из них ДНК и РНК. А позднее было открыто, что ДНК
несет в себе наследственную информацию. ДНК является материальным носителем
наследственной информации, а функционально гены ответственны за сохранение
и передачу наследственной информации. Все гены разделяются на
«регуляторные», кодирующие структуру белка, и, «структурные», кодирующие
синтез метаболитов.
18. Концепция эволюции в биологии. Дарвин — основоположник теории эволюции
Понятие эволюции большей частью отождествляется с развитием. Говорят
об эволюции Вселенной, геологической эволюции, об эволюции живой природы.
Во всех случаях под эволюциях понимают процесс длительных, постепенных,
медленных изменений, которые в конечном итоге приводят к качественным
изменениям, завершающимися возникновением новых материальных систем,
структур, видов, форм. Именно такой смысл придается понятию эволюции в
теории Дарвина.
Идеи о постепенном и непрерывном изменении всех видов растений и
животных и то, что эволюция живых организмов происходит под направляющим
влиянием условий окружающей среды высказывались и до Дарвина. И хотя он
признавал групповую изменчивость под влиянием внешних факторов, но считал,
что только случайные индивидуальные изменения, оказавшиеся полезными, могут
передаваться по наследству и тем самым влиять на процесс дальнейшей
эволюции.
Дарвин сформулировал основные принципы эволюции:
1. Изменчивость является неотъемлемым свойством живого.
2. Внутренняя противоречивость в развитии живой природы. Оно состоит в том,
что, с одной стороны, все виды организмов имеют тенденцию к размножению в
геометрической прогрессии, а с другой стороны — выживает и достигает
зрелости лишь небольшая часть потомства.
3. Принцип естественного отбора, играющий фундаментальную роль в теории
Дарвина.
19. Понятие о биосфере. Эволюция представлений о биосфере. Концепция
Вернадского
Биосфера — это система биогеоцензов. Представление о биосфере менялось
с развитием науки, но оставалось главное — целостная система живой природы
и взаимодействие живых систем со средой их обитания.
Первоначально понятие биосфера подразумевалась только совокупность
живых организмов, обитающих на нашей планете, и зависимость живой природы
от сил неорганической природы.
С развитием науки было обнаружено огромное влияние живой природы на
окружающуюся среду. Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и
неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на
окружающие их физические, химические и геологические факторы находила
подтверждения в научных исследованиях. Так, состав морской воды во многом
определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной
почве, значительно изменяют их структуру. Живые организмы влияют и на
состав атмосферы. Эти примеры свидетельствуют о наличие обратной связи
между живой и неживой природой, в результате чего живое вещество в
значительной мере меняет облик нашей Земли.
Таким образом биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой
природы, от которой она с одной стороны зависит, с другой стороны — влияет
на нее. В полной мере эти факторы учитывает концепция Вернадского.
Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе —
совокупности живых организмов. Сюда же включался и человечество,
воздействие которого на геохимические процессы отличается особой
интенсивностью и воздействием на остальную живую природу. Непрерывный
процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов,
оказывает влияние на всю биосферу в целом, в том числе и на почвы, и на
подземные и наземные воды и т.д. Еще большее влияние оказывает результаты
разумной деятельности человечества. Разум и труд человека превращается в
геологическую силу планетарного масштаба. Вводится понятие ноосферы — сферы
разума. Вернадский считал ноосферу новым геологическим явлением на нашей
планете, когда человек становиться крупнейшей геологической силой, и со
временем ноосфера все больше и больше будет определять эволюцию биосферы в
целом. Например, при переходе от биосферы к ноосфере все сильнее
проявляется такой мощный геохимический фактор, как постоянное увеличение
зеленого живого вещества в биосфере, получаемого при увеличении посевных
площадей и интенсификации земледелия. В результате искусственного отбора
новых сортов растений и пород животных ускориться процесс эволюции. По-
видимому процесс перехода к ноосфере начался еще сотни тысяч лет назад,
когда человек овладел огнем и стал изготавливать орудия труда, приручать и
выращивать новые породы животных и сорта растений, благодаря чему получил
огромное преимущество перед животными. Человек стал менять окружающий мир и
создавать для себя новую природу.
20. Самоорганизация систем. Синергетика
Концепция самоорганизации систем все больше распространяется не только
в естествознании, но и в социально-гуманитарных науках. Поэтому концепция
самоорганизации становиться парадигмой исследования широкого класса систем.
(Под парадигмой подразумевают фундаментальную теорию, которую применяют для
объяснения широкого спектра явлений). Существуют междисциплинарные
парадигмы, примерами которых являются кибернетика и синергетика,
описывающая самоорганизацию систем.
Одним из первых подходов к изучению самоорганизации систем в 18 в.
была экономическая теория Смита, который считал, что спонтанный порядок на
рынке является результатом взаимодействия различных устремлений, целей и
интересов многочисленных участников. Именно такое взаимодействии приводит к
установлению на рынке равновесия между спросом и предложением.
Аналогичные идеи относительно самоорганизации норм нравственности в
обществе высказывали в 18 в. шотландские моралисты, которые считали, что
принципы нравственного поведения людей не создаются правителями и
политиками, а формируются медленно и постепенно в ходе самоорганизации
людей под влиянием изменяющихся условий жизни.
Если рассматривать системы термодинамические, то из второго начала
вытекает, что система постепенно эволюционирует в сторону возрастания
энтропии, т.е. в сторону беспорядка. Но это справедливо для закрытой
системы. Процессы самоорганизации могут протекать в открытых системах, т.е.
системах которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и
информацией. При определенных условиях в открытых системах могут возникнуть
процессы самоорганизации в результате получения новой энергии и вещества
извне, или рассеяния использованной системой энергии. Таким образом ключ к
пониманию процессов самоорганизации содержится в изучении взаимодействия
системы с окружающей средой.
Автор самого термина «синергетика» немецкий физик Хакен, исследовавший
механизмы процессов происходящих в твердотельных лазерах. Он выяснил, что
частицы, составляющие активную среду резонатора, под воздействием внешнего
светового поля начинают колебаться в одной фазе. В результате этого между
ними устанавливается когерентное, ли согласованное взаимодействие, которое
приводит в конце концов к коллективному поведению (т.е. самоорганизации).
В последние десятилетия получил широкое распространение системный
метод изучения, заключающийся в изучении не отдельных предметов и
процессов, а всей целостной системы в форме комплексных и междисциплинарных
исследований. И кибернетика и синергетика развиваются в этом русле, изучая
важнейшие аспекты динамической устойчивости, самоорганизации и
возникновения новых системных качеств. С этой точки зрения кибернетика
отличается от синергетики тем, что всякое нарушение в самоорганизующейся
системе через отрицательную обратную связь корректируется управляющим
устройством. В синергетике в противоположность кибернетики исследуются
механизмы возникновения новых состояний, структур и форм в процессе
самоорганизации, а не сохранения и поддержания старых форм. Именно поэтому
она опирается на принцип положительной обратной связи, когда изменения
возникшие в системе, не подавляются или корректируются, а накапливаются и
постепенно приводят к разрушению старой и возникновению новой системы.
Таким образом самоорганизующиеся системы — это сложные открытые
системы, неравновесные (находящиеся вдали от точки термодинамического
равновесия). Полная энергия E такой системы состоит из свободной энергии F
и деградированной энергии, представляющей собой отработанную энергию
(которую нельзя использовать для совершения какой-либо работы) и которая
характеризуется энтропией S и температурой по Кельвину Е=F+ST.
Согласно второму закону термодинамики, энтропия в замкнутой системе
все время возрастает и стремиться к максимальному значению. Следовательно
по степени возрастания энтропии можно судить об эволюции системы и о
времени ее изменения. И второй закон термодинамики можно сформулировать
так, замкнутая система стремиться к достижению наиболее вероятного
состояния, заключающегося в ее максимальной дезорганизации (или
самоорганизации с отрицательным знаком).
Очевидно, что для объяснения процессов самоорганизации необходимо
рассматривать открытые системы. Поскольку между веществом и энергией
существует взаимосвязь, поскольку система в ходе эволюции система
производит энтропию, которая однако не накапливается, а рассеивается в
окружающей среде. Вместо нее из среды поступает свежая энергия и вследствие
такого обмена энтропия система может не возрастать, а оставаться постоянной
или уменьшаться. Отсюда ясно, что открытая система не является равновесной,
т.к. протекают непрерывные процессы обмена энергией. В конечном итоге
прежняя взаимосвязь между элементами (т.е. структура системы) разрушается,
а между элементами возникают новые когерентные (согласованные) отношения,
приводящие к коллективному поведению ее элементов. Так схематически можно
описать процессы самоорганизации в открытых системах Самоорганизация
выступает как источник эволюции системы, так как она служит началом
процесса возникновения качественно новых и более сложных структур в
развитии системы.
Поскольку флуктуации представляют собой случайные отклонения системы
(т.е. являются случайными факторами самоорганизации), то в критической
точке развития систем может существовать несколько путей дальнейшей
эволюции, что математически выражают термином «бифуркация», означающем
раздвоение или разветвление. Какой путь эволюции выберет система в
значительной мере зависит от случайностей (например, от флуктуаций), но
если путь определен, то дальнейшее подчиняется законам. Таким образом
динамику развития систем следует рассматривать как единое целое двух
взаимно дополняющих сторон единого процесса развития — случайности и
необходимости.
Фундаментальное единство естественных наук. Наблюдение, эксперимент,
теория. Разделение естествознания на научные дисциплины
1. Естественные науки — это науки, складывающиеся в определенную систему
знаний о природе. Их объединяют по предмету и методу познания. Но что
является основой их фундаментального единства, что объединяет все
естественные науки в целостную систему естествознания?
Упрощенно рассмотрим ситуацию когда представителям двух естественных
наук, физикам и химикам, предложено исследовать образец неизвестного
вещества. Каждая из этих наук обладает своими методиками и методами
исследований: физики будут определять физические параметры образца (вес,
плотность, механические свойства), химики — химические свойства и состав
химическими методами. Но есть более современные методы исследования, такие
как спектральный анализ, позволяющий определить химикам химический состав.
Этот метод позаимствован у физиков. Т.е. в конкретном случае эти науки
объединяет метод, но не это является фундаментальной основой их единства. В
итоге исследований будет получено два представления об одном образце,
каждый из которых не дает полной картины. Полное представление может дать
только вся сумма знаний естественных наук. Получается, что эти науки
объединяет конкретный образец. Можно на это возразить — астрофизик
исследует далекие и огромные звезды, а микробиолог микроскопическую клетку.
Но оба эти объекты, и огромная раскаленная звезда и живая клетка являются
предметами материального мира, их объединяет понятие материи.
Если окружающий нас мир един и образует единое и целостное
образование, то и знание о нем имеет фундаментальное единство. И хотя наука
разделена на дисциплины, но существуют фундаментальные законы отображающие
единство и целостность природы, законы подтверждающие фундаментальное
единство естественных наук. С помощью таких законов, которым подчиняются
классы явлений и целые области природы, как раз и раскрывают единство
природы, взаимосвязь и взаимодействие составляющих ее объектов и процессов.
Например, закон сохранения материи справедлив и для химических, и для
физических, и для биологических процессов. Ярким воплощением единства всех
форм знаний о мире представляет собой научный метод, которым пользуются все
естественные науки (да и гуманитарные). Тот факт, что познание в
естественных науках в целом совершается по некоторым общим принципам,
правилам и способам деятельности, свидетельствуют, с одной стороны об
общем, едином источнике их познания, с другой стороны, — о взаимосвязи и
единстве этих наук.
Единство естественных наук подтверждает и междисциплинарные методы
исследования, например системный метод. Хотя системы, встречающиеся в
природе имеют разное строение и разные признаки, но все они
самоорганизующиеся системы, и нельзя противопоставлять живые и неживые
системы, новые результаты проливают свет на проблему возникновения живого
из неживого.
Чтобы подчеркнуть фундаментальный характер единства всех важнейших
знаний естественных наук о природе, ученые ввели понятие естественнонаучной
картины мира, под которой понимают систему важнейших принципов и законов,
лежащих в основе окружающего нас мира.
2. Наука как форма познания окружающего нас мира оперирует такими понятиями
как наблюдение, эксперимент, теория. Познание — это сложный процесс,
состоящий из нескольких стадий. На эмпирической, или опытной, стадии
используются методы, опирающиеся на систематические наблюдения, эксперимент
и измерение. Наблюдение — это первоначальный источник информации. Научное
наблюдение отличается от обыденного. В процессе научного наблюдения, в
отличие от обыденного, используются разнообразные материальные средства:
приборы, инструменты, оборудование. Научное наблюдение предполагает и
участие живого созерцания (если не самого объекта или процесса, то
показаний приборов их регистрирующих), но так как цель научного познания —
обнаружение объективных законов, то по возможности оно должно исключить
субъективные моменты. Т.е. в процессе научного наблюдение результаты не
должны зависеть от наблюдателя (его пола, возраста или настроение).
Систематичность, контролируемость и тщательность — характерные требования к
научному наблюдению. Следует добавить, что в науке редко бывают открытия,
связанные с совершенно случайными, заранее не предусмотренными
наблюдениями. Наблюдение дает эффект, если есть хотя бы идея или догадка
что следует искать. Т.е. в основе наблюдений лежит теория, идея.
Эксперимент — важнейший метод эмпирического (опытного) исследования,
для наблюдения процессов в условиях, меньше всего подверженных воздействию
посторонних факторов, т.к. их воздействие может изменить сам наблюдаемый
процесс. Дополнением любого эксперимента являются измерения с помощью
научного оборудования. Измерение не является эмпирическим особым методом, а
составляют необходимое дополнение любого серьезного научного наблюдения и
эксперимента. Результаты экспериментов обрабатывают математически с
применением методов статистики. В начале века Резерфорд и его сотрудники
регистрировали в своих экспериментах альфа-частицы с помощью экрана из
сернистого цинка в микроскоп. При попадании частицы на экран наблюдалась
слабая вспышка, которую можно было зафиксировать только через микроскоп.
Максимальное число импульсов, которое удавалось сосчитать, — было два, три
в секунду. А сейчас специальные электронные приборы — фотоумножители — в
состоянии различить и зафиксировать более слабые вспышки. Число их в
секунду составляет десятки и сотни тысяч. Эта информация запоминается и
обрабатывается быстродействующими ЭВМ.
Благодаря эксперименту многие естественные науки совершили в своем
развитии гигантский скачек. Поэтому этот метод и получил наибольшее
применение в естествознание, хотя существуют области исследования где
эксперименты невозможны. Открытие законов движения планет Кеплером имело
огромное значение для развития естествознания. Правда из-за невозможности
осуществления экспериментов с небесными телами для исследования законов их
движения пришлось обратиться к наблюдениям. Тем не менее и здесь
исследование осуществлялось в тесном взаимодействии теории и наблюдения,
тщательной проверке выдвигаемых гипотез измерениями движений небесных тел.
В естествознании до 19 в. (период классического естествознания)
эксперимент считался главным методом познания, а целью его — построение
абсолютно истинной картины природы. Еще Ньютон придавал большое значение
наблюдениям и эксперименту, видя в них важнейший критерий для отделения
ложных гипотез от истинных. В 20 в. с развитием науки пришло осознание
относительной истинности картины природы, выработанной на определенном
этапе познания. Пришло понимание принципиальной невозможности устранения
воздействия со стороны субъекта на познаваемый объект. Примером может
служить исследование объектов микромира с помощью современного научного
оборудования, которое уже само по себе является предметом макромира и не
может не оказывать воздействие на объект исследования. Но при эксперименте
необходимо свести это воздействие к минимуму.
Теория — это система идей в той или иной отрасли знаний, единство
знаний, в котором факты и гипотезы связаны в некоторую целостность. На
теоретической стадии строят гипотезы и теории, открывают законы науки.
Затем гипотезу проверяют экспериментом. Если результаты эксперимента не
совпадают с гипотезой, то опровергается сама гипотеза. Но это возможно
поспешный вывод, поэтому проводятся разнообразные эксперименты и их
достоверность зависит от уровня развития науки и техники. Это упрощенное
описание процесса исследования, на самом деле — это длительный и сложный
процесс, который начинается не с накопления фактов, а с выдвижения
проблемы. Последняя свидетельствует о возникновении трудности в развитии
науки, когда вновь обнаруженные факты не удается объяснить и понять с
помощью старых теорий. Возникшая проблемная ситуация требует четко
определить, какие факты и в чем не согласуются со старыми эмпирическими и
теоретическими знаниями. В качестве пробного решения сформулированной
проблемы выдвигается некоторая гипотеза, которая на последующих стадиях
исследования подробно анализируется с точки зрения ее подтверждения
имеющимися эмпирическими данными и теоретическими знаниями. Затем из
гипотезы по правилам логики выводятся следствия, которые допускают
эмпирическую проверку непосредственно с помощью наблюдений и экспериментов.
Эмпирическая проверяемость служит важным условием научности гипотезы,
поскольку именно она допускает возможность вывода следствий из гипотезы и
тем самым позволяет фактически сравнить ее с данными опыта или наблюдений.
Если следствия из гипотезы не согласуются с эмпирическими данными, то в
соответствии с логическим принципом modus tollens (отрицающего модуса)
опровергается сама гипотеза. Значительно труднее обстоит дело с
подтверждением гипотезы. Иногда считают, что если следствие гипотезы было
подтверждено на опыте, то это свидетельствует об истинности самой гипотезы.
Такое заключение было бы поспешным, ибо согласно правилам логики из
истинности следствия не вытекает истинность основания, в данном случае
гипотезы. Можно говорить лишь о той или иной степени вероятности гипотезы,
т.к. при дальнейшей проверке могут быть обнаружены факты, опровергающие
гипотезу целиком или частично. Очевидно, чем больше по числу и разнообразию
будет найдено фактов, подтверждающих гипотезу, тем выше станет ее
вероятность. В принципе, однако, вполне допустим случай, который может
опровергнуть гипотезу. Это обстоятельство часто упускают из виду люди, не
знакомые с логикой. Между тем даже многократно проверенные и подтвержденные
опытом законы естествознания представляют собой не что иное как практически
достоверные гипотезы. Так, например, закон всемирного тяготения Ньютона до
открытия теории относительности Альбертом Эйнштейном считался непреложной
истиной. Дальнейшие эксперименты, проведенные в связи с проверкой общей
теории относительности, выявили ее приближенный характер.
Так, на основании закона всемирного тяготения Ньютон дал
математический вывод известных законов Кеплера о движении планет. Но
Эйнштейн в своей теории относительности доказал, что геометрия пространства
полностью определяется распределением и движением тяготеющих масс. А в
искривленном пространстве законы движения изменяются.
Эти положения хорошо согласуются с философским принципом об
относительном характере понятий, законов и теорий всех наук, изучающих
природу и общество.
3. Поскольку природа представляет собой нечто единое и целое, постольку и
знания о ней должны иметь целостный характер, т.е. представлять собой
определенную систему. Такую систему знаний и называют издавна
Естествознанием. Раньше в естествознание входили все сравнительно
немногочисленные знания, которые были известны о природе.
Наука представляет собой продукт развития мысли древних греков.
Зачатки мышления, идущие в плане частных наук, появились под влиянием
Аристотеля и его школы, таких великих врачей, как Гиппократ, Гален. Но это
не нарушало целостность науки и картины мира. В эпоху христианского
средневековья наука так же разрабатывалась как гармоническое целое. Только
в конце средних веков произошла подмена понятия «наука» понятием
«естествознание» Эта новая наука начала свое триумфальное шествие с эпохи
Возрождения, когда была признана возможность математического описания
результатов, полученных экспериментальным путем. Эта новая форма приобрела
столь большое значение, что Кант оценивал частные науки в зависимости от
степени применения в них математики. Под влиянием экспериментально-
математической науки коренным образом изменилось мировоззрение европейца и
усилилось его влияние на духовную жизнь остального мира. В особенности оно
возросло благодаря подведению строго научного фундамента под возникшую из
медицины технику, которая базировалась до этого исключительно на
ремесленном опыте.
Но уже с эпохи Возрождения возникают и обособляются отдельные его
отрасли и дисциплины, начинается процесс дифференциации научного знания. С
развитием науки возникла необходимость более глубокого разделения ее на
специальные дисциплины. Дифференциация научного знания служит необходимым
этапом в развитии науки и она направлена на более тщательное и глубокое
изучение отдельных явлений и процессов определенной области
действительности. В результате появляются отдельные дисциплины со своим
предметом и специфическими методами познания.
Главные сферы естественных наук — материя, жизнь, человек, Земля,
Вселенная — позволили сгруппировать их следующим образом:
1. физика, химия, физическая химия;
2. биология, ботаника, зоология;
3. анатомия, физиология, учение о происхождении и развитии, учение о
наследственности;
4. геология, минералогия, палеонтология, метеорология, география;
5. астрономия вместе с астрофизикой и астрохимией.
Математика, по мнению ряда натурфилософов, не относится к естественным
наукам, но является решающим инструментом их мышления.
Дифференциация научного знания была необходимым этапом в развитии науки.
Частные науки можно классифицировать с точки зрения их предмета или метода.
Они делятся на фундаментальные и прикладные (теоретические и практические),
общие и специальные.
Итак. Если окружающий нас мир един и образует единое и целостное
образование, то и знание о нем имеет фундаментальное единство. И хотя наука
разделена на дисциплины, но существуют фундаментальные законы отображающие
единство и целостность природы, законы подтверждающие фундаментальное
единство естественных наук.
