На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


книга Естественнонаучная и гуманитарная культуры. Предмет и метод естествознания. Динамика естествознания и тенденции его развития. История естествознания. Структурные уровни организации материи. Макромир. Открытые системы и неклассическая термодинамика.

Информация:

Тип работы: книга. Предмет: Биология. Добавлен: 21.03.2009. Сдан: 2009. Уникальность по antiplagiat.ru: --.

Описание (план):


1
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Ставропольский государственный университет


Концепции современного естествознания
Справочник для студентов

Ставрополь
2005
Рецензент: канд. филос. наук, доцент Адрианова Л.А.
Андрейченко Г.В., Павлова И.Н.
Концепции современного естествознания. Справочник для студентов. - Ставрополь: СГУ, 2005. - 187с.
Учебное пособие составлено в соответствии с Государственным стандартом высшего профессионального образования второго поколения и рекомендовано студентам гуманитарных специальностей высших учебных заведений всех форм обучения. Содержит информацию по всем экзаменационным вопросам и предназначено для подготовки студентов к семинарским занятиям, экзаменам и зачетам. Может быть использовано также при выполнении контрольных работ по дисциплине «Концепции современного естествознания».
Пособие является важной составной частью учебно-методического комплекса по дисциплине «Концепции современного естествознания».
© Г.В. Андрейченко, И.Н. Павлова
Содержание

Введение
1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
2. Предмет и метод естествознания
3. Динамика естествознания и тенденции его развития
4. История естествознания
5. Структурные уровни организации материи
6. Макромир: вещество и поле
7. Открытые системы и неклассическая термодинамика
8. Микромир. Квантовая физика
9. Мегамир. Современные астрофизические и космологические концепции
10. Пространство и время в современной научной картине мира
11. Основные концепции химии. Химические системы и процессы
12. Проблемы и перспективы современной геологии
13. Особенности биологического уровня организации материи
14. Генетика и эволюция
15. Человек как предмет естествознания
16. Эмоции и творчество. Жизнь как ценность
17. Человек и биосфера
18. Принцип глобального эволюционизма и его роль в современной науке
Введение

Дисциплина "Концепции современного естествознания" включена в цикл математических и естественнонаучных дисциплин гуманитарных и экономических факультетов с целью ознакомления студентов с дополнительным для них неотъемлемым компонентом единой культуры - естествознанием и формированием целостного взгляда на окружающий мир. Возникающая сегодня тенденция к гармоничному синтезу двух традиционно противостоящих культур созвучна потребности общества в целостной картине мира и подчеркивает актуальность предлагаемой дисциплины. Данная учебная дисциплина не представляет собой механическое соединение традиционных курсов физики, химия, биологии и экологии, а является продуктом междисциплинарного синтеза на основе комплексного историко-философского, культурологического и эволюционно-синергетического подходов к современному естествознанию. Поэтому ее эффективное освоение возможно на основе применения новой парадигмы, способной объединить естественно - научную и гуманитарную компоненты культуры.
Цели и задачи курса:
- понимание природы отчуждения гуманитарного и естественно - научного компонентов культуры и необходимость их воссоединения на основе целостного взгляда на мир;
- понимание задач и возможностей современного научного метода;
- изучение и понимание сущности наиболее фундаментальных законов природы, составляющих каркас современной физики, химии и биологии;
- формирование ясного представления о естественнонаучной картине мира как основе понимания целостности и многообразия природы;
- формирование представлений о революциях в естествознании и смене научных парадигм как ключевых этапах развития естествознания;
- формирование представления о принципах универсального эволюционизма и синергетики как диалектических принципах развития в приложении к неживой и живой природе, человеку и обществу.
Тема 1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры

1. Культура и наука. Критерии науки и ее социальные функции

Наука представляет собой важнейшую сферу человеческой культуры. Успехи и достижения науки коренным образом изменили жизнь общества, его экономику, политику, быт, а также самого человека, его образ мысли и действия.
Культура - специфический способ организации человеческой жизнедеятельности, представленный в продуктах материального и духовного труда, в системе социальных норм и учреждений, в духовных ценностях, в совокупности отношений людей к природе, между собой и к самим себе.
Необходимым элементом человеческой деятельности является знание. Наука - это специфическая форма производства знаний. Однако не всякое знание является научным. Познание как духовное освоение мира осуществляется в разнообразных формах: искусство, наука, религия, философия, жизненный опыт и др. Искусство воспроизводит мир посредством художественных образов, создает художественные ценности и выражает эстетическое отношение человека к миру. Религия создает мир трансцендентного знания, опирается на мистический опыт людей, в котором происходит их - общение с Богом. Философия формирует знания о бытии, о месте человека в мире и его собственном духовном мире. Наука же является той частью культуры, которая осваивает действительность и создает свой особый мир - мир знаний, состоящих из экспериментально подтвержденных данных и выводов, полученных логическим путем.
Наука - сфера человеческой деятельности, главной функцией которой является выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о мире. Критерии науки:
рациональность, т.е. обоснованность и логическая доказательность знания, его теоретический характер;
системность знания; система характеризуется внутренним единством составляющих ее элементов. Поэтому научное знание это система, включающая в себя принципы, законы, фундаментальные понятия, из которых выводятся новые знания, а также факты, математический и логический аппарат, практические выводы и рекомендации;
общезначимость, т.е. интерсубъективность знания, его проверяемость и возможность получения одинаковых результатов разными исследователями;
наличие двух уровней - эмпирического и теоретического, различающихся задачами исследования, спецификой методов и форм познания.
Важнейшим признаком науки является также то, что это - специфическая форма деятельности и социальный институт, т.е. способ социальной организации познавательной деятельности людей. Современная наука представлена сегодня крупными научными институтами с мощной лабораторной базой, новейшими технологиями обработки, передачи и распространения информации.
По предмету изучения в структуре науки выделяют такие направления научного знания, как: естествознание (науки о природе); социогуманитарное знание, включающее в себя знания о различных видах и формах общественной жизни, а также знания о человеке и его духовном мире; в отдельную группу выделяют науку о самой науке (науковедение). Это молодая, быстро развивающаяся научная дисциплина.
Специфика науки проявляется также в тех социальных функциях, которые она выполняет. Функции науки: описательная - выявление важнейших свойств и отношений исследуемых объектов; систематизирующая - внесение определенного порядка в организацию знания; объяснительная - выявление сущности изучаемого объекта, причин и закономерностей его возникновения и развития; прогностическая - предсказание новых фактов и рекомендации на будущее; практическая - применение полученных знаний в производстве, в социальной жизни и управлении; мировоззренческая - создание научной картины мира, которая является основой рационализированного мировоззрения.
Наука - это динамичный, поступательный процесс, имеющий определенные закономерности: ускорение роста научных знаний (экспоненциальный закон развития науки): объем научных знаний удваивается каждые 10-15 лет; кумулятивный характер развития - суммируются в концентрированном виде все прошлые достижения науки путем переосмысления и уточнения; преемственность в развитии знаний; единство экстенсивного и интенсивного периодов развития; дифференциация и интеграция наук; превращение науки в непосредственную производительную силу.
2. Мир природы и мир человека: способы познания

Различие естествознания и социогуманитарного познания обусловлено, во-первых, спецификой объекта исследования.
Мир природы представляет собой действие слепых, стихийных и не зависимых от человека сил, процессов, поэтому в определенном смысле их исследовать проще. Познание этих процессов по своему содержанию носит объективный характер, для этого формируются методы объективного исследования предмета.
Мир человека предстает как сознательная, активная деятельность человека, преследующего свои цели и интересы. В процессе познания этих явлений сложно отделить объективное от субъективного, действительность от иллюзий. Поэтому любые попытки перенесения естественнонаучных методов на исследование социальных процессов оказываются безрезультатными.
Во-вторых, наиболее отчетливо различие выражается в подходе к основной задаче науки.
В познании мира природы главной задачей является объяснение. Объяснение - это подведение факта под некоторый закон, теорию. Логической формой объяснения является дедуктивное рассуждение, в котором факт, то есть высказывание единичного или частного порядка, выводится из общего суждения, которое и выражает определенный закон. Самой популярной в научном мире считается теория дедуктивно - номологического объяснения Гемпеля - Оппенгейма. Некоторое явление считается объясненным, если описывающее его суждение логически выводится из законов или законообразных высказываний. Наряду с дедуктивно-номологическим широко используются структурные, то есть представляющие собой характеристики сложных объектов на основе знания их строения, и генетические объяснения, то есть описание событий и явлений в их исторической последовательности.
Наиболее развитая форма научного объяснения - объяснение на основе теоретических законов. Так, чтобы объяснить, почему тело за первую секунду своего падения проходит путь в 4,9 м, мы ссылаемся на закон Галилея, который в самой общей форме описывает поведение разнообразных тел, движущихся под воздействием силы тяжести. Если требуется объяснить сам этот закон, мы обращаемся к более общей теории гравитации Ньютона. Получив из нее закон Галилея в качестве логического следствия, мы тем самым объясняем его. Глубина объяснения определяется глубиной той теории, к которой относится закон. Уровни объяснения могут быть различными, но они всегда представляют собой дедуктивную процедуру. Исторически первыми были каузальные (причинные) объяснения - объяснения на основе простых эмпирических законов, фиксирующих такие устойчивые, повторяющиеся связи между двумя явлениями, при которых одно порождает, вызывает другое.
В социальных науках трудно или невозможно подвести индивидуальное, неповторимое событие под какой-либо общий закон, поэтому сформировались две точки зрения: первая - против использования естественнонаучных методов, заменив их телеологическим объяснением, т.е. раскрытием целей, мотивов поведения и деятельности людей; вторая - можно объяснить с помощью законов, но только создав собственную методологию.
В познании мира человека, по мнению многих исследователей, методы объяснения вообще не применимы, т.к. специфика объекта обусловливает индивидуальность и уникальность познаваемых явлений. Поэтому не объяснение, а понимание является основным методом социогуманитарного познания.
Понимание - это способ интерпретации или истолкования какого-либо факта, т.е. выявление его смысла или придание ему определенного смысла с целью его духовного освоения и приведения в систему с другими фактами.
Такая методология гуманитарного познания получила название герменевтики. Исторически герменевтика возникла из опыта работы над текстами на древних языках, плохо сохранившихся, трудно поддававшихся переводу, когда было необходимо прежде всего раскрыть смысл, который вложил их автор. Однако затем стало ясно, что герменевтика имеет отношение не только к текстам, но и к пониманию поступков, переживаний и действий человека. Понимание часто определяют как оценку на основе некоторого образца или нормы. Понимать можно все, для чего существует такой образец. Истолкование, предшествующее пониманию и делающее его возможным, представляет собой процесс поиска стандарта оценки и обоснование ее приложимости к рассматриваемому случаю. Поэтому истолкование всегда связано с определенными социокультурными предпосылками: истолковывает и понимает всегда конкретный человек, разделяющий ценности своей среды и своего времени.
Понимание всегда имеет диалоговую природу, которая изначально отличается от монологичности объяснения и является особым типом смысловых отношений. Понять - значит, увидеть другое, чужое сознание и его мир. При объяснении имеется только один субъект, одно сознание, потому что к объекту не может быть диалогического отношения; при понимании - два сознания, два субъекта, поэтому понимание всегда диалогично. «Исследование становится спрашиванием и беседой, то есть диалогом. Природу мы не спрашиваем, и она нам не отвечает. Мы ставим вопросы себе и определенным образом организуем наблюдение или эксперимент, чтобы получить ответ. Изучая человека, мы повсюду ищем и находим знаки и стараемся понять их значение» (Бахтин М.М.).
На всем протяжении ХХ века наблюдается противостояние двух сфер познания - естественно-научной и гуманитарной. Эту ситуацию четко зафиксировал известный английский писатель и ученый Чарльз Сноу, выступивший в 1959 г. в Кембриджском университете с программной лекцией «Две культуры и научная революция». Он показал, как возникла и углубляется пропасть между двумя культурами. Поляризацию научной культуры он связал с двумя традициями, сложившимися в процессе познания и осмысления мира. Первая - культура, создаваемая естествознанием, которая по сложности, емкости интеллектуальной глубине является удивительным творением коллективных усилий человеческого разума. Представители другого полюса - социогуманитарной культуры не имеют, как правило, ни малейшего представления об этом творении. И наоборот.
Научная культура понимается как способ организации познавательной деятельности, обусловленный спецификой познаваемого объекта, включающий в себя мировоззренческие и методологические принципы, идеалы и установки, разделяемые научным сообществом. Характер научной культуры во многом определяет и способы организации науки и научной деятельности вообще, и формы взаимосвязи науки и общества, значительно влияя на этику науки и решение проблемы социальной, и, прежде всего, нравственной ответственности ученого, а также на отношение науки и идеологии, науки и политики. Поэтому поляризация культур наносит ущерб всему: науке, искусству, обществу, человеку.
К концу ХХ столетия появились серьезные предпосылки для преодоления этого противостояния: 1) обмен опытом там, где это возможно; например, статистические методы, имеющие, как известно, важнейшее значение в современной физике, зародились в трудах социологов-экономистов У. Петти и Дж. Граунта; 2) междисциплинарный подход становится все более значимым для нынешнего развития социального знания. Идет процесс формирования единой науки о человеке, обществе, природе и жизни; 3) дифференциация (дробление) наук ведет к тому, что сейчас насчитывается около 2 тыс. научных дисциплин и формирование все новых отраслей науки продолжается; 4) интеграция наук - активное взаимодействие различных наук. Объединение каких-либо наук в единое целое в различных формах, начиная от применения методов и понятий одной науки в другой и кончая современным системным методом. В этом проявляется стремление к единству научного знания. Объективную основу интеграции знания составляет единство мира, принципиальная общность свойств и законов структурных уровней материи. Поэтому, во-первых, сравнительно новые отрасли научного знания уже по своей природе носят синтетический, интегративный характер: астрофизика, математическая лингвистика, инженерная психология, техническая эстетика, космическая медицина и др. Во-вторых, синтез научного знания может осуществляться на основе междисциплинарного подхода. Примером такого синтеза может служить синергетика (теория самоорганизации сложных систем). Возникнув как физическая теория (в термодинамике), она сейчас используется как новый подход к решению исторических, социальных проблем. Синергетика может успешно служить моделированию многих процессов.
3. Сциентизм и антисциентизм - мировоззренческие позиции ХХ века и их влияние на развитие культуры

В разные исторические эпохи в качестве основания культуры, ее ведущего духовного компонента, выступали разные духовные формы: в античности - политика и мораль; в средневековье - религия; в эпоху Возрождения - искусство; в новое время - наука; в новейшее время - наука и искусство.
В Новое время произошла научная революция, породившая новый (современный) тип науки, и провозгласившая его единственно адекватным способом познания (духовного освоения) мира. Научное знание приобретает столь главное значение, что без его развития и распространения в обществе немыслим никакой социальный прогресс. Формируется идея о всесилии научного знания. Этому способствовали как достижения науки, так и философские взгляды французских просветителей XVIII века (Вольтера, Дидро, Гельвеция, Гольбаха, ДАламбера).
Сциентизм - мировоззренческая позиция, основанная на представлении о науке как высшей культурной ценности, цели и смысле человеческого существования.
Идеологическим обоснованием сциентизма является позитивизм французского философа О. Конта (1798-1857), автора знаменитого «Курса позитивной философии». Суть его позиции состоит в следующем:
1. Естественнонаучное познание и его методология - эталон научного познания, поэтому методы и формы естествознания должны быть распространены и на познание общества. Идеал науки - математическая физика.
2. Наука должна замещать все другие формы знания. Отсюда критика философии, сведение ее к научной методологии, попытки создания новой религии (религии науки) и т.п.
3. Ориентация на эмпирическое (опытное) обоснование полученных результатов. Знание, не основанное на опыте, объявляется ненаучным, спекулятивным.
4. Роль науки и научного прогресса в решении глобальных проблем абсолютна и исключительна. Наука - высшая ценность и цель общественного развития, потому что все формы организации человеческой жизнедеятельности должны быть построены по последнему слову науки. Вера во всесилие науки часто ведет к утопическим проектам «улучшения» природы, общества и человека, практическое внедрение которых чревато катастрофическими последствиями.
Особую убедительность сциентизму придают грандиозные успехи науки, НТП. Мировоззрение сциентизма является основанием технократических концепций, согласно которым власть политическая и административная в обществе должна быть отдана представителям естественных и технических наук. Сциентизм подвергается острой критике со стороны так называемой «гуманитарной культуры», философским основанием которой выступает философия ХХ века: герменевтика, «философия жизни», экзистенциализм и др.
Современная гуманитарная культура имеет своим началом творчество гуманистов эпохи Возрождения. Революция в мировоззрении этой эпохи, связанная с изменением статуса человека в мире, вела к признанию человека высшей ценностью. В формировании гуманистической культуры важную роль сыграло движение романтизма (конец XVIII - сер. XIX вв.). Романтизм способствовал восстановлению авторитета искусства как средства постижения мира и самовыражения личности. Он сформулировал идею о восстановлении единства науки, философии, религии и искусства, которое было утрачено с заменой мифологического мышления рациональным.
Антисциентизм отрицает роль и доказывает недостаточность рационального, в особенности, естественнонаучного познания, которое, в свою очередь, сведено к физике и математике. Антисциентизм - мировоззренческая позиция, согласно которой идеалом являются гуманитарные ценности, этические и эстетические, прежде всего. В своих крайних формах антисциентизм толкует науку как силу, чуждую и враждебную подлинной сущности человека.
Противоположность сциентизма и антисциентизма, прежде всего, выражается в присущих им системах ценностей:
сциентизм отдает приоритет расчету, плану, проектируемому результату, поэтому главные ценности человеческого существования - максимальная польза, выгода, эффективность и целесообразность; максимум прибыли при минимуме затрат;
антисциентизм исходит из признания уникальности личности, поэтому приоритетными являются вопросы о смысле человеческой жизни, а главные ценности человеческого существования - красота, добро, любовь, справедливость.
4. Этика науки

Наука как область человеческой деятельности погружена в ценностное измерение: для ученого высшей ценностью является истина и все, что к ней ведет, различного рода эмпирические и теоретические методы. В сообществе ученых высоко ценятся также честность, порядочность, мужество в отстаивании своих взглядов, критическое отношение к догмам и всяким авторитетам, суевериям. В то же время в самой науке, в ее методологическом арсенале, нет никаких нравственных норм, регламентирующих научные исследования в плане социальных последствий, позволяющих соизмерять научные достижения с состоянием общества. Многие ученые осознают свою ответственность за возможное использование их научных открытий, понимают недопустимость вооружения злодеев средствами массового уничтожения, манипулирования сознанием людей, бесконтрольного вмешательства в их дела. К сожалению, имеется немало печальных примеров подобного: ядерное, биологическое, химическое оружие, эксперименты с генами животных и людей, тотальный компьютерный контроль в обществе и др.
В последние годы все большее число ученых склоняется к мнению о том, что неправильно считать науку лишь средством добывания истины. Настойчиво подчеркивали эту мысль Н. Бор и В. Гейзенберг. Ученые берут на себя ответственность, если не полностью, то, по крайней мере, в существенной степени, за свои творения. Они становятся этиками, потому что ответственность - это этическая категория. Прежде чем создать что-либо, могущее угрожать человеку, следует продумать все возможные варианты. А, приняв решение, не следует уходить от ответственности. Современный ученый должен понять, что истина - это добро и красота.
В этике науки представлены нравственные основы научной деятельности. Основными этическими нормами науки являются, как мы выяснили, бескорыстный поиск и утверждение истины, обогащение науки новыми результатами, полезными для человечества, свобода научного творчества, социальная ответственность ученого и др. Соблюдение этики науки должно привести к утверждению нравственного идеала гуманизма. Обоснование этого идеала содержится в концепции так называемого эволюционного гуманизма, одним из основателей которого является Дж. Хаксли - английский философ и зоолог. Суть его теории состоит в следующем:
Человек сам несет ответственность за свое будущее и за будущее планеты, не возлагая ее ни на Бога, ни на судьбу.
Человек является одним видом существующей на Земле жизни. Поэтому человечество нельзя превращать в совокупность враждующих «псевдовидов» (наций, религий и государств и их блоков).
Смыслом существования науки является воплощение человеческих надежд, а не материальное благополучие.
Задача науки повышать «качество» жизни, а не увеличивать количество материальных ценностей для отдельных социальных групп.
Для реализации этих идей и принципов необходимо новое мышление, которое и призвана формировать наука.
Новое понимание природы стимулировало поиск и новых идеалов человеческого отношения к природе, которые претендуют на то, чтобы стать духовным основанием для решения современных глобальных проблем. Активно разрабатываются идеи так называемой «углубленной экологии», которая порывает с антропоцентризмом и рассматривает человека не как властелина природы и центр мироздания, а как существо, включенное в многообразие жизни. Человек - неотъемлемая часть живого, соотносящаяся с другими его частями не на основе конкуренции и господства, а на основе сотрудничества и взаимности (Э.Ласло, Ф.Капра, Б.Калликотт, О.Леопольд и др.).
С этих позиций предлагаются различные варианты новой этики, которая должна, наряду с нормами общественного поведения, регулирующими отношения между людьми, включать «этику в экологическом смысле» (биосферную этику), ограничивающую свободу действия человека в его борьбе за существование. Новая этика, по замыслу ее сторонников (О. Леопольд, Р. Атфилд, Л.Уайт, Э. Ласло, Б. Калликотт и др.), должна регулировать взаимоотношения человека с Землей, с животными и растениями, формируя убеждение в индивидуальной ответственности за здоровье Земли. Эти этические концепции во многом перекликаются с известными идеями А. Швейцера о благоговении перед жизнью. Но в принципе они идут дальше. Как пишет Б. Каликотт, «лично я не особенно восторгаюсь моральной теорией Швейцера -- главным образом по той причине, что она ограничивает круг морально значимых объектов индивидуальными сущностями, не беря во внимание объекты коллективной природы: популяции, виды, биоценозы и всю глобальную экосистему в целом».
Основные понятия темы:
Наука - сфера человеческой деятельности, главной функцией которой является выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о мире.
Научная культура - мировоззренческие и методологические принципы, идеалы и установки, разделяемые научным сообществом.
Объяснение - это подведение факта под некоторый закон, теорию.
Понимание - это способ интерпретации или истолкования какого-либо факта, т.е. выявление его смысла или придание ему определенного смысла.
Ценность - то, что имеет особую значимость для человека и общества.
Идеал - представление о должном, совершенном.
Сциентизм - мировоззренческая позиция, основанная на представлении о науке как высшей культурной ценности, цели и смысле человеческого существования.
Антисциентизм - мировоззренческая позиция, отрицающая приоритет науки в развитии общества, и согласно которой идеалом человеческого существования являются гуманитарные ценности.
Позитивизм - философское направление, согласно которому все подлинное знание может быть получено лишь как результат специальных, прежде всего естественных наук, и философия, как особая наука, не имеет права на существование.
Этика науки - раздел профессиональной этики, разрабатывающий нравственные принципы научной деятельности.
Тема 2. Предмет и метод естествознания

1. Предмет естествознания. Эволюция понятия природы

Предметом естествознания является природа. Природа - это весь материально-энергетический и информационный мир Вселенной. Истоки современного понимания природы уходят в глубокую древность. Первые истолкования природы сложились как миф о возникновении (рождении) мира и его развитии, т.е. космогония. Внутренний смысл этих сказаний выражает переход от неорганизованного хаоса к упорядоченному космосу. Мир в космогониях рождается из природных стихий: огня, воды, земли, воздуха; к ним иногда добавляется пятая стихия - эфир. Все это первичный материал для строительства космоса. Стихии соединяются и разъединяются.
Образ природы рождается и в мифах, и в различных космогониях, и в теогониях (буквально: «рождение богов»). В мифе всегда отражена определенная реальность, в нем образно, в виде фантастических рассказов выражено стремление к познанию явлений природы, общественных отношений и человеческой натуры.
Позже возникла натурфилософия (философия природы), которая, несмотря на сходство космогонических образов, принципиально отличалась от мифологии.
В мифологии наглядно, в символической форме природа изображается как некое пространство, внутри которого разворачивается деятельность божественных и космических сил. Натурфилософия пыталась выразить общий взгляд на природу в целом и подкрепить его доказательствами.
В античной философии природа стала объектом теоретического размышления. Натурфилософия пыталась выработать единый, внутренне непротиворечивый взгляд на природу. Постигая феномен природы, натурфилософия пытается понять ее изнутри, из нее самой, т.е. выявить такие законы существования природы, которые не зависят от человека. Другими словами, постепенно формировался такой образ природы, который по возможности очищался от чисто человеческих представлений, которые зачастую уподобляли природу самому человеку, и потому могли исказить подлинную, самостоятельную жизнь природы. Таким образом, задача заключалась в познании того, какова природа сама по себе, без человека.
Уже первые философы рассматривали такие важные проблемы, которые послужили основой для дальнейшего развития научного познания. К ним относятся такие как: материя и ее структура; атомистика - учение о том, что мир состоит из атомов, мельчайших неделимых частиц вещества (Левкипп, Демокрит); гармония (математическая) Вселенной; соотношения вещества и силы; соотношение органического и неорганического.
У Аристотеля, величайшего философа Древней Греции (IV в. до н. э.), осмыс-ление природы получило уже статус целостного учения. Он отождеств-лял натурфилософию с физикой, изучал вопросы о составе физических тел, видах движения, причинности и др. Аристотель определял природу как жи-вой организм, движимый самоцелью и производящий все многообразие входя-щих в нее объектов, потому что у него есть душа, внутренняя сила - энтеле-хия. Движение Аристотель не сводил только к перемещению в простран-стве, а рассматривал и такие формы, как возникновение и уничтожение, качественные изменения.
В эпоху эллинизма натурфилософия стала опираться не только на философские рассуждения, но и на обширные наблюдения в астрономии, биологии, географии, физике. В эту эпоху появляется сам термин «натурфилософия», который ввел римский философ Сенека. Поскольку в античной философии считалось, что философия должна возвышаться над повседневностью, обыденностью, постольку это обрекало натурфилософию на умозрительность, в ней стали господствовать придуманные схемы и теории.
В средневековой культуре считалось, что природа говорит с людьми на символическом языке божественной воли, так как природа и человек - это творение Бога. Но в последовавшую за средневековьем эпоху возрождения этот взгляд существенно изменился. Натурфилософия разошлась по двум направлениям: 1 - мистика продолжала традицию умозрительных концепций природы; 2 - «магия», из которой постепенно и сформировалась опытная наука - естествознание. Переходу от религиозной картины мира к естественнонаучной способствовало возникновение особого взгляда на мир, получившего название «пантеизма» («всебожие»). Пантеизм - учение о том, что все есть бог; отождествление бога и вселенной. Это учение обожествляет вселенную, создает культ природы, признает бесконечность вселенной и неисчислимое множество ее миров.
Особую роль в создании способов научного, экспериментального изучения природы сыграл Г. Галилей, утверждавший, что книга природы написана треугольниками, квадратами, кругами и т.п.
С формированием науки и методов естествознания, в 17-18 вв. натурфилософия существенно изменилась. И. Ньютон, создатель механической картины мира, понимал под натурфилософией теоретическое, математически выстроенное учение о природе, «точную науку о природе». В этой картине мира природа отождествлялась с часовым механизмом.
Отказ от божественного и поэтического понимания природы вел к изменению отношения к природе. Она становится объектом активной эксплуатации - интеллектуальной и промышленной. Природа - это мастерская. Фр. Бэкон называет ученого естествоиспытателем, который экспериментом вырывает у природы ее тайны. Важнейшая задача науки - в покорении природы и увеличении могущества человека: «Знание - сила!»
Таким образом, природа выступает как обобщенное понятие, порой отождествляется с беспредельным космосом. В то же время процесс развития естествознания и связанная с этим процессом специализация в науке привела к тому, что природа перестала существовать как целое для специалистов, она оказалась раздробленной. Покорение природы, создание машинной культуры разрушает целостность самой природы, а также внутренние связи человека с природой, что и приводит его к экологической катастрофе. Необходимость такой организации взаимодействия общества и природы, которая отвечала бы потребностям будущих поколений и решала бы проблему выживания человечества, предполагает не только формирование так называемой экологической этики, но и переосмысление самого понятия «природа», в которую должен быть «вписан» человек. Имеются неоспоримые доводы, определяющие «человеческое лицо» природы:
-природа такова, что обладает возможностью и необходимостью порождения человека. Все физические константы, характеризующие фундаментальные структуры мира, таковы, что только при них мог бы существовать человек. В отсутствие человека некому было бы познавать природу.
-человек рождается «из природы». Вспомним развитие человеческого эмбриона.
-природная основа человека есть тот фундамент, на котором только и возможно появление специфически человеческого бытия, сознания, деятельности, культуры.
Таким образом, современное понимание природы как предмета естествознания предполагает выработку новых способов ее исследования, формирование интеграционных подходов и междисциплинарных связей. Поэтому принципиально новые идеи современной научной картины мира уже не вписываются в традиционное для техногенного подхода понимание природы как «мертвого механизма», с которым можно экспериментировать и который можно осваивать по частям, преобразуя и подчиняя его человеку.
Природа начинает пониматься как целостный живой организм. Почти до середины ХХ века такое понимание природы воспринималось как своеобразный пережиток или возврат к мифологическому сознанию. Однако по мере того, как утверждались в науке и широко распространялись идеи В.И.Вернадского о биосфере, после развития современной экологии, новое понимание природы как организма, а не механической системы, стало научным принципом. Новое понимание природы стимулировало поиск новых идеалов отношения человека к природе, которые стали бы основанием для решения современных глобальных проблем.
2. Научный метод. Классификация методов естественнонаучного познания

Для научного познания большое значение имеет метод, т.е. способ организации изучения объекта. Метод - совокупность принципов, правил и приемов практической и теоретической деятельности. Метод вооружает человека системой принципов, требований, правил, руководствуясь которыми человек может достичь намеченной цели.
Правильный метод имеет огромное значение для познания природы. Учение о методе (методология) начинает развиваться в науке нового времени. Знаменитый английский философ Фрэнсис Бэкон сравнивал метод с фонарем, который освещает путнику дорогу. Ученый, не вооруженный правильным методом, - это путник, бредущий в темноте и ощупью отыскивающий себе дорогу. Рене Декарт, великий французский философ XVII века, тоже придавал большое значение разработке научного метода: «Под методом я разумею точные и простые правила, строгое соблюдение которых без лишней траты умственных сил, но постепенно и непрерывно увеличивая знания, способствует тому, что ум достигает истинного знания всего, что ему доступно». Именно в этот период бурного развития естествознания складываются две противоположные методологические концепции: эмпиризм и рационализм.
Эмпиризм - направление в методологии, признающее опыт источником достоверного знания, сводящее содержание знания к описанию этого опыта.
Рационализм - направление в методологии, согласно которому достоверное знание дает только разум, логическое мышление.
Методы научного познания можно классифицировать по степени общности на универсальные (философские) и научные, которые в свою очередь, делятся на общенаучные и частнонаучные.
Частнонаучные методы применяются в рамках одной науки или области научного исследования, например: метод спектрального анализа, метод цветных реакций в химии, методы электромагнетизма в физике и др.
Общенаучные методы имеют широкий междисциплинарный спектр применения и могут применяться в любой науке, например: моделирование, эксперимент, логические методы и др.
Одной из важнейших особенностей научного познания является наличие двух уровней: эмпирического и теоретического, которые отличаются используемыми методами. На эмпирической (опытной) стадии используются главным образом методы, связанные с чувственно-наглядными приемами познания, к которым относят наблюдение, измерение, эксперимент.
Наблюдение является первоначальным источником информации и связано с описанием объекта познания. Целенаправленность, планомерность, активность - характерные требования для научного наблюдения. По способу проведения наблюдения бывают непосредственными и опосредованными. При непосредственных наблюдениях свойства объекта воспринимаются органами чувств человека. Такие наблюдения всегда играли большую роль в исследовании науки. Так, например, наблюдение положения планет и звезд на небе, проводившиеся более двадцати лет Тихо Браге с необыкновенной для невооруженного глаза точностью, способствовали открытию Кеплером его знаменитых законов. Однако чаще всего научное наблюдение бывает опосредованным, т.е. проводится с помощью технических средств. Изобретение Галилеем в 1608 году оптического телескопа расширило возможности астрономических наблюдений, а создание в ХХ веке рентгеновских телескопов и вывод их в космос на борту орбитальной станции позволило проводить наблюдения за такими космическими объектами, как квазары, пульсары, которые невозможно было бы наблюдать никаким другим способом.
Развитие современного естествознания связано с повышением роли так называемых косвенных наблюдений. Так, например, объекты, изучаемые ядерной физикой, не могут наблюдаться ни непосредственно, с помощью органов чувств человека, ни опосредованно, с помощью самых совершенных приборов. То, что ученые наблюдают в процессе эмпирических исследований в атомной физике, - это не сами микрообъекты, а только результаты их воздействия на определенные технические средства. Например, регистрацию взаимодействий элементарных частиц фиксируют только косвенно с помощью счетчиков (газозарядных, полупроводниковых и т.п.) или трековых приборов (камера Вильсона, пузырьковая камера и др.) Расшифровывая «картинки» взаимодействий, исследователи получают сведения о частицах и их свойствах.
Эксперимент - более сложный метод эмпирического познания, он предполагает активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект для выявления его определенных сторон и свойств. Преимущества эксперимента: во-первых, позволяет изучать объект в «чистом виде», т.е. устранять всякие побочные факторы, затрудняющие исследование. Во-вторых, позволяет изучать объект в некоторых искусственных, например, экстремальных, условиях, когда удается обнаружить удивительные свойства объектов, тем самым глубже постигать их сущность. Очень интересными и перспективными в этом плане являются космические эксперименты, позволяющие изучать объекты в таких особых условиях, как невесомость, глубокий вакуум, которые недостижимы в земных лабораториях. В-третьих, изучая какой-либо процесс, экспериментатор может вмешиваться в него, активно влиять на его протекание. В-четвертых, многократность, повторяемость эксперимента, который может быть повторен столько раз, сколько необходимо для получения достоверных результатов.
В зависимости от характера задач эксперименты делятся на исследовательские и проверочные. Исследовательские эксперименты позволяют делать открытия, обнаруживать у объекта новые, ранее неизвестные свойства. Так, например, эксперименты в лаборатории Э. Резерфорда показали странное поведение альфа-частиц при бомбардировке ими золотой фольги: большинство частиц проходило сквозь фольгу, небольшое количество частиц отклонялось и рассеивалось, а некоторые частицы не просто отклонялись, а отскакивали обратно, как мяч от сетки. Такая картина, согласно проведенным расчетам, получалась из-за того, что вся масса атома сосредоточена в ядре, занимающем ничтожную часть объема атома, и отскакивали обратно альфа-частицы, соударявшиеся с ядром. Так исследовательский эксперимент Резерфорда привел к обнаружению ядра атома, и тем самым к рождению ядерной физики.
Проверочные эксперименты служат подтверждению некоторых теоретических построений. Например, существование целого ряда элементарных частиц (позитрон, нейтрино и др.) было вначале предсказано теоретически.
Измерение - процесс, состоящий в определении количественных значений свойств или сторон изучаемого объекта с помощью специальных технических устройств. Результат измерения получается в виде некоторого числа единиц измерения. Единица измерения - это эталон, с которым сравнивается измеряемый объект. Единицы измерения подразделяются на основные, используемые в качестве базисных при построении системы единиц, и производные, выводимые из базисных с помощью некоторых математических соотношений. Методика построения системы единиц была впервые предложена в 1832 г. Карлом Гауссом. В предложенной системе в основу положены три произвольные единицы: длины (миллиметр), массы (миллиграмм), времени (секунда). Все остальные единицы можно было получить из этих трех. В дальнейшем с развитием науки и техники появились и другие системы единиц физических величин, построенных по принципу Гаусса. Кроме того, в физике появились так называемые естественные системы единиц, в которых основные единицы определялись из законов природы. Примером служит система единиц, предложенная Максом Планком, в основу которой были положены «мировые постоянные»: скорость света в вакууме, постоянная тяготения, постоянная Больцмана и постоянная Планка. Исходя из них (и приравняв их к «1»),Планк получил ряд производных единиц: длины, массы, времени, температуры. В настоящее время в естествознании действует преимущественно Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 году Генеральной конференцией по метрам и весам. Данная система является наиболее совершенной и универсальной из всех существовавших до настоящего времени и охватывает физические величины механики, термодинамики, электродинамики и оптики, которые связаны между собой физическими законами.
На теоретической стадии прибегают к абстракциям и образованию понятий, строят гипотезы и теории, открывают законы науки. К числу общенаучных теоретических методов относят сравнение, абстрагирование, идеализацию, анализ, синтез, дедукцию, индукцию, аналогию, обобщение, восхождение от абстрактного к конкретному. Главная их особенность в том, что это логические приемы, т.е. операции с мыслями, знаниями.
Сравнение - мысленная операция выявления сходства и различия изучаемых предметов. Частным случаем сравнения является аналогия: вывод о наличии того или иного признака у исследуемого объекта делается на основе обнаружения у него целого ряда сходных признаков с другим объектом.
Абстрагирование - мысленное выделение признаков предмета и рассмотрение их отдельно от самого предмета и других его признаков. Идеализация - мысленное конструирование ситуации (объекта, явления), которой приписываются свойства или отношения в «предельном» случае. Результатом такого конструирования являются идеализированные объекты, такие как: точка, материальная точка, абсолютно черное тело, абсолютно твердое тело, идеальный газ, несжимаемая жидкость и др. Благодаря идеализации процессы рассматриваются в «чистом виде», что позволяет выявить законы, по которым эти процессы протекают. Например: допустим, что некто идет по дорожке с багажной тележкой и внезапно перестает ее толкать. Тележка будет двигаться еще некоторое время, пройдя небольшое расстояние, а затем остановится. Можно придумать множество способов удлинения пути, проходимого тележкой после толкания. Однако устранить все внешние воздействия на длину пути невозможно. Но, рассматривая движение тела в «предельном» случае, мы можем заключить, что если совсем устранить внешние воздействия на движущееся тело, то оно будет двигаться бесконечно и при этом равномерно и прямолинейно. Такой вывод был сделан Галилеем и получил название «принцип инерции», а наиболее четко сформулирован Ньютоном в виде закона инерции.
С идеализацией связан такой специфический метод как мысленный эксперимент, который предполагает оперирование идеализированным объектом, замещающим в абстракции объект реальный.
Анализ - метод исследования, состоящий в разделении целого на части, с целью их самостоятельного изучения.
Синтез - соединение ранее выделенных частей в целое с целью выявления их взаимосвязи и взаимодействия. Связь анализа и синтеза вытекает из самой природы объектов, представляющих единство целого и его частей. Анализ и синтез обусловливают друг друга.
Индукция - логический метод, основанный на движении мысли от единичного или частного к общему. В индуктивном умозаключении истинность посылок (фактов) не гарантирует истинности выводимого заключения, оно будет лишь вероятностным. Метод научной индукции основан на выяснении причинной (каузальной) связи исследуемых явлений. Каузальность - такое внутреннее отношение между двумя явлениями, когда одно из них порождает, вызывает другое. Это отношение содержит: явление, которое претендует на то, чтобы быть причиной; явление, которому мы приписываем характер действия (следствия), и обстоятельства, в которых происходит взаимодействие причины и действия.
Для причинной связи характерно:
· причина постоянно предшествует своему действию во времени; это значит, что причину данного явления следует искать среди обстоятельств, предшествующих ему во времени, учитывая факт некоторого сосуществования во времени причины и следствия.
· Причина порождает действие, обусловливает его появление; это значит, что одного предшествования во времени недостаточно для каузальной связи, повод - условие, предшествующее возникновению явления, но не порождающее его.
· Связь причины и следствия необходима; это означает, что можно доказать отсутствие причинной связи в случае, когда действие наступает, а предполагаемой причины не наблюдалось.
· Связь причины и действия всеобща; это значит, что каждое явление имеет причину, поэтому, как правило, наличие причинной связи нельзя установить на основании единичного явления, необходимо изучение определенного множества явлений, в рамках которого систематически проявляется искомая причинная связь.
· С изменением интенсивности причины изменяется и интенсивность действия. Это наблюдается тогда, когда причина и следствие определенное время сосуществуют.
На этих свойствах основаны методы открытия причинных связей, разработанные Ф. Бэконом (1561- 1626), а затем усовершенствованные английским философом, логиком, экономистом Джоном Стюартом Миллем (1806-1873). Эти методы получили название методов научной индукции. Всего их пять:
1. Метод единственного сходства: если какое-то обстоятельство постоянно предшествует наступлению исследуемого явления в то время, как иные обстоятельства изменяются, то это условие, вероятно, и есть причина данного явления.
2. Метод единственного различия: если какое-то условие имеет место, когда наступает исследуемое явление, и отсутствует, когда этого явления нет, а все остальные условия остаются неизменными, то, вероятно, данное условие представляет собой причину исследуемого явления.
3. Соединенный метод сходства и различия: если два и большее число случаев, когда наступает данное явление, сходны только в одном условии, в то время как два или более случаев, когда данное явление отсутствует, отличаются от первых только тем, что отсутствует это условие, то это условие, вероятно, и есть причина наблюдаемого явления.
4. Метод сопутствующих изменений: если с изменением условий в той же степени меняется некоторое явление, а остальные обстоятельства остаются неизменными, то, вероятно, данное условие является причиной наблюдаемого явления.
5. Метод остатков: если сложные условия производят сложное действие и известно, что часть условий вызывает определенную часть этого действия, то остающаяся часть условий вызывает остающуюся часть действия.
Дедукция - это движение мысли от общих положений к частным или единичным. Дедукция - общенаучный метод, но особенно большое значение дедуктивный метод имеет в математике. В науке Нового времени разрабатывал и пропагандировал дедуктивно-аксиоматический метод познания выдающийся философ и математик Р. Декарт. Его методология была прямой противоположностью эмпирическому индуктивизму Бэкона.
Из общего положения, что все металлы обладают электропроводностью, можно сделать вывод об электропроводности конкретной медной проволоки, зная, что медь - металл. Если исходные общие положения являются истинными, то дедукция всегда будет давать истинный вывод.
Наиболее распространенным видом дедукции является простой категорический силлогизм, в котором устанавливается отношение между двумя крайними терминами S и P на основании их отношения к среднему термину M. Например:
Все металлы (M) проводят электрический ток (P).
Важное место в теории дедуктивных рассуждений занимает также условно-категорическое умозаключение.
Утверждающий модус (modus ponens):
Если у человека повышена температура (a), он болен (b). У этого человека повышена температура (a). Значит, он болен (b).
Как видно, мысль здесь движется от утверждения основания к утверждению следствия: (a --› b,a) --› b.
Отрицающий модус (modus tollens):
Если у человека повышена температура (a), он болен (b). Этот человек не болен (не-b). Значит, у него нет повышенной температуры (не-a).
Как видно, здесь мысль движется от отрицания следствия к отрицанию основания: (a --› b, не-b) --› не-a.
Дедуктивная логика играет важнейшую роль в обосновании научного знания, доказательстве теоретических положений.
Аналогия и моделирование. Оба эти метода основаны на выявлении сходства в предметах или отношениях между предметами. Модель - искусственно созданное человеком устройство, которое в определенном отношении воспроизводит реально существующие предметы, являющиеся объектом научного исследования. Моделирование основано на абстрагировании сходных признаков у разных предметов и установлении между определенного соотношения между ними. С помощью моделирования можно изучать такие свойства и отношения исследуемых явлений, которые могут быть недоступны непосредственному изучению В хорошо известной планетарной модели атома его строение уподобляется строению Солнечной системы. Вокруг массивного ядра на разном расстоянии от него движутся по замкнутым траекториям легкие электроны, подобно тому, как вокруг солнца обращаются планеты. В этой аналогии устанавливается, как и обычно, сходство, но не самих предметов, а отношений между ними. Атомное ядро не похоже на Солнце, а электроны - на планеты. Но отношение между ядром и электронами во многом подобно отношению между Солнцем и планетами.
Аналогия между живыми организмами и техническими устройствами лежит в основе бионики. Это направление кибернетики изучает структуры и жизнедеятельность организмов; открытые закономерности и обнаруженные свойства используются затем для решения инженерных задач и построения технических систем, приближающихся по своим характеристикам к живым системам.
Таким образом, аналогия не только позволяет объяснить многие явления и сделать неожиданные и важные открытия, она приводит даже к созданию новых научных направлений или коренному преобразованию старых.
Виды моделирования.
Мысленное (идеальное) моделирование - построение различных мысленных представлений в форме воображаемых моделей. Например, в идеальной модели электромагнитного поля, созданной Максвеллом, силовые линии представлялись в виде трубок различного сечения, по которым течет воображаемая жидкость, не обладающая инерцией и сжимаемостью.
Физическое моделирование - воспроизведение в модели процессов, свойственных оригиналу, на основе их физического подобия. Оно широко используется для разработки и экспериментального изучения различных сооружений (плотин электростанций и т.п.), машин (аэродинамические качества самолетов, например, исследуются на их моделях, обдуваемых воздушным потоком в аэродинамической трубе), для изучения эффективных и безопасных способов ведения горных работ и т.д.
Символическое (знаковое) моделирование связано с представлением в качестве моделей разнообразных схем, графиков, чертежей, формул. Особой разновидностью символического моделирования является математическое моделирование. Символический язык математики позволяет выражать свойства, стороны, отношения объектов самой различной природы. Взаимосвязи между различными величинами, описывающими функционирование изучаемого объекта, выражается соответствующими уравнениями.
Численное моделирование на ЭВМ основывается на математической модели изучаемого объекта и применяется в случаях больших объемов вычислений, необходимых для исследования данной модели, для чего создается специальная программа. В этом случае в качестве модели выступает алгоритм (программа для ЭВМ) функционирования изучаемого объекта.
3. Формы научного знания

Осваивая действительность самыми разнообразными методами, научное познание проходит разные этапы. Каждому из них соответствует определенная форма знаний. Основными из них являются факт, теория, проблема (задача), гипотеза, программа.
Факт. В обычном смысле слова «факт» (от лат. factum - сделанное, совершившееся) является синонимом слова «истина», «событие», «результат». Как логическая форма факт - суждение о единичном. Например, «Земля обращается вокруг Солнца», «Вода при 100С превращается в пар».
Большую роль в выработке и накоплении фактов в естествознании всегда играли наблюдения и эксперименты. Можно утверждать, что наука начинается с фактов. Каждая научная дисциплина проходит длительный период их накопления. Для естественных наук он охватывает ХV-ХVII века, значительную роль в формировании фактической базы естествознания сыграли великие географические открытия.
Теория является логически организованной системой научных знаний, которая дает целостное и всестороннее описание объекта.
Структура научной теории:
исходный эмпирический базис - факты наблюдений и данные экспериментов;
исходный теоретический базис - аксиомы, постулаты, допущения, законы и т.д.
логический аппарат - правила вывода и доказательства;
совокупность выведенных следствий с их доказательствами.
Функции теории: 1) объяснительная; 2) систематизирующая; 3) предсказательная; 4) методологическая.
1) Объяснить факт - значит, подвести его под эмпирический или теоретический закон, если теория носит завершенный характер. Подчинение факта теории носит дедуктивный характер и принимает форму силлогизма.
2) В процессе систематизации факт (в результате объяснения) включается в более широкий контекст знаний, тем самым происходит установление связей факта с другими фактами и, таким образом, факты приобретают определенную целостность.
3) Предсказание реализуется в способности теории к дальним и точным прогнозам. Предсказательная мощь теории зависит главным образом от двух факторов: во-первых, от глубины и полноты познания сущности явлений, во-вторых, теоретическое предсказание находится в обратной зависимости от сложности и нестабильности исследуемого процесса, и чем сложнее и неустойчивее этот процесс, тем рискованнее прогноз. К самым простым системам причисляют, как известно, системы, изучаемые небесной механикой. Даже простые первоначальные обобщения астрономических наблюдений, сделанные древними китайцами более 2000 лет до н. э., позволили им с большой точностью предсказывать солнечные затмения. Геоцентрическая система Птолемея была более мощной в своих предсказаниях и позволяла предвидеть также расположения планет на небосклоне, моменты равноденствий и др. Пользуясь ею, прокладывали пути своих каравелл Колумб, Васко де Гама, Америго Веспуччи. Однако она была беспомощна во многих предсказаниях, в частности, при определениях длительности года, и, в конце концов, привела к созданию гелиоцентрической системы Коперника, где многие трудности тогдашней астрономии были преодолены.
4) Методологическая функция означает, что теория выступает в качестве опоры и средства дальнейшего исследования. Наиболее эффективный научный метод есть истинная теория, направленная на практическое применение, на разрешение определенного множества задач и проблем. Квантовая теория, например, - не только объяснение процессов атомного масштаба, но и действенный метод дальнейшего познания микромира.
Задача и проблема. Под научной задачей понимают решаемый наукой вопрос, имеющий достаточно средств для своего разрешения. Если же их недостаточно, то он называется научной проблемой. В структуре задачи или проблемы выделяются: 1) неизвестное (искомое); 2) известное (условие или предпосылки задачи или проблемы).
Итак, проблема - это такой научный вопрос, на который нельзя ответить, пользуясь имеющимися в наличии знанием и средствами. Осознание такой ситуации, когда невозможно старыми средствами решить данную задачу, означает наличие проблемной ситуации. Она характеризуется:
1) фиксацией существующего пробела в имеющемся знании, противоречия между знанием и незнанием, известным и неизвестным, осознанием невозможности имеющимися средствами объяснить какие-то факты;
2) осознанием материала и средств, имеющихся в распоряжении исследователя для достижения поставленной цели. Лишь на определенной ступени развития общества приходит время для постановки тех или иных проблем. Каждая проблема - это дитя своего времени.
Противоречия между теорией и фактами - главный источник проблем и задач в науке. Наличие этого противоречия и есть проблемная ситуация. Проблема появляется в результате осознания потребности в разрешении противоречия. Конкретный анализ проблемных ситуаций показывает, что далеко не каждая проблема сразу же приобретает характер вопроса. Не всякое исследование начинается с выдвижения проблемы и кончается ее решением. Нередко бывает так, что проблема формулируется одновременно с ее решением. Иногда бывает даже, что она осознается полностью только через некоторое время после решения. Зачастую поиск проблемы сам вырастает в отдельную проблему, решение которой требует особого таланта. «Великая проблема, - писал Ф. Ницше, - подобна драгоценному камню: тысячи проходят мимо, пока, наконец, один не поднимет его».
Сложность процесса созревания и раскрытия проблем хорошо чувствуют сами ученые, постоянно сталкивающиеся с самыми разнообразными проблемами. Альберт Эйнштейн говорил о том, что сформулировать проблему часто важнее и труднее, чем решить ее.
Таким образом, в содержание проблемы входит знание о том, чего можно достичь при имеющихся в наличии предпосылках. В этом смысле проблема есть способ организации научного исследования. Она ориентирует исследование в определенном направлении и указывает на все возможные известные средства, которые необходимо применить для получения нового знания. Поскольку между знанием и незнанием существует некая связь, научная проблема в процессе исследования перерастает в гипотезу.
Гипотеза. В первоначальном значении термин «hypothese» означал недоказанное утверждение, принимаемое с целью доказательства. Отсюда легко делался вывод, что гипотеза опережает всякое доказательство, и значит, гипотеза есть создание ума, предоставленного самому себе. Поэтому знанию, претендующему на объективность, следует избегать гипотез. «Гипотез не измышляю!» - этими словами Ньютона можно выразить негативное отношение к гипотезе как источнику заблуждений, которое сложилось в бурно развивающемся естествознании Нового времени. Ученые XVI-XVIII вв., тем не менее, пользуются гипотезами, выдвигают их, тем самым, доказывая, что научное познание невозможно без гипотез. Дидро, Пристли, Ломоносов - первыми сделали решительный шаг по пути признания роли гипотез в научном исследовании. Теория и эксперимент связаны прочными узами: все в эксперименте делается для того, чтобы открыть какую-нибудь гипотезу, гипотеза, в свою очередь, ведет к новым экспериментам, которые дают новые факты, развивающие знание об объекте.
Гипотеза - это научное предположение, опирающееся на факты, выраженное в форме суждения, или системы взаимосвязанных суждений, о причине, механизме изучаемых явлений. По своей логической структуре гипотеза является вероятностным суждением, т.к. истинность ее не определенна. По своей познавательной функции гипотеза выступает либо как форма развивающегося знания от проблемы к теории, либо как структурный элемент теории. Гипотеза как процесс мышления складывается из двух последовательных этапов: 1) построение гипотезы; 2) обоснование ее логическими методами.
Построение гипотезы начинается с выдвижения предположения о возможной причине интересующего нас явления. Это сложный логический процесс, в котором используются различные методы: индукция, дедукция, аналогия, анализ, синтез. Мышление идет от анализа фактов к заключению о причинах явлений и, следовательно, к объяснению фактов. Опора на факты, их анализ - вот что отличает гипотезу от простой догадки, фантазии или вымысла. Для построения гипотезы, поэтому, следует оперировать как можно большим объемом фактического материала.
Гипотезы возникают не только для объяснения эмпирического материала, но и для разрешения противоречий, появляющихся на теоретическом уровне. Например: 200 лет в физике сосуществовали две теории света: корпускулярная (Ньютона) и волновая (Гюйгенса). Луи де Бройль в 20-е годы ХХ в. выдвинул гипотезу, что любая частица, независимо от ее движения, есть одновременно и волна, и корпускула. В результате этого два обособленных раздела физики - механика и волновая оптика - оказались взаимосвязаны.
Таким образом, гипотеза может возникать как путем индуктивного обобщения опытных данных, так и в результате интуиции и последующей дедукции.
Проверка (доказательство) гипотезы - необходимый этап на пути движения научного познания к достоверному знанию, и, чтобы стать достоверным, оно должно быть обосновано. В процессе проверки гипотеза либо принимается, т.е. входит в качестве элемента в научную теорию или же сама превращается в теорию, либо отвергается. Проверка гипотезы на ее состоятельность проходит последовательно два этапа: из данной гипотезы выводятся логические следствия, и затем проводится их эмпирическая проверка с целью установления соответствия следствий и данных опыта. Если соответствие установлено, то гипотезу можно применять в качестве научного предположения. Дополнительная достоверность гипотезы определяется тем, что следствия, выводимые из нее, предсказывают факты, существование которых подтверждается ходом исследований. В этом состоит эвристическая роль гипотезы. На основе квантово-релятивистской теории Поль Дирак предположил, что существует частица, сходная с электроном, но противоположная по заряду, и предвосхитил открытие позитрона. Состоятельность гипотезы проверяется и путем сопоставления ее следствий с теоретическими положениями, истинность которых доказана. Если нет противоречия, то можно говорить о ее достоверности.
Очень часто ученым приходится безвозвратно отказываться от гипотезы в связи с ее опровержением. Такая судьба, например, оказалась у гипотезы истечения Ньютона, в которой считалось, что скорость распространения света в стекле, воде и т.д. является более высокой, чем в воздухе, у гипотезы вечного двигателя в связи с открытием законов сохранения и др.
Обычно при анализе фактических данных выдвигается несколько гипотез, объясняющих данный класс явлений, - так называемые «конкурирующие гипотезы». В борьбе конкурирующих гипотез большую роль играют «решающие эксперименты». Они проводятся тогда, когда из этих гипотез удается вывести следствия, противоречащие друг другу, но которые можно сопоставить с данными эксперимента. Подтверждение следствий одной гипотезы будет свидетельствовать об опровержении следствий другой. Это значит, что и гипотеза, из которой получены такие следствия, также признается ложной. Гипотеза, альтернативная ей, хотя и не признается пока истинной, но приобретает большую вероятность.
Требования к гипотезе:
Гипотеза должна быть принципиально проверяемой, т.к. ее содержание должно быть сопоставимо с содержанием эмпирических данных.
Гипотеза должна быть обоснована не только эмпирически, но и теоретически (не противоречить установленным наукой законам).
Гипотеза не должна быть внутренне противоречивой.
Простота гипотезы. Из «конкурирующих» гипотез выбирается та, которая является наиболее простым объяснением. Сами ученые называют это требование «бритвой Оккама» по имени философа Уильяма Оккама. Смысл этого правила в том, что более простые объяснения природных явлений с большей вероятностью могут оказаться правильными, чем более сложные. Если мы располагаем двумя гипотезами, объясняющими одни и те же явления, то следует выбирать ту из них, которая включает наименьшее из возможных число допущений или сложных выкладок, отсекая (как бритвой) те, которые содержат избыточные принципы. «Бритва Оккама» оказалась исключительно полезным методологическим правилом, однако в современной науке его применяют с осторожностью, т.к. он не является верным в каждом конкретном случае.
Закон науки. Чаще всего научное познание связано с поиском универсальных общезначимых и достоверных законов, которые могут быть в любой момент экспериментально проверены. Научные дисциплины такого типа называют номологическими (от греч. nomos- закон). К ним относится большая часть научных дисциплин. Закон - устойчивая повторяющаяся связь явлений. Установление законов науки связано с обнаружением повторяемых и воспроизводимых феноменов. Законы науки играют роль важнейших принципов объяснения каких-либо фактов. Поэтому закон является главным структурным элементом научной теории. Противоречие фактов закону, как мы уже видели, означает проблемную ситуацию, разрешением которой является гипотеза. Например, проводившиеся в Х1Х в. наблюдения за движением планеты Уран показали, что оно противоречит предсказаниям, сделанным на основании законов Ньютона. Это влекло за собой предположение о ложности законов Ньютона. Однако вместо того, чтобы опровергать законы Ньютона, Леверье и Адамс выдвинули догадку о том, что вблизи Урана может находиться не обнаруженная до сих пор планета, которая и отвечает за аномальное движение Урана. Галле занялся поисками этой планеты. Так была открыта планета Нептун.
В зависимости от методологии законы науки делятся на эмпирические, полученные с помощью индуктивного обобщения, и теоретические, полученные путем идеализации.
Научная программа. Достижение научных целей невозможно без решения комплексов проблем и задач. Для обозначения этих комплексов в методологию научного познания было введено понятие «научная программа». Научная программа представляет собой систему целей, средств, ценностей. В рамках научной программы формулируются общие теоретические положения, задаются идеалы научного познания и организации научного знания, его оценки.
4. Принципы естествознания. Способы обоснования (модели) естественнонаучного знания

Принципы естествознания:
Формально-логические принципы: обоснованности, однозначности, непротиворечивости, полноты, которые выражаются в основных законах логики:
Закон тождества - в процессе рассуждения всякая мысль должна оставаться равной самой себе ( А=А)
Закон непротиворечия - никакое суждение и его отрицание не могут быть истинными в одно и то же время (неверно, что А и не-А)
Закон исключенного третьего - из двух противоречащих суждений только одно является истинным (либо А, либо не-А)
Закон достаточного основания - каждая мысль должна быть достаточно обоснованной.
А также принцип соответствия: должно быть соответствие между старой и новой теорией, в некотором пределе математический аппарат новой теории должен совпадать с математическим аппаратом старой теории.
Эмпирические принципы (верификация - соответствие фактам): согласованность теоретических утверждений с фактическим материалом, возможность их эмпирического подтверждения и опровержения. От научных положений требуется, чтобы они допускали принципиальную возможность опровержения (фальсификация) и предполагали определенные процедуры своего подтверждения. Если этого нет, то относительно какого-то положения нельзя сказать, какие ситуации и факты несовместимы с ним, а какие - поддерживают его. Например, в начале ХХ века биолог Г. Дриш попытался обосновать наличие у живых существ так называемой «жизненной силы», заставляющей их вести себя определенным образом. Эта сила, названная им «энтелехией», имеет различные виды в зависимости от стадии развития организма. В простейших организмах энтелехия сравнительно проста, у человека она значительно сложнее и отвечает за все, что происходит в его теле. Дриш не определял, чем энтелехия, например, дуба отличается от энтелехии бегемота. Он просто утверждал, что каждый организм имеет собственную энтелехию. Законы биологии он истолковывал как проявление энтелехии. Так, например, если полностью отрезать у морского ежа конечность, он не выживет; если отрезать другим способом, то еж выживет, и у него вырастет неполная конечность; если разрез сделать иначе и на определенной стадии роста ежа, то конечность восстановится полностью. Можно ли было эмпирически проверить наличие энтелехии? Нет, поскольку она ничем себя не проявляла. Гипотеза энтелехии ничего не добавляла к научному объяснению, и вскоре была отброшена как бесполезная.
Прагматические принципы:
принцип простоты - требование использовать при объяснении изучаемого объекта как можно меньше независимых допущений, которые при этом должны быть как можно более простыми;
принцип привычности - требование объяснять, насколько это возможно, новые явления с помощью известных законов;
принцип технологической применимости - требование максимальной эффективности практического применения полученного знания.
В истории естественнонаучного познания сложились три модели построения научного знания (или теории):
Дедуктивно-аксиоматическая модель - способ построения научного знания, при котором в основу кладутся некоторые исходные положения, не требующие доказательства в силу своей очевидности, - аксиомы или постулаты. Все остальные утверждения выводятся из них чисто логическим дедуктивным путем, посредством доказательства. Исходные положения, принимаемые без доказательства, называются постулатами, положения, доказываемые на их основе, - теоремами. Аксиоматический метод зародился в Древней Греции и приобрел известность благодаря «Началам» Эвклида - это было первое аксиоматическое истолкование геометрии.
В настоящее время дедуктивно-аксиоматическая модель стала использовать особый подход - формализацию. В научном исследовании стали применяться формализованные (искусственные) языки. Процесс формализации связан с наличием трех условий: 1) алфавита - определенного набора знаков, имеющих только одно значение; 2) алгоритма - правил перевода научных высказываний на язык формул; 3) правил вывода.
Формализованные языки имеют перед естественным языком важнейшие преимущества: 1) возможность проведения исследования чисто формальным путем (оперирование знаками) без непосредственного обращения к объекту;
2) моносемичность (каждый знак имеет только одно значение). Однако возможности любого формализованного языка остаются принципиально ограниченными, что показал в своей знаменитой теореме неполноты в начале 30-х годов ХХ в. австрийский математик и логик Курт Гёдель. Дедуктивно-аксиоматическая модель обоснования научного знания лежит в основе концепции рационализма.
2. Индуктивистская модель связана с принципами научной индукции. Как мы уже выяснили, научная индукция основана на выявлении причинной связи между явлениями (каузальное объяснение). Эта модель обоснования научного знания лежит в основе концепции эмпиризма.
3. Гипотетико-дедуктивная (стандартная) модель представляет собой взаимосвязь индукции и дедукции и является способом получения теоретических законов с помощью гипотез. Суть этой концепции состоит в следующем: единообразие мира, которое наука выражает в виде законов различной степени общности; познание начинается с фактов, т.е. результатов наблюдений и экспериментов; в процессе обобщения фактов (индукция) формулируются эмпирические законы, которые объясняют именно данные факты. Однако от фактов и эмпирических законов нет прямого пути к теоретическим законам. Из теоретических законов можно дедуцировать эмпирические законы, но сами теоретические законы получены путем гипотезы (догадки). Именно в этом контексте становится понятной фраза Эйнштейна о том, что никакой логический путь не ведет от наблюдений к основным принципам теории. Возникновение догадки - это иррациональный компонент познания, в этом процессе огромная роль принадлежит интуиции.
Если же рассматривать знание о природе с точки зрения его формы и используемого языка, то можно выделить такие виды естествознания, как: математическое, таксономическое и дескриптивное. Математическое естествознание - высшая форма развития научного знания. Наиболее математизированной из всех наук о природе является физика, затем химия, которая в своем учении об атомно-молекулярной структуре вещества тесно связана с физикой. Математический аппарат используется и в биологии, а также в других естественных науках, однако в них он не является основным способом изложения знания, здесь главную роль играют классификации (таксономия) и описание (дескрипция).
Блестящим примером научной классификации является периодическая система элементов Д.И. Менделеева. Она фиксирует закономерные связи между химическими элементами и определяет место каждого из них в единой таблице. Это позволило сделать замечательно подтвердившиеся прогнозы относительно неизвестных еще элементов.
Всеобщую известность в ХVIII - ХIХ вв. получила классификация живых существ К. Линнея. Он видел задачу описательного естествознания в расположении объектов наблюдения - элементов живой и неживой природы - в строгий порядок по ясным и конкретным признакам. Классификация должна была выявить строгие закономерности и порядок в строении мира, с помощью которых можно было бы дать полное и глубокое объяснение природы.
В описательных науках мысль исследователя вынуждена обращаться непосредственно к данным наблюдения и эксперимента, здесь реже удается обнаружить закономерные связи. Описательные методы широко используются в биологии, медицине и т.п. Описание изучаемых явлений может быть словесным, графическим, схематическим. Для некоторых особенно сложных явлений этот метод является наиболее подходящим; сами явления таковы, что они не подчиняются жестким требованиям гипотетико-дедуктивного метода.
Основные понятия темы:
Природа - это весь материально-энергетический и информационный мир Вселенной.
Метод - совокупность принципов, правил и приемов практической и теоретической деятельности.
Эмпиризм - направление в методологии, признающее опыт единственным источником достоверного знания, сводящее содержание знания к описанию этого опыта.
Рационализм - направление в методологии, согласно которому достоверное знание дает только разум, логическое мышление.
Факт - 1) действительное событие, то, что существует на самом деле;
2) (научный факт) - суждение о единичном, полученное в результате наблюдения, эксперимента.
Принцип - сложная, концентрированная форма знания, которая аккумулирует в себе основное направление исследования, его «дух».
Теория - логически организованная система научных знаний, которая дает целостное и всестороннее описание объекта.
Проблема - это такой научный вопрос, на который нельзя ответить, пользуясь имеющимися в наличии средствами.
Концепция - основной способ понимания, трактовки каких-либо явлений.
Гипотеза - это научное предположение, опирающееся на факты, выраженное в форме суждения, или системы взаимосвязанных суждений, о причине, механизме изучаемых явлений.
Верификация (эмпирическое подтверждение) - процедура проверки научных высказываний через сведение их к опыту.
Натурфилософия - умозрительный подход к пониманию природы как целого.
Тема 3. Динамика естествознания и тенденции его развития
1. Возникновение естествознания. Проблема начала науки

Для понимания того, что представляет собой современное естествознание, важно выяснить, когда оно возникло. Существует несколько точек зрения по вопросу о начале науки. Иногда отстаивается позиция, что естествознание возникло в каменном веке, когда человек стал накапливать и передавать знания о мире. Джон Бернал в книге «Наука в истории общества» пишет: «Так как основное свойство естествознания заключается в том, что оно имеет дело с действенными манипуляциями и преображениями материи, главный поток науки вытекает из практических технических приемов первобытного человека…»
Некоторые историки науки считают, что естествознание возникло в Древней Греции, где на фоне разложения мифологического мышления возникают первые программы исследования природы. Уже в Древнем Египте и Вавилоне были накоплены значительные математические знания, но только греки начали доказывать теоремы. Если науку трактовать как знания с его обоснованием, то вполне справедливо считать, что она возникла примерно в V веке до н.э. в городах-полисах Греции - очагах будущей европейской культуры.
Большинство историков науки считает, что о естествознании в современном значении этого слова можно говорить только начиная с ХVI- ХVII вв. Это эпоха научной революции, связанная с именами И. Кеплера, Х. Гюйгенса, Г. Галилея, И. Ньютона. Рождение естествознания в этом случае отождествляется с рождением современной физики и необходимого для нее математического аппарата. В это же время происходит становление науки как социального института. В 1662 г. возникает Лондонское Королевское общество, в 1666 г. - Парижская Академия Наук.
Существует точка зрения, что современное естествознание возникло в конце ХIХ в. В это время наука оформляется в особую профессию благодаря в первую очередь реформам Берлинского университета, проходившим под руководством Вильгельма Гумбольдта. В результате этих реформ появилась новая модель университетского образования, в которой обучение совмещено с научно - исследовательской деятельностью. Эта модель науки была лучше всего реализована в лаборатории известного химика Ю. Либиха в Гессене. Процесс превращения науки в профессию завершает ее становление как современной науки.
Таким образом, наука - это сложное многогранное социальное образование, поэтому в зависимости от того, какой аспект ее развития мы делаем предметом анализа, мы получим разные точки отсчета возникновения науки:
- как знания и деятельность по производству этих знаний - с начала человеческой культуры;
- как форма общественного сознания - Др. Греция V века;
- как социальный институт - Новое время;
- как система подготовки кадров - середина ХIХ века;
- как непосредственная производительная сила - вторая половина ХХ века.
2. Основные модели развития естественнонаучного знания

В методологии науки существует множество моделей логики развития научного знания, но некоторые из них все же являются приоритетными. Рассмотрим некоторые из них.
Концепция развития науки, разработанная американским философом Томасом Куном и представленная в его книге «Структура научных революций», еще в 60-е годы ХХ века собрала наибольшее число сторонников. Т. Кун отметил такой интересный факт: ученые-обществоведы спорят, в основном, по фундаментальным вопросам, представители естествознания по таким вопросам спорят очень редко, только тогда, когда их науки переживают кризис. Обычно естествоиспытатели долго работают в определенных рамках, очерченных фундаментальными научными открытиями.
Т. Кун ввел понятие «парадигма» (признанная научным сообществом модель постановки и решения проблем). В рамках парадигмы формулируются общие базисные положения, используемые в теории, задаются идеалы научного объяснения и организации научного знания, его оценки.
Парадигма содержит особый способ организации знания, влияющий на выбор направления исследований и образцы решения конкретных проблем. Сама парадигма не выполняет непосредственно объяснительной функции и не является теорией, хотя и основана на определенной фундаментальной теории. Она выступает в роли предпосылки построения и обоснования различных теорий и определяет стиль научных исследований. Т. Кун причислял к парадигмам в истории науки аристотелевскую динамику, птолемеевскую астрономию, ньютоновскую механику и т.д.
Развитие научного знания внутри парадигмы получило название «нормальной науки». Смена парадигм является научной революцией. Например, смена классической ньютоновской физики релятивистской эйнштейновской.
Таким образом, согласно модели Куна, развитие науки представляет собой единство экстенсивного («нормальная наука») и интенсивного (научная революция) этапов. Утверждение новой парадигмы происходит в условиях огромного противодействия сторонников прежней. Поскольку новых подходов может быть несколько, то выбор принципов, составляющих будущую парадигму, происходит не рациональным способом, а скорее в результате иррационального акта веры в то, что мир устроен именно так.
В ответ на это появились другие альтернативные модели науки. Имре Лакатос (Лакатош) предложил методологию научно-исследовательских программ, которая в отличие от модели Т. Куна основана на выборе одной из конкурирующих программ путем применения четких, рациональных критериев. История развития науки - это конкуренция научно - исследовательских программ, имеющих следующую структуру:
- «жесткое ядро», заключающее в себе исходные положения, неопровержимые для сторонников программы.
- «защитный пояс» - включает гипотезы, изменения в нем не затрагивают «жесткого ядра».
- «негативная эвристика» - защита ядра программы с помощью вспомогательных гипотез и допущений, которые снимают противоречия с аномальными фактами.
- «позитивная эвристика» - предположения, направленные на то, чтобы изменять и развивать «опровержимые варианты» исследовательской программы, т.е. определять проблемы, выделять защитный пояс вспомогательных гипотез, предвидеть аномалии и т.п. Ученые, работающие в рамках какой-либо научно-исследовательской программы, могут долгое время игнорировать противоречивые факты и критику. Они считают, что решение конструктивных задач, которое определяется «позитивной эвристикой», приведет к объяснению непонятных фактов. Это дает устойчивость развитию науки. Однако позитивная эвристическая сила любой научно-исследовательской программы все же исчерпывает себя и на смену ей приходит другая. Такое вытеснение одной программы другой является научной революцией.
Таким образом, источником развития науки является конкуренция научных программ, обусловливающая непрерывный рост научного знания.
Третья модель развития науки принадлежит американскому философу К. Попперу. Она получила название «концепции перманентной революции». В ее основе лежит принцип фальсификации: теория считается научной, если она опровержима. Прямое подтверждение теории часто затруднено невозможностью учета всех частных случаев ее действия, а для опровержения теории достаточно всего одного случая, с ней не совпадающего. Если теория сформулирована так, что ситуация, в которой она будет опровергнута, может существовать, то она является научной. Теория, не опровержимая в принципе, не может быть научной. Познание идет в направлении: теория - факты - новые проблемы. Развитие науки и есть движение от одних проблем к другим в ходе непрерывной революции.
3. Научные революции и смена картин мира

Естествознание - это такая система знаний о природе, которая представляет собой нечто единое и цельное. Чтобы подчеркнуть фундаментальный характер основных и важнейших знаний о природе, ученые ввели понятие естественнонаучной картины мира (ЕНКМ), под которой понимают систему важнейших принципов и законов, лежащих в основе объяснения природы. (Картина мира - целостный, непротиворечивый образ действительности).
Как правило, в формировании такой картины важную роль играют концепции и теории наиболее развитых отраслей естествознания, которые выдвигаются в качестве его лидеров. Это не означает, что другие науки не участвуют в формировании картины природы. ЕНКМ - результат синтеза фундаментальных открытий и результатов исследования всех отраслей естествознания. ЕНКМ оказывает воздействие на другие отрасли науки, в том числе и гуманитарные, и определяет научный климат эпохи.
ЕНКМ - целостная система представлений об общих свойствах и закономерностях природы, возникающая в результате синтеза основных естественнонаучных принципов.
История естествознания свидетельствует о том, что лидером естествознания была и остается физика - наиболее развитая и систематизированная наука о природе. Когда формировалось мировоззрение европейской цивилизации Нового времени, и складывалась научная картина мира, ее определяли именно принципы и концепции физики.
В истории естествознания сменяли друг друга физические картины мира:
Механическая картина мира (МКМ)
Электромагнитная картина мира (ЭМКМ)
Квантово-релятивистская картина мира (КРКМ).
Как видно, физическая картина мира обусловлена той фундаментальной теорией, с помощью которой объясняли или пытались объяснить любые явления природы. Рассмотрим особенности каждой из них.
Характерные особенности механической картины мира:
- атомизм - учение о мире как совокупности огромного числа неделимых частиц, перемещающихся в пространстве и времени. Поэтому МКМ часто называют корпускулярной концепцией природы. Материя - это атомы.
- движение - ключевое понятие, из него выводились понятия силы, массы, тяготения. (Ньютон: законы движения есть законы мироздания).
- принцип дальнодействия (Ньютон): взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников;
- принцип абсолютности пространства и времени, которые не связаны с движением тел. Пространство является пустым вместилищем тел, время - чистая длительность.
- принцип детерминизма: любые события жестко предопределены законами механики. Согласно этому принципу можно точно и однозначно определить состояние механической системы ее предыдущим состоянием, случайности исключаются.
- принцип редукционизма: сведение закономерностей более высоких форм движения материи к законам простейшей формы - механической. Образ мира - машина, совершенный часовой механизм.
Световые, тепловые, электрические, магнитные явления не вписывались в механическую картину мира.
Электромагнитная картина мира.
Майкл Фарадей ввел понятие электромагнитного поля, проводил опыты по его изучению, пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными. (Континуальность - непрерывность). На основе опытов по изучению электромагнитного поля Джеймс Клерк Максвелл создал электромагнитную теорию, которая легла в основу новой картины мира.
Основные черты ЭМКМ:
- электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точечными силовыми центрами. Поэтому ЭМКМ называют континуальной концепцией природы.
- в корне изменились взгляды на материю, пространство, время и силу. Материя - единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами (электрическими зарядами) и волновое движение в нем (колебания). Движение не есть механическое перемещение, а распространение колебаний в поле, которые описываются не законами механики, а законами электродинамики.
- пустого пространства нет, так как поле является абсолютно непрерывной материей. Реляционное понимание пространства и времени. Пространство и время зависят от материи.
- принцип близкодействия (Фарадей): любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.
- принцип детерминизма стал включать понятие вероятности. Случайность - форма проявления необходимости.
- отказ от механистического редукционизма.
Квантово-релятивистская картина мира.
В современной физике в основе объяснения мира лежат две фундаментальные теории - квантовая теория и теория относительности Эйнштейна. Хотя они и пересекаются, но относятся к разным уровням наблюдения. Квантовая теория необходима для изучения явлений на микроуровне (атомы, ядерные и субъядерные феномены), теория относительности относится к астрономическим скоростям и расстояниям.
Характерные черты КРКМ:
- Корпускулярно-волновой дуализм.
- Основным материальным объектом является квантовое поле, переход которого из одного состояния в другое меняет число частиц. Основная особенность элементарных частиц - универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость.
- Движение - частный случай физического взаимодействия. Известны 4 вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Они описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи всегда конечна и не может превышать скорость света в вакууме (300 тыс. км/сек).
- Окончательно утверждается принцип относительности пространства и времени, зависимость их от материи. Пространство-время образуют единый четырехмерный континуум.
- Закономерность и причинность выступают в вероятностной форме, так называемых, статистических законов.
- В картину мира включается наблюдатель, от присутствия которого зависят исследуемые свойства объектов. Мир предстает как мыслеобраз.
К концу ХХ в. облик естествознания существенно изменился. Изменения в фундаментальных науках определяют общие контуры новой научной картины мира. Для нее характерны:
- глобальный эволюционизм - применение идеи развития ко всей материи, в том числе и Вселенной в целом. Эволюционная концепция проникла во все естественные науки - от физики до геологии. Возникающие в результате процессов дифференциации и интеграции новые научные дисциплины изначально эволюционны (экология, биогеохимия, антропология).
- рассмотрение всех процессов природы с точки зрения самоорганизации (теория самоорганизации - синергетика). Синергетика пытается открыть универсальный механизм, осуществляющий самоорганизацию как живой, так и неживой природы. Самоорганизация понимается как спонтанный (самопроизвольный) переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Открытые системы - это системы, которые обмениваются веществом, энергией с внешней средой. Неравновесные - это системы, которые находятся в состоянии, далеком от термодинамического равновесия (= максимальная энтропия, т.е. хаос).
- системность - принцип, согласно которому все в мире, в том числе и сама Вселенная, имеет системную организацию, т.е. образовано из множества элементов разного уровня сложности и упорядоченности. Для системы характерны: интегративность, иерархичность, субординация элементов.
- историчность означает принципиальную незавершенность научной картины мира.
Развитие естествознания вело к смене картин мира, а значит, к смене основных принципов и законов объяснения природы. Этот период развития естествознания принято называть революционным. Научная революция - это интенсивный период развития науки, ведущий к радикальным изменениям в системе знаний, в принципах и методах научного познания. Для научной революции всегда характерно возникновение кризисных ситуаций, связанных с коренной ломкой устоявшихся господствующих представлений о природе. В истории науки выделяют несколько типов научных революций:
частная - затрагивает одну область знания;
комплексная - затрагивает ряд областей знания;
глобальная - радикально меняет основания науки.
В истории науки глобальных революций было три: В VI - IV вв. до н.э. возникла наука как рациональный способ познания мира; ХVI-ХVII вв. - революция привела к созданию классического естествознания; ХХ в. - научно-техническая революция - вела не только к радикальным изменениям в науке и технике, но и к масштабным социально-экономическим преобразованиям, в том числе качественным изменениям в производительных силах общества.
Итак, глобальная научная революция означает «потрясение основ», в результате которого происходит смена парадигм. В истории развития естествознания принято выделять три глобальные научные революции и называть по именам ученых, сыгравших в них решающую роль: аристотелевская, ньютоновская и эйнштейновская.
В VI - IV вв. до н.э. возникла наука как рациональный способ познания мира. Аристотель создал формальную логику - науку о доказательстве, главный инструмент выведения и систематизации знания. Аристотель впервые предметно дифференцировал научное знание: отделил науки о природе от метафизики (философии) и математики. Аристотелевские нормы научности знания, способы обоснования в науке успешно использовались в течение 1000 лет, а законы формальной логики действуют и поныне.
Революция в естествознании, начавшаяся в 90-х гг. ХIХ в. и продолжавшаяся до середины ХХ в. также носила глобальный характер. Она началась в физике, а затем распространилась на все остальные науки.
I этап (90-е гг. ХIХ в. - 20-е гг. ХХ в.): были сделаны открытия, в корне изменившие научные представления о мире,-
электромагнитных волн (Герц);
коротковолнового электромагнитного излучения (Рентген);
радиоактивности (Беккерель);
электрона (Томсон);
светового давления (Лебедев);
идеи кванта (М. Планк);
создание теории относительности (Эйнштейн) и др.
Крушение прежних представлений о материи и ее строении, свойствах, формах движения и типах закономерностей, о пространстве и времени получило название «кризиса физики», которое обозначало кризис механистических оснований классической науки.
II этап (сер. 20-х гг. - 40-е гг. ХХ в.) - создание квантовой механики и соединение ее с теорией относительности в новой квантово-релятивистской картине мира.
III этап (40-е - 70-е гг. ХХ в.) - овладение атомной энергией, создание ЭВМ и кибернетики, начало освоения космоса и развитие космонавтики и др. Научная революция соединяется с технической, что приводит к НТР.
В настоящее время происходит очередная глобальная революция, в результате которой рождается новая наука - постнеклассическая, в которой сосуществуют несколько парадигм.
4. Классическое, неклассическое и постнеклассическое естествознание

Тенденции современного естествознания.
Классическая наука сложилась в результате революции ХVI - ХVII вв. и охватывает период с ХVIII в. по 20-е гг. ХХ в., т.е. до появления квантово-релятивистской картины мира.
Специфика классической науки:
- стремление к завершенной системе знаний;
- ориентация на классическую механику, ее законы и принципы;
- механическая картина мира: мир - гигантский механизм.
- механистический детерминизм, который трактовал все типы взаимосвязи и взаимодействий как механические и отрицал объективный характер случайности. (Б. Спиноза: случайным мы называем явление только по причине недостатка наших знаний о нем.) Следствием механистического детерминизма является фатализм - учение о всеобщей предопределенности явлений.
- субстанционализм - поиск первоосновы.
- принцип отражения - познание как зеркальное отображение действительности, следствием чего является признание объективности знания.
- принцип абсолютности знания - знание абсолютно достоверно, а потому и неизменно.
- Механицизм и метафизика: природа - неизменное, всегда тождественное, неразвивающееся целое. (Метафизика понимается здесь как познание явлений вне связи и вне развития.) Отсюда следует, что если все в мире подчиняется законам механики, то человек - тоже машина, а жизнь ничтожна и случайна. Все существующее подчиняется действию, так называемых, динамических закономерностей, которые повторяются в каждом конкретном случае и имеют однозначный характер. Механистический детерминизм абсолютизировал динамические закономерности. Утверждалось, что, зная состояние объекта в исходный момент времени, можно определенно предсказать его состояние в любой другой момент времени, т.е. механический процесс носит линейный характер, а время обратимо.
Основные черты неклассической науки (10-20-е гг. - 70-80-е гг. ХХ в.):
- отказ от классической механики как основы познания и объяснения действительности, замена ее квантово- релятивистскими теориями;
- разрушение классической модели мира - механизма. На смену пришла модель мира-мысли;
- смена стиля мышления как отказ от механистических и метафизических установок;
- вероятностный детерминизм выражается в отказе от динамических и введении статистических закономерностей. Статистические закономерности проявляются в массе явлений, имеют форму тенденции и описывают состояние объекта с определенной долей вероятности. Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов и поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость здесь проявляется через действие множества случайных факторов. Пример статистических закономерностей - законы квантовой механики и законы в обществе и истории. Понятие вероятности в статистических закономерностях выражает степень возможности наступления, осуществимости явления или события в конкретных условиях. Вероятность - это количественное выражение (мера) возможности: если вероятность события равна единице, то это действительность, при вероятности ноль - наступление события невозможно, между единицей и нулем - вся шкала возможностей;
- активная роль исследователя в познании, признание влияния исследователя, приборов и условий на проводимый эксперимент и полученные в ходе него результаты;
- отказ от субстанционализма, т.к. материя неисчерпаема вглубь.
Основные черты постнеклассической науки (с 80-х гг. ХХ в.):
- глобальный эволюционизм: идея эволюции вышла за рамки биологии, естествознание ведет поиск закономерностей и механизмов эволюции на всех уровнях организации материи;
- самоорганизация материальных систем: развитие сложных, открытых, нелинейных, неравновесных систем ведет к переходу их в неустойчивое состояние, выход из которого осуществляется путем перестройки элементов системы, возникает согласование поведения элементов, приводящее в качественно новое состояние с упорядоченной структурой. Поскольку существует множество возможных ходов развития, то выбор одного из них случаен. Порядок возникает из хаоса, случайность встроена в механизм эволюции;
- антропный принцип: наблюдатель осознает себя частью исследуемого мира, активно взаимодействует с наблюдаемым объектом. Поэтому Вселенная такова, какая она есть, потому, что в ней существует человек (наблюдатель);
- плюрализм истины: нет застывшего, неизменного образа объекта;
- антиредукционизм: отказ от возможности объяснить сложное чем-то простым, элементарным. Мир состоит не из элементов-кирпичиков, а из совокупности процессов - вихрей, волн, турбулентных движений, и представляет собой бесконечное многообразие взаимодействующих открытых систем с обратной связью.
- комплексность науки: преобладают процессы интеграции, ведущие к интенсификации междисциплинарных исследований.
Основные понятия темы:
Парадигма (Т. Кун) - признанная научным сообществом модель постановки и решения проблем.
Принцип фальсификации (К. Поппер) - это принцип, позволяющий отличать научное знание от ненаучного, утверждающий принципиальную опровергаемость любой научной теории.
Естественнонаучная картина мира (ЕНКМ) - система важнейших принципов и законов, лежащих в основе объяснения природы как единого целого.
Принцип дальнодействия (Ньютон) - взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников.
Принцип редукционизма - сведение закономерностей более высоких форм движения материи к законам простейшей формы - механической.
Принцип детерминизма - признание всеобщей обусловленности явлений и событий. Механистический детерминизм признает необходимость и отрицает случайность в природе. Вероятностный детерминизм рассматривает случайность как форму проявления необходимости.
Принцип близкодействия (Фарадей) - любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.
Вероятность - количественное выражение (мера) возможности наступления какого-либо события (явления) в конкретных условиях.
Корпускулярно-волновой дуализм - признание двойственной природы объектов микромира, которые одновременно обладают свойствами волны и частицы (корпускулы).
Динамические закономерности характеризуют поведение изолированных, индивидуальных объектов и позволяют установить точно определенную связь между отдельными состояниями объекта, они выражают однозначный характер связи.
Статистические закономерности - результат взаимодействия большого числа элементов и характеризуют их поведение в целом. Иначе их называют законами средних величин.
Глобальный эволюционизм - применение идеи развития ко всей материи, в том числе и Вселенной в целом.
Синергетика - теория самоорганизации. Научная революция - это интенсивный период развития науки, ведущий к радикальным изменениям в системе знаний, в принципах и методах научного познания.
Тема 4. История естествознания

1. Знание о природе в древних цивилизациях

Тяжелой, полной опасности была жизнь людей в первобытном обществе. Им непрерывно угрожал голод, холод, эпидемии и междоусобные войны. Чтобы обеспечить себя продуктами питания, необходимо было собирать съедобные растения, охотиться на диких зверей, ловить рыбу. Собирательство позволило накапливать знания о свойствах растений и почвы, которые позже сыграли большую роль в распространении земледелия. В процессе охоты древний человек наблюдал за повадками животных. Пещерная живопись свидетельствует о том, что древних интересовало строение тела животных. На стенах пещер сохранились изображения костей, сердца, внутренностей животных. Всё это пригодилось тем, кто позднее начал заниматься скотоводством.
Различные виды знания, приобретаемые первобытными людьми, сохранились в виде ритуалов и мифов. Иначе они не могли быть использованы в первобытном обществе. Любая информация об явлениях природы, культуры, социальной стороне жизни коллектива воспроизводились как в вербальных, так и в ритуально-предметных формах. В мифах запечатлен сложный донаучный опыт культурного развития человечества, причем опыт целиком не религиозный. Наряду с религиозными идеями, культурными обрядами и мистическими ритуалами, в мифах кристаллизуется и позитивный познавательный и практический опыт древних людей.
Многие мифы имели этиологический характер, то есть рассказ о происхождении мира и человека. Этот рассказ не есть объяснение причинных связей, а просто «картинка того, что было». Мифы являются следствием неадекватного отражения сущности явлений в мышлении человека. В них отражены определенные черты объективной реальности, но фрагментарно. В этом аспекте миф не является просто заблуждением. Он дает «чистое» описание некоторой эмпирической совокупности фактов и явлений.
Миф в первобытном обществе составлял мотивацию любого типа деятельности и обычаев, прежде всего ритуалов, являясь важным элементом общественных отношений. Усложнение структуры практики, дифференциация общества обусловили эволюцию мифологии.
Люди древнего каменного века, занимавшиеся присваивающим хозяйством (охота, собирательство), были неразрывно связаны с природой и зависимы от нее. В эпоху нового каменного века возникает производящее хозяйство, сделавшее человека относительно независимым от окружающей природы. В период неолитической революции, продолжавшейся около семи тысячелетий, как подчеркивается в «Хрониках человечества», были заложены материальные и духовные основы культур Месопотамии, Египта, Китая, Японии и древней Америки.
Коренное изменение материальной и духовной сторон жизни людей произошло (после появления в IV тысячелетии до н.э. письменности) в древних рабовладельческих государствах Шумера и Египта. Появление письменности было вызвано необходимостью регулирования в общегосударственных масштабах ирригационного земледелия, вести учет сбора дани, поддерживать связь с правительственными властями и зарубежными вассалами.
Орошение земель, водоснабжение, прокладывание водных путей сообщения, строительство пирамид, храмов и дворцов невозможно без определенного минимума знаний. Носителями этих знаний была каста жрецов. Они накапливали знания в области астрономии, математики, химии, фармакологии, медицины, психологии, использовали гипноз, разрабатывали и тщательно готовили ритуальные действия, чтобы вызвать уважение и страх, возбудить надежду и веру и тем самым эффективнее осуществлять контроль над обществом.
Вавилоняне изобрели систему письменного исчисления в математике, создали замечательную для столь глубокой древности алгебру и зачатки геометрии. Высшим достижением древнее египетской геометрии были вычисления точной формулы объема усеченной пирамиды с квадратным основанием, площадей треугольника, прямоугольника, трапеции, круга.
Развитие наблюдений за планетами привело вавилонян к уяснению правильной последовательности их отдаления от Земли. Важное практическое значение имело установление древними египтянами солнечного календаря, с «жестко закрепленными датами» (в отличие от лунного, месяцы которого свободно «гуляли по сезонам года»).
В древнем Египте впервые определили продолжительность года, здесь возникла медицина в современном значении этого слова. В начале III тысячелетия до н. э. были накоплены знания в области терапии, хирургии, офтальмологии. Во второй половине III тысячелетия до н. э. в Египте появился первый учебник по хирургии. В 2300 году до н. э. был составлен шумерский сборник врачебных рецептов, где в качестве лечебных средств использовались растения.
На протяжении тысячелетий шло непрерывное накопление сведений и наблюдений о процессах и предметах природы: о жизни животных и движении звезд, о развитии растений и свойствах различных материалов. Так возник огромный запас эмпирических знаний о том, как плавить металлы, делать стекло, получать вину и уксус, пользоваться целебными травами, люди узнали очень давно. Древний Китай знал сейсмограф и магнитную иглу, создал бумагу; шумеры придумали гальваническую ванну; майя разработали методы трепанации черепа.
Таким образом, в сакральных цивилизациях наука еще не выделилась специфическую сферу духовной деятельности. Теоретическое мышление, будучи элементом религиозно-этических представлений, не приобрело самостоятельного развития. Здесь происходило переплетение элементов научного знания с мистикой и суеверием (астрономии с астрологией, математики с кабалистикой, медицины с магией). Зачатки математических и других рационально-практических познаний, измерения, счет, наблюдения мореплавателей еще не получили интегрированного выражения в соответствующих теориях.
2. Античная наука о природе

Впервые наука в истории человечества возникает в Древней Греции в VI веке до н. э. В отличие от ряда древних цивилизаций (Египта, Вавилона, Ассирии) именно в культуре Древней Греции обнаруживаются характерные особенности зарождающейся науки. Древнегреческие мыслители были одновременно и философами, и учеными. Господство натурфилософии обусловило такие особенности древнегреческой науки, как абстрактность и отвлеченность от конкретных фактов. Каждый ученый стремился представить все мироздание в целом, совсем не беспокоясь об отсутствии достаточного фактического материала о явлениях природы. Вместе с тем, достижения античных мыслителей в математике и механике навечно вошли в историю науки.
В ранней древнегреческой натурфилософии господствовала идея о некоторых исходных первоначалах, лежащих в основе мироздания. К таким первоначалам относили четыре стихии (воду, воздух, огонь, землю), либо некое мифическое первовещество - апейрон. Но уже в этот период на смену подобным представлениям о мире приходит стройное по тому времени атомистическое учение о природе. Представителями атомизма были Левкипп, Демокрит, Эпикур, а в натурфилософии Древнего Рима - Тит Лукреций Кар. Основные принципы их атомистических воззрений можно свести к следующим положениям:
1. Вся Вселенная состоит из мельчайших материальных частиц - атомов и незаполненного пространства - пустоты.
2. Атомы неуничтожимы, вечны, а потому вся Вселенная существует вечно.
3. Атомы представляют собой мельчайшие, неизменные, непроницаемые и абсолютно неделимые частицы, которые находятся в постоянном движении, изменяют свое положение в пространстве.
4. Различаются атомы по форме, величине, тяжести и т. д.
5. Все предметы материального мира образуются из атомов различных форм и различного порядка их сочетаний.
Одним из величайших ученых и философов античности был Аристотель. В круг его научных интересов входили математика, физика, астрономия, биология. В истории науки Аристотель известен как автор космологического учения, которое оказало огромное влияние на миропонимание многих последующих столетий. Космология Аристотеля - это геоцентрическое воззрение: Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывает в центре Вселенной. Вокруг Земли распределена вода, затем воздух, затем огонь. Огонь простирается до орбиты Луны - первого небесного тела. Небесные тела вращаются вокруг Земли по круговым орбитам, они прикреплены к материальным, сделанным из эфира, вращающимся сферам. Космология Аристотеля включала представление о пространственной конечности мироздания. В этой конечной протяженности космоса расположены твердые кристально-прозрачные сферы, на которых неподвижно закреплены звезды и планеты. Их видимое движение объясняется вращением указанных сфер. С крайней сферой соприкасается Перводвигатель Вселенной, под ним Аристотель понимал Бога.
Историческая заслуга Аристотеля в том, что он стал основателем системы знаний о природе - физики. Центральное понятие аристотелевской физики - понятие движения. Аристотель разработал первое в истории науки учение о движении - механику. Все механические движения он разбил на две большие группы: движение небесных тел в надлунном мире (круговое движение) и движение тел в подлунном мире (насильственные и естественные). Аристотель высказывал интересные идеи и в биологии. Он не только описывал мир живого, он заложил традицию систематизации видов животных. Он первый поставил классификацию животных на научную основу, группируя виды не только по их сходству, но и по родству. Всех животных Аристотель подразделил на кровяных и бескровных. Такое деление соответствует современному делению на позвоночных и беспозвоночных. Аристотель вводит в биологию понятие аналогичных и гомологичных частей тела, идею о сходстве путей эмбриогенеза у животных и человека, понятие «лестницы существ», то есть расположения живых существ на определенной шкале и т.д.
Геоцентрическая космология Аристотеля была впоследствии математически оформлена и обоснована Клавдием Птолемеем (90-168). Птолемей по праву считается одним из крупнейших ученых античности. Он серьезно занимался математикой, увлекался географией, много времени посвящал астрономическим наблюдениям. Главный труд Птолемея - «Математическая система». Греческий оригинал был утерян, но сохранился его арабский перевод, который много позднее, уже в XII веке был переведен на латынь. Он существенно дополнил и уточнил теорию движения Луны, усовершенствовал теорию затмений. Птолемей разработал математическую теорию видимого движения планет, которая основывалась на следующих постулатах: шарообразность Земли, удаленность от сферы звезд, равномерность и круговой характер движений небесных тел, неподвижность Земли, центральное положение Земли во Вселенной. Теория Птолемея позволяла предвычислять сложные петлеобразные движения планет (их ускорения и замедления, состояния и попятные движения). На основе созданных Птолемеем астрономических таблиц положение планет вычислялось с весьма высокой по тем временам точностью (погрешность менее 10''). В течение длительного времени система Птолемея была не только высшим достижением теоретической астрономии, но и ядром античной картины мира.
Геоцентрическая система мира Аристотеля-Птолемея просуществовала чрезвычайно долго - вплоть до опубликования знаменитого труда Н. Коперника, заменившего эту систему гелиоцентрической.
Древнегреческая натурфилософия прославилась вкладом ее представителей в формирование и развитие математики. Прежде всего следует отметить знаменитого древнегреческого мыслителя Пифагора. На счету этого античного ученого имеется целый ряд научных достижений. К их числу помимо «теоремы Пифагора» относится открытие того факта, что отношение диагонали и стороны квадрата не может быть выражено целым числом и дробью. Тем самым в математику было введено понятие иррациональности.
Одним из крупнейших ученых-математиков античности был Евклид, живший в III веке до н. э. В своем объемистом труде «Начала» он привел в систему все математические достижения того времени. Созданный Евклидом метод аксиом позволил ему построить здание геометрии, которая по сей день носит его имя.
Известным ученым, математиком и механиком античности был Архимед (287-212 до н. э.). Он решил ряд задач по вычислению площадей поверхностей и объемов, определил значение числа р (представляющего собой отношение длины окружности к своему диаметру). Архимед ввел понятие центра тяжести и разработал методы его определения для различных тел, дал математический вывод законов рычага. Ему приписывают «крылатое» выражение: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю». Архимед положил начало гидростатике, которая нашла широкое применение при проверке изделий из драгоценных металлов и определении грузоподъемности кораблей. Широкое распространение получил закон Архимеда, касающийся плавучести тел. Научные труды Архимеда имели выход и на практику. Ему принадлежат многочисленные изобретения: так называемый «архимедов винт» (устройство для подъема воды на более высокий уровень), различные системы рычагов, блоков, винтов для поднятия больших тяжестей, военные метательные машины. Архимед был одним из последних представителей естествознания Древней Греции.
3. Эпоха Средневековья: религиозная картина мира и естественнонаучное познание

После расцвета античной культуры на европейском континенте наступил длительный период застоя и даже регресса - отрезок времени более 1000 лет, который принято называть Средневековьем. Этот упадок объяснялся все убыстряющимся разложением рабовладельческого общества, которое сопровождалось большими потрясениями в Европе. В образовавшихся государствах жизнь ушла в деревню. Среди самых высших слоев общества царило глубокое невежество. Единственными очагами грамотности были монастыри.
Особенности феодальной жизни привели к тому, что прямые наследники культуры древних греков возвратились к самым примитивным представлениям о природе. «Небо повисло над Землей и сжимало ее в ужасных объятиях».
Культура Средневековья не знала науки в строгом понимании. Астрология, алхимия, натуральная магия представляли собой сплав априоризма, умозрительности и грубого наивного эмпиризма. Единственно возможным способом научно - теоретического освоения мира стала схоластическая натурфилософия. В соответствии с интерпретаторским характером схоластики сложились основные методы средневековой «науки»: компиляция; систематизация; классификация; комментарий и универсальные способы выражения средневековой учености: энциклопедия; словник; сумма.
В начале VII века Исидор Севильский (ок.560 - 636 гг.) в 20 книгах «Этимологии» (своеобразной энциклопедии раннего средневековья) изложил сведения по медицине, естествознанию, геометрии и т.п.
В VIII веке аббат Фульдского монастыря Грабан (Рабан) Мавр выпустил энциклопедический сборник «de Universo libri XXII», в котором были собраны сведения из многих наук, но они не были оригинальными, а почти полностью представляли собой выписки из трактатов античных ученых.
Наряду с ними широкое распространение получил алхимический рецепт как особая форма познавательно-практического освоения действительности.
«Огоньком» в средневековой тьме называют арабский Восток, столица которого становится в начале IX века центром научной деятельности. В VII и особенно IX - X веках арабские ученые сделали важные открытия в области геометрии, тригонометрии, астрономии и географии. Крупнейшим математиком и астрологом IX века был Сабит Ибн Корра. Именно в его переводах дошли до нас сочинения Архимеда, которые сохранились в греческом оригинале. Знание античных медиков осмыслил таджикский мыслитель Абу-Али Ибн Сина (Авиценна) и объединил их с медицинскими предписаниями своего времени в «Каноне лечебной науки». Здесь затрагивались также вопросы астрономии и минералогии.
Фундаментальные работы по математике, астрономии, физике, ботанике, географии, общей геологии и минералогии создал ученый-энциклопедист, современник Авиценны, Абу-Рейхан аль Бируни. Мыслитель допускал возможность движения Земли вокруг Солнца. В области минералогии и геологии он впервые установил плотность и удельный вес многих минералов и металлов.
С конца XI века намечаются некоторые сдвиги в изучении природы на западе Европы. Они были вызваны серьезными переменами в экономике. К этому времени повышается эффективность сельского хозяйства, возникают ремесла, развивается торговля, усиливается рост городов. Крестовые походы способствует знакомству Европы с культурными достижениями Востока.
В XII-XIII вв. европейская научная литература обогатилась большим числом латинских переводов с арабского и греческого языков. Стали доступными сочинения Евклида, Архимеда, Птолемея, Аль-Хорезми, Сабита Ибн Корры, Ибн Сины.
Толчком к возрождению описательного естествознания послужили сочинения Альберта Великого (ок. 1193 - 1280 г. г.). В своих трудах он проявил обширные знания не только в области алхимии и астрономии, но и в физике, географии, биологии и ботанике.
Основы для развития экспериментального метода в естественных науках заложил Роберт Гроссетет (1168-1258 г. г.). Он считается пионером эмпирического доказательства аристотельского естествознания.
Во второй половине XIII в. польский физик и оптик Виттелий (ок. 1125 - 1280 г. г.), занимаясь исследованиями в области оптики, сделал ряд открытий, в частности объяснил явления радуги как результат преломления солнечных лучей отдельными каплями воды.
Роль экспериментального метода в естествознании обосновывает в своих трудах Роджер Бэкон (1214 - 1294 г. г.). В сочинении «Великое дело» он дал энциклопедический анализ науки, включая достижения предшествующих поколений. Р. Бэкон развивает новое представление о материи, которую он отделяет от Бога, о фигурах тел, о движении, о времени и вечности. Он указывает на то, что живые и неживые тела природы состоят из одних и тех же материальных частиц. Он высказал ряд гениальных для того времени научных догадок (о телескопе, летательных аппаратах, порохе). Еще при жизни ему присвоили титул «удивительный доктор», несмотря на то, что он за свои идеи подвергался преследованию. Он разработал проект реформы юлианского календаря, которая, однако, была осуществлена спустя три века.
Томас Брадвардин (1290 - 1349 г. г.) предпринял первую попытку разработать математические начала натурфилософии. Он стремился математически выразить зависимость между скоростью, движущей силой и сопротивлением. Он разрабатывал учения о континууме, актуальной и потенциальной бесконечности.
Смелостью, новизной и парадоксальностью поражало физическое учение Николая из Отрекура. Он возрождает атомистическое учение древних. По его мнению, рождение и разрушение тел состоит в том, что атомы, сцепляясь, образует тела, а рассеиваясь в пространстве, производят их разложение. Как и Николай из Отрекура, вопросами физики и механики интересовался профессор Парижского университета Жан Буридан. Он стремился объяснить, каким образом движения небесных тел могут вечно продолжаться сами собой, без посторонних двигателей, после того, как Бог дал им в начале сотворения известный импульс, сохраняющийся в дальнейшем в силу обычного божьего содействия. Созданная им динамическая «теория импетуса» была мостом, соединившим динамику Аристотеля с динамикой Галилея. Согласно этой теории при падении тела тяжесть запечатлевает в нем импетус, поэтому скорость тела во время падения возрастает. Величина импетуса определяется и скоростью, сообщенной телу, и качеством материи этого тела. Импетус расходуется в процессе движения на преодоления трения: когда импетус растрачивается, тело останавливается. Эта идея стала предпосылкой для перехода к понятию инерция. Теория импетуса способствовала уточнению и переосмыслению понятия силы. Его развитие пошло по двум направлениям: сила как внешнее воздействие на тело (Ньютон); сила как количество движения, т.е. факторы, связанные с самим движущимся телом (Декарт).
Большой вклад в разработку проблемы движения внес Николь Орем, преподаватель Парижского университета (1323 - 1382 г. г). Он впервые представил графическое изображение движения, которое напоминало разработанный впоследствии метод координат. Он сформулировал закон падения тел, развивая учение о суточном вращении Земли.
В XV - XVI в.в. фактически заканчивается эпоха Средневековья, начинается эпоха Возрождения, которая ознаменовалась возрастанием интереса к природе. Переход от Средневековья к Новому времени ознаменовался началом первой глобальной научной революции и становлением классического естествознания.
4. Эпоха Возрождения: революция в мировоззрении и науке.

Предпосылки классической науки
Научная революция, которая произошла в эпоху Возрождения в XV-XVI веках и подготовила возникновение классического естествознания, была обусловлена всем ходом социокультурных преобразований Западной Европы. Становление капиталистических отношений и промышленный переворот вели к существенному прогрессу науки и техники, способствовали радикальным изменениям в мировоззрении общества и индивида. Менялся не только социальный статус человека, но и менялось представление о его месте и роли в мире. Человек - это Творец. Если Бог - это Творец Вселенной, то человек - преобразователь природы и жизни, и Богом ему отведено особое место в мире.
Революция в мировоззрении эпохи Возрождения вела к радикальным изменениям в отношении к Природе, к Богу, к самому себе. Теоцентрическая картина мира заменяется и постепенно вытесняется антропоцентрической. Однако, эта - картина, в которой два центра: Бог и Человек, два Творца мира. Такой целостный образ мира опирался на пантеизм - учение о тождестве Бога и Природы («Бог во всем»), и на гуманизм - признание человека, его свободы и достоинства высшей ценностью.
Польский астроном Николай Коперник (1473 - 1543 г. г.) на основе большого количества астрономических наблюдений и расчетов создал новую гелиоцентрическую систему мира. В этой системе Коперник низвел Землю до роли рядовой планеты, которая одновременно вращается вокруг Солнца и вокруг собственной оси. В своем труде «Об обращении небесных сфер» Коперник утверждал, что движение - это естественное свойство небесных и земных механизмов, выражаемое некоторыми общими закономерностями механики. Это учение опровергало догматизированное представление Аристотеля о «неподвижном перводвигателе», приводящем в движение Вселенную, и разрушало опиравшуюся на идеи Аристотеля религиозную картину мира. Вместе с тем польский астроном считал, что Вселенная конечна, она где-то заканчивается твердой сферой, на которой закреплены неподвижные звезды. Вселенная похожа на мир в скорлупе.
Философское обоснование идеям Коперника дал знаменитый итальянский философ Джордано Бруно (1548 - 1600). Он настаивал на том, что Вселенная бесконечна, что существует множество миров, подобных нашему миру, многие из них обитаемы. Инквизиция в 1592 году арестовала Джордано Бруно. 8 лет он находился в тюрьме, где подвергался страшным пыткам . 17 февраля 1600 года он был сожжен на костре, на Площади Цветов в Риме. Это произошло на рубеже двух веков, ознаменовавшемся рождением классического естествознания.
Большую роль в формировании предпосылок классического естествознания сыграл Г. Галилей.
5. Галилео Галилей и его роль в становлении классической науки

Галилео Галилея (1564 - 1624) называют «отцом современного естествознания». Именно он стоял у истоков классической механики и экспериментального естествознания. До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения, выработанное Аристотелем и сводившееся к следующему принципу: тело движется только при наличии внешнего на него воздействия, и, если это воздействие прекращается, тело останавливается. Галилей показал, что этот принцип Аристотеля является ошибочным, и сформулировал совершенно иной принцип, получивший впоследствии наименование принципа инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется равномерно и прямолинейно, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия. Большое значение для становления механики как науки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы, как утверждал Аристотель. Пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. При этом траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и земного притяжения, является параболой. Галилею принадлежит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника, и многое другое.
Истинное знание, по мнению Галилея, достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения, опыта и математики. Интересны астрономические наблюдения Галилея, обосновывающие и утверждавшие гелиоцентрическую систему Коперника. Он приводит естественнонаучное доказательство справедливости гелиоцентрической системы в работе «Диалог о двух системах мира - Птолемеевской и Коперниковой».
Галилей успел многое: разработал экспериментально - математический метод и обосновал его принципы; сформулировал принцип инерции, принцип относительности, законы свободного падения тел, дал строгое определение понятий скорости и ускорения; с помощью сконструированного им телескопа он экспериментально доказал справедливость учения Коперника.
6. И. Ньютон и его роль в становлении классической науки

Исаак Ньютон (1643-1727) завершил процесс становления классического естествознания, четко сформулировав механические законы всех процессов движения и взаимодействия макроскопических тел и создав для их описания математический язык бесконечно малых. В этом было отступление от атомистических воззрений, но это привело к значительному продвижению в описании и понимании природы. Несмотря на то, что в настоящее время его подход кажется естественным и очевидным на фоне абстрактных представлений современной физики, и с него начинают знакомство с этой наукой в школе, в то время понадобилось почти семьдесят лет, чтобы этот подход окончательно утвердился в умах ученых. Дав свое определение понятиям скорости, ускорения, силы, массы, Ньютон сформулировал законы динамики в виде связей между этими величинами. Проанализировав законы движения небесных тел, обнаруженных Т. Браге и И. Кеплером, он установил закон всемирного тяготения, введя в науку меру гравитационного взаимодействия тел в нашей Вселенной. В результате стало возможным точно предсказывать солнечные затмения и понять природу морских приливов. Отличительной чертой классической механики являлась обратимость движений во времени, что следовало из соответствующих уравнений. При описании механических процессов в различных системах координат, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, следовало использовать принцип относительности Галилея. Согласно этому принципу на ускорения тел, возникшие в результате их силового взаимодействия, относительное движение систем отсчета никакого влияния не оказывает. При этом никакими механическими опытами невозможно установить, какая именно из систем движется. Для расчета достаточно было просто сложить скорость движения тела в данной системе отсчета и скорость относительного движения систем отсчета. Поэтому можно выбрать наиболее удобную систему отсчета и работать с ней. Например, в движущемся вагоне отпущенный камень упадет вдоль вертикальной прямой, но при наблюдении с неподвижной платформы его траектория будет иметь вид кривой линии - параболы. Если описать движение (и предсказать положения камня) в системе движущегося вагона (что проще), то, чтобы сказать, когда и в какой точке он будет при наблюдении с платформы, достаточно просто учесть относительную скорость (скорость вагона) в конечном ответе.
. Научное наследие И.Ньютона разнообразно: создание дифференциального и интегрального исчисления (параллельно с Лейбницем, но независимо от него), важные астрономические наблюдения, которые Ньютон проводил с помощью собственноручно построенных зеркальных телескопов. Он внес большой вклад в развитие оптики: он поставил опыты по изучению дисперсии света (дисперсия света - разложение луча света при прохождении через призму на отдельные спектральные лучи) и дал объяснение этому явлению.
В 1687 году вышел главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», заложивший основы современной теоретической физики. Свою научную программу Ньютон назвал «экспериментальной философией», подчеркивая решающее значение опыта, эксперимента в изучении природы. Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физику и эксперимент, определили направление развития естествознания на многие десятилетия вперед.
7. Научная революция XVI-XVII веков, ее ход, содержание и основные итоги

Отрезок времени примерно от даты публикации работы Николая Коперника «Об обращениях небесных сфер», т.е. с 1543 г., до деятельности Исаака Ньютона обычно называют периодом «научной революции». Научная революция XVI-XVII в.в. представляет собой мощное движение, которое обретает характерные черты в работах Галилея, идеях Бэкона, Декарта и впоследствии получает свое завершение в классическом механическом образе Вселенной, подобной часовому механизму.
Все началось с астрономической революции Коперника, Тихо Браге, Кеплера и Галилея - наиболее выдающихся ее представителей. Шаг за шагом меняется образ мира, с трудом, но неуклонно разрушаются опоры космологии Аристотеля - Птолемея. Коперник помещает в центр мира вместо Земли Солнце. Тихо Браге устраняет материальные сферы, которые согласно старой космологии вовлекали в свое движение планеты, а идею материальной сферы заменяет современной идеей орбиты. Кеплер предлагает математическую систематизацию открытий Коперника и завершает революционный переход от теории кругового движения планет («совершенного» в понимании старой космологии) к теории эллиптического движения. Галилей показывает ошибочность различения физики земной и физики небесной, доказывая, что Луна имеет ту же природу, что и Земля, и формулирует принцип инерции. Ньютон в своей теории гравитации объединяет физику Галилея и физику Кеплера.
Однако за те 150 лет, которые отделяют Коперника от Ньютона, меняется не только образ мира, меняется образ человека, но постепенно меняется также и образ науки. Научная революция XVI-XVII в.в. - это не только создание новых теорий, одновременно это коренное изменение представлений о знании, о науке. Этот итог революции Галилей объяснил очень четко: наука больше не является ни особой интуицией отдельного мага или просвещенного астролога, ни комментарием к авторитету Аристотеля, который все сказал. Наука становится исследованием и раскрытием мира природы.
У истоков классического естествознания стоял Г.Галилей. Он создал экспериментальное естествознание, обосновав научный метод. В результате наука приобретает автономию от веры и философии. Начиная с Галилея, наука намерена исследовать не что, а как, не субстанцию, а функцию.
Еще один важный итог научной революции - превращение науки в социальный институт: возникновение академий, лабораторий, международных контактов (вспомним переписку ученых).
Другая фундаментальная характеристика научной революции - формирование знания, которое в отличие от предшествующего объединяет теорию и практику, науку и технику, создавая новый тип ученого. Он больше не маг или астролог, владеющий частным знанием посвященных, и не университетский профессор, комментатор и интерпретатор текстов прошлого. Научная революция порождает современного ученого-экспериментатора, сила которого - в эксперименте, становящемся все более строгим благодаря новым измерительным приборам, все более и более точным. Деятельность ученого нового типа часто протекает вне старых структур познания, например, университетов. В XVI и XVII веках университеты и монастыри уже больше не являются, как это было в средневековье, единственными центрами культуры. Инженер или архитектор, проектирующий каналы, плотины, укрепительные сооружения, занимает равное или даже более престижное положение, чем врач, придворный астроном, профессор университета. «Механические искусства» раньше считались «низкими, презренными», недостойными свободного человека. Теперь они стали приравниваться к «свободным искусствам», т.е. интеллектуальному труду. Это сближение техники и науки, их последующее слияние рождает современную науку и составляет ее суть. Науку создали ученые, но развивается она благодаря технологической базе, машинам и инструментам. «Широкое поле для размышлений, - пишет Галилей в «Беседах о двух новых науках», - представляет наблюдательному уму практика в вашем знаменитом арсенале, господа венецианцы, и особенно в том, что касается механики: каждый инструмент и механизм постоянно используют разные мастера, среди которых… есть очень опытные и умнейшие люди». Наука утверждается с помощью экспериментов, которые осуществляются на конкретном материале с помощью испытательных приборов, созданных вручную с использованием инструментов. Чтобы стать ученым теперь не обязательно знание латыни, не требовалась знакомство с книгами или университетская кафедра. Публикации в «Актах» академий и участие в научных обществах были доступны всем - профессорам, экспериментаторам, ремесленникам, дилетантам. Наука распространяется через книги, периодические издания, частные письма, деятельность научных обществ, но не через университетские курсы. Обсерватории, лаборатории, музеи, мастерские, дискуссионные клубы зарождаются вне университетов.
Научная революция проявилась и в быстром росте и совершенствовании инструментария - компаса, весов, механических часов, астролябий, печей и т.д., которые быстро модернизируются. В начале XVI века весь инструментарий сводился к немногим предметам, связанным с астрономическими наблюдениями и топографическими открытиями, а в механике применялись рычаги и блоки. Теперь же в течение всего лишь нескольких десятилетий появляются телескоп Галилея (1610), микроскоп Мальпиги (1660), Гука (1665) и Ван Левенгука, циклоидальный маятник Гюйгенса (1673), воздушный термометр Галилея (1638), водяной термометр Жана Рея (1632), спиртовой термометр Магалотти (1666), барометр Торричелли (1643), пневматический насос Роберта Бойля (1660) и т.п. Главная задача инструментов, по мнению ученых, - усиливать познавательные способности органов чувств. И в то же время использование оптических инструментов, таких, как призма или тонкие металлические пластинки (например, в опытах Ньютона), позволяет характеризовать их не только как вспомогательное средство для увеличения возможностей органов чувств, но и как способ устранить обман зрения. Проникая внутрь объектов, инструмент обеспечивает большую объективность по сравнению со свидетельствами чувств. В это же время возникает и другая важная проблема инструмента - искажение исследуемого объекта. В важной полемике Ньютона и Гука по поводу теории цветов и функционировании призмы возникло существенное разногласие. Гук оценил опыты Ньютона с призмой, отмечая их точность и изящество, но он отверг гипотезу о том, что белый цвет может иметь сложную природу. Гук считал, что цвет не является исходной принадлежностью лучей. По его мнению, белый цвет - продукт движения частиц, проходящих через призму. А это означает, что рассеивание цветов - результат искажения, образуемого призмой. Эта проблема инструмента - исказителя исследуемого объекта в дальнейшем развитии физики (в XX веке) возникнет вновь.
Деятельность Галилея и Кеплера по раскрытию законов механики успешно продолжил английский ученый Исаак Ньютон (1643 - 1727 г.г.). Его научное наследие чрезвычайно разнообразно. Он открыл три закона механики, сформулировал закон всемирного тяготения, динамически обосновав систему Коперника и законы Кеплера. Открытие закона всемирного тяготения оказало огромное влияние на дальнейшее развитие естествознания. Это был универсальный закон природы, которому подчинялось все малое и большое, земное и небесное. На основе ньютоновской классической механики сложилась картина мира, которая представляла Вселенную как совокупность огромного числа неделимых и неизменных атомов, перемещающихся в абсолютном пространстве и времени, взаимосвязанных силами тяготения, мгновенно передающихся от тела к телу через пустоту. Свойства пространства и времени неизменны и не зависят от самих тел. Природа, согласно этой картине мира, являет собой простую машину, части которой подчиняются жесткой детерминации.
8. Естествознание в XVIII-XIX вв.

В ХVIII в. естествознание остается в целом механистическим. Физика, выделившись из натурфилософии, была нацелена главным образом на количественные исследования отдельных явлений, установление отдельных экспериментальных фактов, выявление частных закономерностей.
В первой половине ХVIII в. были достигнуты определенные результаты в изучении электрических явлений. Изобретение А. Вольтом источника постоянного тока открыло дорогу стремительному развитию физики и тех-ники электричества. В 80-е годы ХVIII в. Ш. Кулон установил основной закон электричества. Таким образом, к концу ХVIII в. прояснилась природа электричества.
Химия в начале XVIII в. отставала в своем развитии от других наук. Вcе дело в том, что количественные методы, разработанные Галилеем и Ньютоном практически не применялись в химии. Не осознавалась важность точных измерений. Однако к концу ХVIII в. ученые накопили большой экспериментальный материал, который был систематизирован в рамках единой теории. Создателем этой теории стал французский химик А.Лавуазье. Проведя целую серию опытов, он установил закон сохранения массы, который стал краеугольным камнем химии XIX в.
Астрономия в XVIII в. становится наукой, основанной на постоянных исчислениях. Поэтому не удивительно, что среди астрономов были в то время математики: Ж. Л. Д'Аламбер, Л.Эйлер, Ж. Д. Лагранж.
В биологии XVIII в. важное место занимала систематика. Шведский натуралист К. Линней разработал систему классификации растений и животных, в которой было выделено несколько соподчиненных групп: классы, отряды, роды, виды и разновидности. Им была узаконена бинарная или двойная номенклатура видовых названий.
Сформулированная в космогонии идея развития природы постепенно переходит в биологию. Французский естествоиспытатель Ж.Бюффон одним из первых в развернутом виде изложил концепцию трансформизма (ограниченной изменчивости видов и происхождения видов в пределах относительно узких подразделений).
Особенностью развития естествознания во второй половине XVIII в. и на протяжении XIX в. является процесс его стихийной диалектизации. Начало этому процессу положила работа немецкого ученого и философа Иммануила Канта (1724 - 1804) «Всеобщая естественная история и теория неба». В этой работе, опубликованной в 1755 году, была сделана попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы. Гипотеза Канта утверждала, что Солнце, планеты и их спутники возникли из некоторой первоначальной, бесформенной туманной массы, некогда равномерно заполнявшей мировое пространство. Кант пытался объяснить процесс возникновения Солнечной системы действием сил притяжения, которые присуще частицам материи, составляющим эту огромную туманность. Идеи Канта о возникновении и развитии небесных тел были несомненным завоеванием науки середины XVIII века. Его космогоническая гипотеза поколебала прочность метафизического взгляда на мир. Через 40 с лишним лет французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас (1749-1827) в своем труде «Изложение системы мира», опубликованном в 1796 г., совершенно независимо от Канта высказал идеи, развивавшие и дополнявшие кантовское космогоническое учение (гипотеза Канта-Лапласа). В XIX веке диалектическая идея развития распространилась на широкие области естествознания. В первую очередь, на геологию и биологию. Важную роль в утверждении этой идеи сыграл трехтомный труд «Основы геологии» английского естествоиспытателя Чарльза Лайеля (1797 - 1875). В этом труде подчеркивалась идея развития очень длительного существования Земли. Геологический эволюционизм оказал немалое влияние на дальнейшее совершенствование эволюционного учения в биологии. В 1859 году вышел главный труд Чарльза Дарвина (1809 - 1882) «Происхождение видов в результате естественного отбора». В нем Дарвин, опираясь на огромный естественнонаучный материал, изложил факты и причины биологической эволюции. Он показал, что вне саморазвития органический мир не существует и поэтому органическая эволюция не может прекратиться. Развитие - это условие существования вида, условие его приспособления к окружающей среде. Наряду с фундаментальными работами, раскрывающими процесс эволюции, развития природы, появились новые естественнонаучные открытия, подтверждавшие наличие всеобщих связей в природе. К числу этих открытий относится клеточная теория, созданная в 30-х годах XIX века. Ее авторами были ботаники Маттиас Якоб Шлейден (1804 - 1881), установивший, что все растения состоят из клеток, и профессор, биолог Теодор Шванн (1810 - 1882), распространивший это учение на животный мир. Еще важное открытие этого времени - закон сохранения и превращения энергии. Первооткрывателем этого закона считают немецкого врача Юлиуса Роберта Майера (1814 - 1878) и английского исследователя Джеймса Прескотт Джоуля (1818 - 1889). В отстаивании этого закона и его широком признании в научном мире большую роль сыграл один из наиболее знаменитых физиков XIX века Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821 - 1894). Признавая приоритет Майера и Джоуля в открытии закона сохранения энергии, Гельмгольц установил, что в соответствии с этим принципом идея вечного двигателя невозможна. Доказательство сохранения и превращения энергии утверждало идею единства, взаимосвязанности материального мира. Вся природа рассматривалась как непрерывный процесс превращения универсального движения материи из одной формы в другую. Свой вклад в диалектизацию естествознания внесли и некоторые открытия в химии. К их числу относится открытие в 1828 году немецким химиком Фридрихом Велером (1800 - 1882) искусственного органического вещества - мочевины. Оно положило начало целому ряду синтезов органических соединений из исходных неорганических веществ. Эпохальным событием в химической науке, внесшим большой вклад в процесс диалектизации естествознания, стало открытие периодического закона химических элементов Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834 - 1907). Он обнаружил, что существует закономерная связь между химическими элементами, которая заключается в том, что свойства элементов изменяются в периодической зависимости от их атомных весов. Обнаружив эту закономерную связь, Менделеев расположил элементы в естественную систему в зависимости от их родства. Из вышесказанного следует, что основополагающие принципы диалектики - принцип развития и принцип всеобщей связи - получили во второй половине XVIII века и особенно в XIX веке мощное естественнонаучное обоснование.
Механистические взгляды на мир господствовали в естествознании не только в XVII, XVIII , но и почти весь XIX век. В целом природа понималась как гигантская механическая система, функционирующая по законам классической механики. Считалось, что в силу необходимости, действующей в природе, судьба даже отдельной материальной частицы заранее предрешена на все времена. Ученые-естествоиспытатели видели в классической механике прочную и окончательную основу естествознания. Многие естествоиспытатели вслед за Ньютоном старались объяснить, исходя из начал механики самые различные природные явления. При этом они неправомерно экстраполировали законы, установленные лишь для механической сферы явлений, на все процессы окружающего мира. Длительное время теории, объяснявшие закономерности соединения химических элементов, опирались на идею тяготения между атомами. Лаплас был убежден, что к закону всемирного тяготения сводятся все явления, известные ученым. Исходя из этого, он работал над созданием новой, молекулярной механики, которая, по его мнению, была призвана дополнить механику Ньютона и объяснить химические реакции, капиллярные явления, феномен кристаллизации, а также то, почему вещество может быть твердым, жидким или газообразным. Лаплас видел причины всего этого во взаимном притяжении между молекулами, которое, считал он, есть только «видоизменение всемирного тяготения». Как очередное подтверждение ньютоновского подхода к вопросу об устройстве мира было первоначально воспринято физиками открытие, сделанное французским военным инженером, членом парижской Академии наук Шарлем Огюстом Кулоном (1736 - 1806). Оказалось, что положительный и отрицательный электрические заряды притягиваются друг к другу прямо пропорционально величине зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Это означало, что в науке впервые появился один из законов электромагнетизма. После Кулона открылась возможность построения математической теории электрических и магнитных явлений. Механическая картина мира знала только один вид материи - вещество, состоящее из частиц, имеющих массу. В XIX веке к числу свойств частиц стали прибавлять электрический заряд. Английский химик и физик Майкл Фарадей (1791 - 1867) ввел в науку понятие электромагнитного поля. Ему удалось показать опытным путем, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Таким образом, он впервые объединил электричество и магнетизм, признал их одной и той же силой природы. В результате в естествознании начало утверждаться понимание того, что, кроме вещества, в природе существует еще и поле. Математическую разработку идей Фарадея предпринял выдающийся английский ученый Джеймс Клерк Максвелл (1831 - 1879). Его основной работой, заключавшей в себе математическую теорию электромагнитного поля, явился «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 г. Введение Фарадеем понятия электромагнитного поля и математическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явились самыми крупными событиями в физике со времен Галилея и Ньютона. Но потребовались новые результаты, чтобы теория Максвелла стала достоянием физики. Решающую роль в победе этой теории сыграл немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857 - 1894). В 1886 году Герц продемонстрировал «беспроволочное распространение» электромагнитных волн и тем самым экспериментально проверил теоретические выводы Максвелла. Он также смог доказать принципиальную тождественность полученных им электромагнитных переменных полей и световых волн. Работы в области электромагнетизма положили начало крушению механистической картины мира и открыли путь к новому миропониманию, отличающемуся от механистического. Результаты работ Фарадея, Максвелла и Герца привели к развитию современной физики, к созданию новых понятий, образующих новую картину действительности.
9. Физика на рубеже XIX-XX веков, ее открытия и достижения

Классическая механика господствовала в науке два столетия, идя от одного достижения к другому. Казалось, что ничто не предвещало заминок и неудач. Была создана кинетическая теория газов на основе статистического описания поведения большого числа движущихся частиц атомов или молекул. Были открыты законы термодинамики, создана теория электричества и магнетизма, получены знаменитые уравнения электродинамики Максвелла, объединившие эти теории. Однако оказалось, что, прекрасно описывая явления электромагнетизма, эти уравнения не подчиняются принципам относительности Галилея. Покоящийся и движущийся наблюдатель будут получать разные результаты при рассмотрении процессов взаимодействия движущихся и неподвижных зарядов. Принцип относительности Галилея стал несовместимым с уравнениями Максвелла. К концу XIX века это противоречие затронуло основания физики. Его необходимо было разрешить. В конце концов естествознание вынуждено было отказаться от признания особой, универсальной роли механики. На смену ей постепенно приходило новое понимание физической реальности.
В 1895 году началась научная революция, ознаменовавшая переход к новому способу познания, отражающему глубинные связи и отношения в природе. Она включала в себя как неожиданные открытия (открытия рентгеновских лучей, радиоактивности, и т.д.), так и великие теоретические достижения: квантовая теория М. Планка (1900 г.), специальная и общая теория относительности А. Эйнштейна (1905 - 1906 гг.), атомная теория Резерфорда - Бора в 1913 г. Английский физик и общественный деятель Дж. Бернал назвал этот период в развитии физики героическим. В это время исследуются новые миры главным образом с помощью технических и теоретических средств старой науки XIX века. Это был период в основном индивидуальных достижений: супругов Кюри, Резерфорда, Планка, Бора, Эйнштейна.
Эволюция в науке на рубеже XIX - XX веков принесла немало сенсационных открытий, разрушивших прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменности химических элементов и т.д. В 1895 году В. Рентген открыл невидимые глазом электромагнитные излучения, проникающие через некоторые непрозрачные для видимого света материалы. Эти лучи были названы рентгеновскими. В 1896 году французский физик А. Беккерель открыл явление естественной радиоактивности. Радиоактивное излучение свидетельствовало о наличии внутри атома колоссальных источников энергии и о превращаемости элементов. В 1897 году английский физик Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу - электрон. Открытия радиоактивности и электрона выдвинули проблему внутреннего строения атома. Уяснив, что электрон является составной частью атомов, Дж. Томсон предложил в 1903 году первую (электромагнитную) модель атома. Согласно этой модели, отрицательно заряженные электроны располагаются определенным образом внутри положительно заряженной сферы. При устойчивом состоянии атома электроны располагаются концентрическими слоями. Несмотря на наивность этой модели, представление о слоистом расположении электронов оказалось перспективным.
В 1904 году японский физик Нагаоке пришел к выводу, что атом по своему строению напоминает Солнечную систему, где вокруг положительного ядра вращается кольцо, состоящее из большого числа электронов. Эта модель сначала не привлекла внимания физиков, так как противоречила очевидным фактам. Однако в 1909 - 1910 гг. английский физик Э. Резерфорд обнаружил, что в атомах существуют ядра - положительно заряженные микрочастицы, размер которых чрезвычайно мал по сравнению с размерами атомов. Но масса атома почти полностью сосредоточена в его ядре. Резерфорд разработал новый вариант планетарной модели. В центре атома расположено ядро с размером порядка 10-13 см. Вокруг него вращаются электроны, число которых таково, что общий заряд атома равен нулю. Однако эта модель атома оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла, согласно которой вращающиеся электроны должны непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро, что ведет к неустойчивости атома. Однако это в природе не наблюдается. Электроны, двигающиеся по круговым орбитам вокруг ядра, не только не падали на ядро, но и излучали не непрерывную энергию, а лишь определенными порциями - квантами. Это явление объяснил немецкий физик М. Планк в своей теории, получившей название квантовой В 1913 году датский физик Н. Бор, опираясь на теорию М. Планка, разработал квантовую модель атома. В ее основу он положил следующие постулаты: в любом атоме существуют дискетные (стационарные) состояния, находясь в которых атом энергию не излучает; при переходе атома из одного стационарного состояния в другое он излучает или поглощает порцию энергии.
Ядром революции в естествознании на рубеже XIX - XX веков явилось создание новой механики. Размышляя над тем, как примирить электромагнитную теорию Максвелла с классической механикой, А. Эйнштейн в 1905 году пришел к выводу, что принцип относительности справедлив не только в механике, но и в оптике и электродинамике, а видоизменять надо законы и принципы классической механики. Подвергнув глубокому критическому анализу концепцию абсолютного пространства и времени, он создал специальную теорию относительности (ее часто называют релятивистской). В ней рассматриваются явления, для которых силы тяготения слабы или вообще не существуют. Специальная теория относительности представляет собой современную теорию пространства и времени при движении со скоростями, близкими к скорости света. В 1916 году была создана общая теория относительности. Это уже теория не только пространства и времени, но и тяготения. Она открыла реальность нашего искривленного четырехмерного мира пространства-времени. Гравитационное поле может интерпретироваться как следствие искривленного пространства.
Поскольку мы живем в четырехмерном мире, то поведение материальных точек описывается четырьмя координатами и наглядно представить четырехмерное искривленное пространство просто невозможно.
Кривизна реального четырехмерного физического мира меняется от одной области к другой. Она велика вблизи больших масс и выпрямляется вдали от них. Одно из следующих следствий теории относительности - замедление хода времени тяготением, то есть все часы в поле силы тяжести должны замедлять ход и тем больше, чем больше сила тяжести, то есть больше кривизна пространства в данной точке. Это было проверено с необходимой точностью только в 1960 году в 70 футовой башне Гарвардского университета.
Таким образом, научная революция на рубеже XIX - XX веков характеризовалась не только возникновением новых идей, открытием новых неожиданных фактов и явлении, но и преобразованием духа естествознания в целом, возникновением нового способа мышления, глубоким изменением методологических принципов естествознания.
10. Предпосылки и основное содержание новейшей революции в естествознании (XX в.) Становление современной науки

Новейшая революция в естествознании, начавшаяся в 90-х годах XIX века и продолжавшаяся до середины XX века, была глобальной научной революцией, подобной революции XVI-XVII вв. Начавшись в физике, она затем проникла в другие естественные науки, кардинально изменив философские и методологические основания науки, создав феномен современной науки. Первый этап революции, охарактеризованный нами выше, внес значительные изменения в представления о структуре материи, ее свойствах и видах.
Второй этап революции (сер. 20-х гг. - 40-е гг. ХХ в.) был связан с формированием новой квантово-релятивистской картиной мира, основанной на двух фундаментальных теориях этого периода - квантовой механике и теории относительности Эйнштейна. Все предшествующие фундаментальные представления были оспорены и заменены новыми. Вещество больше не рассматривалось как материальная субстанция, время не абсолютно и течет по-разному для объектов, которые движутся с разной скоростью. Вблизи тяготеющих масс время вообще замедляется и при определенных условиях может даже остановиться. Планеты движутся по своим орбитам не потому, что их притягивает некая сила, действующая на расстоянии, но потому, что само пространство, в котором они движутся, искривлено. Субатомные объекты обнаруживали себя и как частицы, и как волны, демонстрируя двойственную природу. Принцип неопределенности в корне подрывал лапласовский механистический детерминизм.
Третий этап (40-е - 70-е гг. ХХ в.) начался с овладения атомной энергией, создания ЭВМ и кибернетики, освоения космоса и развития космонавтики и др. Научная революция соединяется с технической революцией, что приводит к НТР. На лидирующие позиции наряду с физикой начинает претендовать биология. Развитие биосферного подхода привело к новому пониманию феномена жизни. Жизнь перестала восприниматься как случайное явление во Вселенной и превратилась в закономерный этап саморазвития материи. Науки биосферного класса: почвоведение, биогеохимия, биоценология, биогеография изучают системы, в которых происходит взаимопроникновение живой и неживой природы.
Сущность НТР проявляется в превращении науки в непосредственную производительную силу общества, а самого производства - в простое технологическое применение науки. Конкретно этот процесс проявляется во внедрении автоматизации управляемых систем на основе электроники, в использовании новых видов энергии (прежде всего развитие атомной энергетики), в увеличении удельного веса химической технологии, связанной с производством материалов с заранее заданными свойствами, космонавтика.
Начинают формироваться новые представления о Вселенной в целом и обо всех ее проявлениях с точки зрения глобального эволюционизма. Первыми попытались распространить принцип эволюционизма за пределы биологических наук физики. Они выдвинули гипотезу расширения Вселенной, признав несостоятельность предположения о ее стационарности. Вселенная явно развивается, начиная с гипотетического Большого взрыва, давшего энергию для ее формирования и развития. Эта концепция была предложена в 40-е и окончательно утвердилась в 70-е гг. Современный эволюционизм в биологических науках нашел свое проявление в поиске закономерностей и механизмов эволюции сразу на многих уровнях организации живой материи. Основная работа велась (и ведется) на молекулярно-генетическом уровне, в результате чего была создана синтетическая теория эволюции (синтез генетики и дарвинизма). Проникновение принципа эволюционизма в геологию привел к утверждению концепции дрейфа континентов. Возник ряд дисциплин, которые сформировались именно благодаря применению принципов развития и поэтому были эволюционны в самой своей основе: биогеохимия, антропология, экология и т.д.
Одним из важнейших результатов внедрения принципа глобального эволюционизма было возникновение синергетики. Если в классической науке господствовало убеждение, что материи свойственна тенденция к понижению степени ее упорядоченности, стремление к равновесию, т.е. в энергетическом отношении к хаотичности. Однако исследование живых систем давало факты, прямо противоречащие этому. Степень их упорядоченности не только не убывала со временем, а напротив, возрастала. Распространение принципа эволюционизма на все уровни материи сделал это противоречие еще более заметным. Стало очевидным, что для сохранения целостного непротиворечивого представления о мире нужно признать, что в природе, во Вселенной действует не только разрушительный, но и созидательный принцип. Материя способна самоорганизовываться и самоусложняться. Возникла теория самоорганизации, которая стала развиваться по нескольким направлениям - синергетика (Г.Хакен), неравновесная термодинамика (И.Пригожин), теория катастроф (Р.Том). Сформировавшись на базе физических дисциплин - термодинамики, радиофизики и др., в настоящее время синергетика имеет междисциплинарный характер. Ее идеи подводят базу под глобальный эволюционный синтез, осуществляющийся в науке.
В то же время во второй половине ХХ века стала складываться парадоксальная ситуация: с одной стороны, наука предъявила весомые доказательства своей ведущей роли в обществе, с другой стороны, в культуре формировалось и развивалось отрицательное отношение к науке - антисциентизм. Использование научных открытий для создания новых видов оружия и вооружения злодеев средствами массового уничтожения (от ядерного до химического и бактериологического), применение научных достижений для манипулирования сознанием людей, попытки создания в обществе тотального компьютерного контроля, эксперименты с генами животных и людей и др. - все это заставило многих отказаться от своей прежней безоговорочной веры в науку. Все это свидетельствует о кризисе культуры и цивилизации и связанной с ним переоценке ценностей. При этом подвергаются серьезной критике и уточняются место и роль науки, и, прежде всего, естествознания и техники, в жизни общества.
Тема 5. Структурные уровни организации материи

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета и т.д. может быть рассмотрен как система - сложное образование, включающее составные части, элементы и связи между ними. Элемент в данном случае означает минимальную, далее неделимую часть данной системы.
Совокупность связей между элементами образует структуру системы, устойчивые связи определяют упорядоченность системы. Связи по горизонтали - координирующие, обеспечивают корреляцию (согласованность) системы, ни одна часть системы не может измениться без изменения других частей. Связи по вертикали - связи субординации, одни элементы системы подчиняются другим. Система обладает признаком целостности - это означает, что все ее составные части, соединяясь в целое, образуют качество, не сводимое к качествам отдельных элементов. Согласно современным научным взглядам все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы.
В самом общем смысле слова «система» обозначает любой предмет или любое явление окружающего нас мира и представляет собой взаимосвязь и взаимодействие частей (элементов) в рамках целого. Структура - это внутренняя организация системы, которая способствует связи ее элементов в единое целое и придает ей неповторимые особенности. Структура определяет упорядоченность элементов объекта. Элементами являются любые явления, процессы, а также любые свойства и отношения, находящиеся в какой-либо взаимной связи и соотношении друг с другом.
В понимании структурной организации материи большую роль играет понятие «развитие». Понятие развития неживой и живой природы рассматривается как необратимое направленное изменение структуры объектов природы, поскольку структура выражает уровень организации материи. Важнейшее свойство структуры - ее относительная устойчивость. Структура - это общий, качественно определенный и относительно устойчивый порядок внутренних отношений между подсистемами той или иной системы. Понятие "уровень организации" в отличие от понятия "структура" включает представление о смене структур и ее последовательности в ходе исторического развития системы с момента ее возникновения. В то время как изменение структуры может быть случайным и не всегда имеет направленный характер, изменение уровня организации происходит необходимым образом. Системы, достигшие соответствующего уровня организации и имеющие определенную структуру, приобретают способность использовать информацию для того, чтобы посредством управления сохранить неизменным (или повышать) свой уровень организации и способствовать постоянству (или уменьшению) своей энтропии (энтропия - мера беспорядка).
До недавнего времени естествознание, и другие науки могли обходиться без целостного, системного подхода к своим объектам изучения, без учета исследования процессов образования устойчивых структур и самоорганизации.
В настоящее время проблемы самоорганизации, изучаемые в синергетике, приобретают актуальный характер во многих науках, начиная от физики и кончая экологией. Задача синергетики - выяснение законов построения организации, возникновения упорядоченности. В отличие от кибернетики здесь акцент делается не на процессах управления и обмена информацией, а на принципах построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения (Г.Хакен).
Вопрос об оптимальной упорядоченности и организации особенно остро стоит при исследованиях глобальных проблем - энергетических, экологических, многих других, требующих привлечения огромных ресурсов.
Современные взгляды на структурную организацию материи
В классическом естествознании учение о принципах структурной организации материи было представлено классическим атомизмом. Идеи атомизма служили фундаментом для синтеза всех знаний о природе. В XX веке классический атомизм подвергся радикальным преобразованиям.
Современные принципы структурной организации материи связаны с развитием системных представлений и включают некоторые концептуальные знания о системе и ее признаках, характеризующих состояния системы, ее поведение, организацию и самоорганизацию, взаимодействие с окружением, целенаправленность и предсказуемость поведения и др. свойства.
Наиболее простой классификацией систем является деление их на статические и динамические, которое, несмотря на его удобство все же условно, т.к. все в мире находится в постоянном изменении. Динамические системы делят на детерминистские и стохастические (вероятностные). Эта классификация основана на характере предсказания динамики поведения систем. В первом случае предсказания носят однозначный и достоверный характер. Такие системы исследуются в механике и астрономии. В отличие от них стохастические системы, которые обычно называют вероятностно - статистическими, имеют дело с массовыми или повторяющимися случайными событиями и явлениями. Поэтому предсказания в них имеют не достоверный, а лишь вероятностный характер.
По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы открытые и закрытые (изолированные), а иногда выделяют также частично открытые системы. Такая классификация носит в основном условный характер, т.к. представление о закрытых системах возникло в классической термодинамике как определенная абстракция. Подавляющее большинство, если не все системы, являются открытыми.
Многие сложноорганизованные системы, встречающиеся в социальном мире, являются целенаправленными, т.е. ориентированными на достижение одной или нескольких целей, причем в разных подсистемах и на разных уровнях организации эти цели могут быть различными и даже придти в конфликт друг с другом.
Классификация и изучение систем позволили выработать новый метод познания, который получил название системного подхода. Применение системных идей к анализу экономических и социальных процессов способствовало возникновению теории игр и теории принятия решений. Самым значительным шагом в развитии системного метода было появление кибернетики как общей теории управления в технических системах, живых организмах и обществе. Хотя отдельные теории управления существовали и до кибернетики, создание единого междисциплинарного подхода дало возможность раскрыть более глубокие и общие закономерности управления как процесса накопления, передачи и преобразования информации. Само же управление осуществляется с помощью алгоритмов, для обработки которых служат компьютеры.
Универсальная теория систем, обусловившая фундаментальную роль системного метода, выражает с одной стороны, единство материального мира, а с другой стороны, единство научного знания. Важным следствием такого рассмотрения материальных процессов стало ограничение роли редукции в познании систем. Стало ясно, что чем больше одни процессы отличаются от других, чем они качественно разнороднее, тем труднее поддаются редукции. Поэтому закономерности более сложных систем нельзя полностью сводить к законам низших форм или более простых систем. Как антипод редукционистского подхода возникает холистический подход (от греч. holos - целый), согласно которому целое всегда предшествует частям и всегда важнее частей.
Всякая система есть целое, образованное взаимосвязанными и взаимодействующими его частями. Поэтому процесс познания природных и социальных систем может быть успешным только тогда, когда в них части и целое будут изучаться не в противопоставлении, а во взаимодействии друг с другом.
Современная наука рассматривает системы как сложные, открытые, обладающие множеством возможностей новых путей развития. Процессы развития и функционирования сложной системы имеют характер самоорганизации, т.е. возникновения внутренне согласованного функционирования за счет внутренних связей и связей с внешней средой. Самоорганизация - это естественнонаучное выражение процесса самодвижения материи. Способностью к самоорганизации обладают системы живой и неживой природы, а также искусственные системы.
В современной научно обоснованной концепции системной организации материи обычно выделяют три структурных уровня материи:
мегамир - мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики); мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние измеряется световыми годами, а время миллионами и миллиардами лет;
макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин: земных расстояний и скоростей, масс и объемов; размерность макрообъектов соотносима с масштабами человеческого опыта - пространственные величины от долей миллиметра до километров и временные измерения от долей секунды до лет.
микромир - мир атомов и элементарных частиц - предельно малых непосредственно ненаблюдаемых объектов, размерность от 10-8 см до 10-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10-24 с.
Изучение иерархии структурных уровней природы связано с решением сложнейшей проблемы определения границ этой иерархии как в мегамире, так и в микромире. Объекты каждой последующей ступени возникают и развиваются в результате объединения и дифференциации определенных множеств объектов предыдущей ступени. Системы становятся все более многоуровневыми. Сложность системы возрастает не только потому, что возрастает число уровней. Существенное значение приобретает развитие новых взаимосвязей между уровнями и со средой, общей для таких объектов и их объединений.
Микромир, будучи подуровнем макромиров и мегамиров, обладает совершенно уникальными особенностями и поэтому не может быть описан теориями, имеющими отношение к другим уровням природы. В частности, этот мир изначально парадоксален. Для него не применим принцип «состоит из». Так, при соударении двух элементарных частиц никаких меньших частиц не образуется. После столкновения двух протонов возникает много других элементарных частиц - в том числе протонов, мезонов, гиперонов. Феномен «множественного рождения» частиц объяснил Гейзенберг: при соударении большая кинетическая энергия превращается в вещество, и мы наблюдаем множественное рождение частиц. Микромир активно изучается. Если 50 лет назад было известно всего лишь 3 типа элементарных частиц (электрон и протон как мельчайшие частицы вещества и фотон как минимальная порция энергии), то сейчас открыто около 400 частиц. Второе парадоксальное свойство микромира связано с двойственной природой микрочастицы, которая одновременно является волной и корпускулой. Поэтому ее невозможно строго однозначно локализовать в пространстве и времени. Эта особенность отражена в принципе соотношения неопределенностей Гейзенберга.
Наблюдаемые человеком уровни организации материи осваиваются с учетом естественных условий обитания людей, т.е. с учетом наших земных закономерностей. Однако это не исключает предположения о том, что на достаточно удаленных от нас уровнях могут существовать формы и состояния материи, характеризующиеся совсем другими свойствами. В связи с этим ученые стали выделять геоцентрические и негеоцентрические материальные системы.
Геоцентрический мир - эталонный и базисный мир ньютонова времени и эвклидова пространства, описывается совокупностью теорий, относящихся к объектам земного масштаба. Негеоцентрические системы - особый тип объективной реальности, характеризующийся иными типами атрибутов, иным пространством, временем, движением, нежели земные. Существует предположение о том, что микромир и мегамир - это окна в негеоцентрические миры, а значит, их закономерности хотя бы в отдаленной степени позволяют представить иной тип взаимодействий, чем в макромире или геоцентрическом типе реальности.
Еще одна типология материальных систем имеет сегодня достаточно широкое распространение. Это деление природы на неорганическую и органическую, в которой особое место занимает социальная форма материи. Неорганическая материя - это элементарные частицы и поля, атомные ядра, атомы, молекулы, макроскопические тела, геологические образования. Органическая материя также имеет многоуровневую структуру: доклеточный уровень - ДНК, РНК, нуклеиновые кислоты; клеточный уровень - самостоятельно существующие одноклеточные организмы; многоклеточный уровень - ткани, органы, функциональные системы (нервная, кровеносная и др.), организмы (растения, животные); надорганизменные структуры - популяции, биоценозы, биосфера. Социальная материя существует лишь благодаря деятельности людей и включает особые подструктуры: индивид, семья, группа, коллектив, государство, нация и др.
Основные понятия темы:
Развитие - необратимое направленное изменение структуры объектов природы.
Структура - это относительно устойчивый порядок внутренних отношений между подсистемами или элементами системы.
Система - определенная целостность, образованная совокупностью взаимодействующих частей, элементов.
Элементы - явления, свойства и отношения, находящиеся во взаимосвязи и соотношении друг с другом в рамках некоторой целостности.
Уровень организации - определенный этап в последовательной смене структур в ходе исторического развития системы с момента ее возникновения.
Мегамир - структурный уровень материи, включающий мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики).
Макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин (мир земных расстояний и скоростей, масс и объемов).
Микромир - мир атомов и элементарных частиц.
Геоцентрический мир - эталонный и базисный мир ньютонова времени и эвклидова пространства, описывается совокупностью теорий, относящихся к объектам земного масштаба.
Негеоцентрический мир - особый тип объективной реальности, характеризующийся иными типами атрибутов, иным пространством, временем, движением по сравнению с нашим, земным миром.
Стохастический - случайный.
Самоорганизация - процесс взаимодействия элементов, в результате которого происходит возникновение нового порядка или структуры в системе.
Тема 6. Макромир: вещество и поле. Принципы классической физики

1. Корпускулярная и континуальная концепции природы

На смену натурфилософскому подходу к описанию природы приходит механический. Он принес большие успехи, за исключением области оптических и электромагнитных явлений, где механика была бессильна, полностью их объяснить. В рамках своего механического понимания мира И. Ньютон создал корпускулярную теорию света: свет - это поток материальных частиц. Светящиеся тела излучают частицы, движущиеся в соответствии с законами механики, и вызывают ощущения света при попадании в глаз. На основе этой теории Ньютон объяснял законы отражения и преломления света.
Х. Гюйгенс (нидерландский ученый) сформулировал волновую теорию, которая по аналогии с движением волн на поверхности воды объясняла движение света. В пространстве существует упругая среда - светоносный эфир. Главный аргумент, который он приводил в защиту своей теории, - факт пересечения двух лучей света, которые пронизывают друг друга точно также как два ряда волн на воде. Против этой теории был такой факт: волны обтекают препятствие, а световой луч этого делать не может. Тень от непрозрачного предмета, помещенного на пути света, имеет резкую границу. Итальянский физик Гримальди с помощью увеличительных линз обнаружил на границах тени слабые участки освещенности в виде перемежающихся светлых и темных полос - ореолов. Это явление получило название дифракции света (разломанный). Однако авторитет Ньютона был настолько высок, что именно его теория света пользовалась признанием, хотя и не могла объяснить явление дифракции.
В нач. ХIХ в. английский физик Т. Юнг и французский физик О. Френель объяснили явление интерференции - появление темных полосок при наложении света на свет. Парадокс: свет, добавленный к свету, не обязательно дает усиление, а может дать более слабый свет или даже темноту. Так как свет - это колебания упругой среды, при наложении волн в противоположных фазах они уничтожают друг друга, поэтому появляются темные полосы.
В области электромагнитных явлений Фарадей и Максвелл показали неадекватность механической модели. Датский физик Эрстед открыл явление электромагнетизма: стрелка компаса, помещенного над проводником, по которому шел электрический ток, отклонялась. Фарадей ввел понятие «силовые линии». Он был убежден, что оптика и электричество взаимосвязаны и образуют единую область - «поле сил». Максвелл дал математическую разработку идеи Фарадея и рассматривал поле как самостоятельную физическую реальность. Фарадей предложил гипотезу, Максвелл создал теорию, а немецкий физик Герц дал экспериментальное подтверждение. В физике окончательно утвердилось понятие «поле» как физическая реальность, новый вид материи.
В конце XIX в. физики пришли к выводу, что материя существует в виде дискретного вещества и непрерывного поля. Вещество и поле различаются:
- вещество дискретно, поле непрерывно;
- вещество обладает массой покоя, а поле - нет;
- вещество малопроницаемо, поле полностью проницаемо;
- скорость распространения поля равна скорости света, скорость движения частиц на много порядков меньше.
Таким образом, вещество - вид материи, обладающий корпускулярными свойствами, для его характеристики используются масса покоя, спин, заряд и др.; поле - вид материи, который описывается длиной волны, фазой, амплитудой и их изменениями в пространстве и времени. Понятие поля нашло применение и в механике, где с его помощью был объяснен феномен гравитации.
2. Детерминизм. Динамические и статистические закономерности

Все явления и процессы в мире связаны между собой. Принцип детерминизма является выражением этой взаимосвязи и дает ответ на вопрос, существует ли в мире упорядоченность и обусловленность всех явлений, или же мир есть неупорядоченный хаос. В механической картине мира все связи между явлениями носят однозначный характер, поэтому миром правит необходимость, а случайностям нет места. П. Лаплас утверждал, что если бы мы в данный момент знали обо всех явлениях природы, то смогли бы логически вывести все события будущего. Следствием механистического детерминизма является фатализм.
Центральным понятием детерминизма является «закон». Закон понимается как объективная, всеобщая, необходимая, повторяющаяся связь между явлениями.
Отличительной особенностью законов классической механики состоит в том, что предсказания, полученные на их основе, носят достоверный и однозначный характер. Они получили название динамических. Динамические закономерности характеризуют поведение изолированных, индивидуальных объектов и позволяют установить точно определенную связь между отдельными состояниями объекта. Иначе говоря, динамические закономерности проявляются в каждом конкретном случае строго однозначно. Механистический детерминизм абсолютизировал динамические закономерности. Позже выяснилось, что не все явления подчиняются динамическим законам. В механике Ньютона и электродинамике Максвелла господствовал классический детерминизм, в рамках которого формируются динамические законы, однозначно связывающие физические параметры отдельных состояний объекта. Наряду с ними в науке с середины XIX века стали все шире применяться законы другого типа. Их предсказания не являются однозначными, а только вероятными. Именно это обстоятельство долгое время служило препятствием для признания их в науке как полноценных законов. Они рассматривались как вспомогательное средство для обобщения и систематизации эмпирических фактов. Эти законы получили название статистических.
Статистические закономерности проявляются в массе явлений и имеют форму тенденции. Эти законы называют вероятными, поскольку они описывают состояние индивидуального объекта лишь с определенной долей вероятности. Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов и поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость в статистических закономерностях проявляется через действие множества случайных факторов. Эти законы, как и динамические, являются выражением детерминизма. Понятие вероятности в рамках статистического закона выражает степень возможности осуществления явления в конкретной совокупности условий. Вероятность есть количественное выражение возможности, шкала которой располагается от 0 до 1. При вероятности, равной нулю, данное событие никогда не наступает, при вероятности, равной единице, это событие наступает в каждом конкретном случае.
Поскольку динамические законы выражали необходимый характер связи, обеспечивающий точность и достоверность предсказания, их называли детерминистскими. Эта терминология сохранилась до настоящего времени, когда статистические законы по традиции называют индетерминистскими, что не соответствует действительности.
Итак, и динамические, и статистические закономерности выражают детерминизм. Однако это совершенно разные формы.
Классический, или лапласовский, детерминизм основан на представлении, согласно которому весь окружающий мир - это огромная механическая система, поэтому все будущие состояния ее строго предопределены ее начальным состоянием. В основе этой формы детерминизма лежат универсальные законы классической физики.
Вероятностный детерминизм опирается на статистические законы.
Когда сравнивают эти формы выражения регулярности в мире, то обычно обращают внимание на степень достоверности их предсказаний. Строго детерминистские законы дают точные предсказания в тех областях, где можно абстрагироваться от сложного характера взаимодействия между телами, отвлекаться от случайностей и тем самым значительно упрощать действительность. Однако такое упрощение возможно лишь при изучении простейших форм движения. Когда же переходят к исследованию сложных систем, состоящих из большого числа элементов, индивидуальное поведение которых трудно поддается описанию, тогда обращаются к статистическим законам, опирающимся на вероятностные предсказания.
Таким образом, в современной концепции детерминизма органически сочетаются необходимость и случайность. Поэтому мир и события в нем не являются ни фаталистически предопределенными, ни чисто случайными, ничем не обусловленными. Классический детерминизм чрезмерно подчеркивал роль необходимости за счет отрицания случайности в природе и поэтому давал искаженное представление о картине мира. Признание самостоятельности статистических законов, отображающих существование случайных событий, дополняет прежнюю картину строго детерминистского мира. В результате этого необходимость и случайность выступают как взаимосвязанные аспекты, случайность понимается как форма проявления необходимости. Таким образом, детерминизм становится вероятностным.
3. Основные принципы термодинамики. Значение законов термодинамики в описании явлений природы

Статистическое описание природы находит свое воплощение в термодинамике. Термодинамика базируется на двух основных законах.
Закон сохранения энергии. Он выполняется во всех явлениях природы и подтверждается опытом человечества.
Q = U - A, где U - внутренняя энергия, A - работа.
Тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил. В другой редакции этот закон звучит так: нельзя построить действующую машину, которая бы совершала работу, больше подводимой к ней извне энергии (вечный двигатель первого рода невозможен).
Тепловые процессы протекают самопроизвольно только в определенном направлении, такие процессы называются необратимыми. То есть тепло перетекает от более нагретого тела к менее нагретому.
Второе начало термодинамики указывает на существование двух форм энергии - теплоты (связанной с неупорядоченным, хаотическим движением) и работы, связанной с упорядоченным движением. Немецкий физик Р. Клаузиус использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии австрийский физик Л. Больцман интерпретировал в терминах изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок (хаос) в системе.
Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает (второе начало термодинамики).
Таким образом, такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой работа становится невозможной. В точке термодинамического равновесия энтропия максимальна. Поскольку об изменении систем в классической термодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии, то энтропия и выступает в качестве своеобразной стрелы времени.
Отличие термодинамической модели от классической механики: необратимость времени.
Отличие от эволюционной теории Дарвина: эволюция - это естественный отбор и усложнение организации систем; термодинамическая же система движется к дезорганизации систем.
Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную предпринял Р. Клаузиус, выдвинув два постулата:
1. Энергия Вселенной всегда постоянна.
2. Энтропия Вселенной всегда возрастает.
Все процессы во Вселенной направлены в сторону термодинамического равновесия - состояния, характеризующегося наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. Во Вселенной должна наступить «тепловая смерть».
Живые организмы, являясь открытыми системами, постоянно обмениваются с окружающей средой веществом и энергией; получая энергию, организмы упорядочиваются, т.е. снижается энтропия. Но если рассматривать систему «организм - среда» в целом, энтропия постоянно растет.
Законы классической механики строго инвариантны, неизменны относительно изменения знака времени: замена «+t» на « -t» ничего в них не меняет. Поэтому и говорят, что механика обратима. Если мы абсолютно точно знаем начальные координаты и импульсы частиц, то можем узнать сколь угодно далекое прошлое и сколь угодно далекое будущее системы. Конечно, практически это осуществить невозможно, ни один компьютер не справится с такой задачей. Главное то, что мы можем это сделать теоретически. В мире ньютоновской механики все события раз и навсегда предопределены, это мир строгого детерминизма, в нем нет места случайностям.
А вот согласно второму началу термодинамики, в изолированной системе все процессы протекают только в одном направлении - к максимальной энтропии, возрастанию хаоса, что сопровождается рассеянием энергии. Проблема, которая потребовала своего решения, выглядела так: как можно вывести необратимость термодинамики из обратимости механики?
Эту проблему пытался решить во второй половине XIX века Л. Больцман. Он обратил внимание на то, что термодинамическая необратимость имеет смысл только для большого числа частиц: если частиц мало, то система оказывается фактически обратимой. Для того чтобы согласовать микроскопическую обратимость с макроскопической необратимостью, Больцман использовал вероятностное описание системы. Однако вскоре было показано, что уже само по себе вероятностное описание в неявном виде содержит представление о существовании "стрелы времени", и поэтому доказательство Больцмана нельзя считать корректным решением проблемы.
Сам Больцман пришел к выводу, что вся бесконечная Вселенная в целом обратима, а наш мир представляет собой по космическим меркам микроскопическую флуктуацию. А в середине XX века пулковский астроном Н.А. Козырев попытался создать необратимую механику, в которой "стрела времени" имеет характер физической реальности и служит источником энергии звезд. Но точка зрения Больцмана допускает возможность нарушения причинности в отдельных достаточно обширных областях Вселенной, а точка зрения Козырева вводит в описание природы некую особую физическую сущность, подобную «жизненной силе».
4. Основные понятия, законы и принципы классической физики

Классическая физика понимается как фундаментальная база исследования макрообъектов. Для иллюстрации этого положения рассмотрим следующий пример. Как движется автомобиль? Поступательное движение поршней в цилиндрах преобразуется во вращательное движение колес. Колеса отталкиваются от поверхности дороги, и в результате автомобиль перемещается в пространстве по отношению к окружающим предметам. Все эти процессы изучает «Механика». Началом «цепочки» механических движений является движение поршня, который толкает газообразная смесь в камере сгорания. Процессы в газах изучает «Молекулярная физика». Часть энергии рабочей смеси преобразуется в энергию поршня, а часть «выбрасывается» в виде теплоты вместе с отработанными газами, расходуется на последующее сжатие рабочей смеси и т.д. Эти энергетические процессы, от которых зависят КПД и мощность двигателя, изучает «Термодинамика». Электромагнитные процессы в системе зажигания изучает «Электродинамика». Поскольку эти процессы формируются с помощью транзисторов микросхем и других устройств, которые основаны на квантовых явлениях, то они изучаются «Квантовой физикой».
Таким образом, движение автомобиля представляет собой сумму самых разных явлений. Различные специальные дисциплины изучают отдельные явления, агрегаты и узлы автомобиля. Это связано с их сложностью и привело к дифференциации науки. Однако самое первое описание движения автомобиля связано с основными законами классической физики.
Самый простой вид движения материи в макромире - это перемещение тел по отношению к другим телам. Для его описания используются основные понятия кинематики: движение, скорость, ускорение, относительность движения, система отсчета, материальная точка, траектория и т.п. и основные законы, объясняющие механическое движение, - законы Ньютона:
Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. (Закон инерции).
Изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует (второй закон - главный закон динамики).
Действие всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, т.е. взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны (третий закон).
Согласно законам механики - основной причиной движения является действие сил. Поэтому анализу понятия силы в классической физике уделяется большое внимание. Силы делятся на: силу упругости (она связана с деформацией тел) и силу трения. Природа этих сил связана с электрическим взаимодействием между атомами; силу тяготения (ее называют силой тяжести, под ее действием свободные тела падают на Землю). Сила тяготения часто проявляется в виде веса - силы, с которой тело действует на опору; силу инерции.
Существуют разные формы движения материи (механическая, тепловая, электрическая и т.д.), которые могут переходить друг в друга. Поэтому физика использует важнейшее понятие, выражающее меру перехода одних форм движения в другие, - это энергия. Важнейшие законы классической физики - законы сохранения:
Закон сохранения энергии: энергия не уничтожается и не создается, а может лишь переходить из одной формы в другую.
Закон сохранения импульса: если сумма внешних сил равна нулю, импульс системы тел остается постоянным при любых происходящих в ней процессах.
В современной физике эти важнейшие законы сохраняют свое фундаментальное значение, они выполняются всегда и везде, не только в макромире, но и в космосе и в микромире.
Несмотря на то, что классическая термодинамика была составной частью классической физики, однонаправленность тепловых процессов принципиально отличала их от механических. Любое механическое движение обратимо, т.е. может происходить как в прямом, так и в обратном направлении через те же промежуточные состояния: вращение маховика, качание маятника и т.п. При этом в уравнениях движения меняется лишь знак времени: вместо
t следует использовать -t. Это означает, что механическое движение симметрично по отношению к изменению знака времени. Тепловые процессы в этом смысле существенно отличаются: они необратимы, не симметричны по отношению к изменению знака времени. Время всегда течет в одну сторону, так называемая «стрела времени».
Все реальные процессы протекают с увеличением энтропии, т.е. ведут к установлению теплового равновесия. Из этого следует, что всякая упорядоченность в окружающем мире постепенно исчезает, плотности частиц и температуры выравниваются, энергия рассеивается, со временем прекращается вообще всякое направленное движение, всякая жизнь, останется только молекулярный хаос. Долгое время умы не только физиков, но и философов занимала идея тепловой смерти Вселенной.
Сосуществовавшие концепции описания природы - корпускулярная и континуальная - взаимоисключали друг друга, так как считалось, что они относятся к разным сферам реальности. Поэтому обнаружение двойственной природы у одних и тех же объектов означало для классической физики потрясение всех ее основ и получило название «кризиса физики».
Основные понятия темы:
Корпускулярная концепция природы описывает все явления и процессы природы как движение частиц.
Континуальная концепция природы описывает все явления и процессы как
Вещество - вид материи, обладающий корпускулярными свойствами.
Поле - вид материи, который представляет собой взаимодействие частиц и описывается длиной волны, фазой и амплитудой.
Динамические закономерности отображают объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно.
Статистические закономерности отображают объективную закономерность в форме результата взаимодействия большого числа элементов и поэтому характеризуют их поведение в целом.
Закрытые (замкнутые) системы - системы, которые не обмениваются со своим окружением ни массой, ни энергией.
Энтропия - мера беспорядка в системе.
I-е начало термодинамики - закон сохранения энергии.
II-е начало термодинамики - энтропия замкнутой системы постоянно возрастает.
«Тепловая смерть Вселенной» - направленность всех процессов во Вселенной к точке термодинамического равновесия.
Тема 7. Открытые системы и неклассическая термодинамика

1. Закрытые и открытые системы. Энтропия, порядок и хаос

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы открытые и закрытые (изолированные), а иногда выделяют также частично открытые системы. Впервые представление о закрытых системах возникло в классической термодинамике и представляло собой определенную абстракцию, т.к. подавляющее большинство, если не все системы, являются открытыми.
Для описания энергетических процессов в закрытых системах использовалось понятие энтропии (в переводе с греч. - поворот, превращение) и обозначало меру необратимого рассеяния энергии. Л. Больцман, интерпретировавший это понятие с точки зрения изменения порядка в системе, связал понятия: энтропия, порядок, хаос.
Понятие энтропии оказалось связано с процессами эволюции в системе. Однако эволюция, понятие которой утвердилось в биологии, была связана с усложнением организации, в то время как эволюция в термодинамике связывалась с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалась неразрешимым вплоть до 60-х гг. XX века, пока не появилась неравновесная термодинамика.
Процессы, протекающие в различных явлениях природы, стали разделять на два класса. К первому относятся процессы, протекающие в замкнутых системах. Они развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния в системе. Ко второму классу относятся процессы, протекающие в открытых системах. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в ней происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует меру беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды. В соответствующие моменты - моменты неустойчивости - в них могут возникать малые флуктуации (отклонения от равновесия), способные разрастаться в макроструктуры. В неравновесных термодинамических системах возможны состояния, приводящие не к возрастанию энтропии и стремлению термодинамических систем к равновесному хаосу, а к «самопроизвольному» возникновению упорядоченных структур, к рождению порядка из хаоса. В этом случае хаос выступает в роли активного начала процесса самоорганизации. Самоорганизация - это процесс самопроизвольного формирования структуры более сложной, чем первоначальная. Структуры, образующиеся в процессе самоорганизации, называются диссипативными структурами.
Таким образом, формируется новое представление о хаосе, которое перестает нести негативный смысл. В традиционном понимании хаос - это беспорядок, дезорганизация. В новом понимании хаос - более высокая форма, где случайность и бессистемные импульсы становятся организующим принципом.
Главным направлением физической науки XX века считалась физика элементарных частиц, которая исследовала структуру материи при наиболее высоких энергиях, малых масштабах и коротких отрезках времени и породила современные теории о природе физических взаимодействий и происхождении Вселенной. Однако она так и не смогла ответить на некоторые фундаментальные вопросы: как зародилась жизнь, что такое турбулентность, как во Вселенной, подчиняющейся закону повышения энтропии и неумолимо движущейся к все большему беспорядку, может возникнуть порядок?
Стивен Хокинг, декан физического факультета Кембриджского университета, лауреат Нобелевской премии, космолог, в 1980 г. выступил с обзорной лекцией, посвященной развитию теоретической физики и названной «Не наступает ли конец физической теории?». Он выразил мнение многих ученых о том, что понимание законов природы в терминах хорошо освоенной физики элементарных частиц оставило без ответа вопрос о том, как применить эти законы к любым системам, кроме простейших. Только возникновение науки о хаосе позволило окончательно освободить физику из пут ньютоновского видения мира. Завершилась революция в физике: теория относительности разделалась с иллюзиями Ньютона об абсолютности пространства-времени, квантовая механика развенчала мечту о детерминизме физических событий, и, наконец, теория хаоса развенчала фантазию Лапласа о полной предопределенности развития систем.
Начиная с середины 70-х годов ХХ века ученые осознали, что довольно простые математические уравнения позволяют моделировать системы, столь же неупорядоченные, как самый бурный водопад. Исследователи в США, Европе и в том числе в России начали настойчиво и кропотливо изучать хаотические явления. Математики, физики, биологи, химики стали искать связи между различными типами беспорядочного в природе. В результате было установлено, что полученные закономерности имеют прямое отношение к множеству природных явлений - от очертаний облаков,конфигурации сеточек кровеносных сосудов до скоплений звезд в Галактике и т.д.
2. Концепция «Тепловой смерти Вселенной»

Классическая термодинамика оказалась неспособной решить космологические проблемы, связанные с термодинамическими процессами. Первую попытку распространить законы термодинамики на всю Вселенную предпринял Р. Клаузиус. Он выдвинул два постулата:
· энергия Вселенной всегда постоянна;
· энтропия Вселенной всегда возрастает.
Если принять второй постулат, то необходимо признать, что все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимальной энтропии. Для этого состояния характерно наибольшая степень хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть, исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в теплоту, равномерно распределенную во Вселенной.
Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны многих ученых и философов, но в середине XIX века было еще мало научных аргументов для опровержения этой концепции и обоснования альтернативного взгляда. Основные положения концепции «Тепловой смерти Вселенной» по существу сводились к положениям, которые представляют собой трудноразрешимые проблемы даже для современной науки. Это - во-первых, Вселенная рассматривается как замкнутая система; во-вторых, эволюция Вселенной может быть описана как смена ее состояний; в-третьих, для мира как целого состояние с максимальной энтропией имеет смысл, как и для любой конечной системы.
Поэтому первые возражения против этой концепции были связаны с представлением о Вселенной не как замкнутой системы, а как системы, находящейся в переменном гравитационном поле.
Одним из первых физиков, пытавшихся представить будущее Вселенной, был также и Л. Больцман. Он попытался применить к замкнутой Вселенной понятие флуктуации. Под флуктуацией физической величины понимается отклонение истинного значения величины от ее среднего значения, обусловленного хаотическим тепловым движением частиц системы. Согласно так называемому ограничению Максвелла для небольшого числа частиц второе начало термодинамики не должно применяться, т.к. в этом случае о тепловом равновесии нельзя говорить. Поэтому Больцман утверждает, что раз мы имеем дело лишь с видимой частью Вселенной, которая представляет собой небольшую область бесконечной Вселенной, то ко всей Вселенной нельзя применять второе начало термодинамики. Для этой небольшой области допустимы отклонения от равновесия (флуктуации), в результате чего в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной по направлению к хаосу. Формулируя свою флуктуационную гипотезу, Больцман исходил из допущения, что Вселенная уже достигла состояния термодинамического равновесия. Но вследствие возникновения в небольших областях Вселенной микроскопических отклонений от состояния равновесия (флуктуаций) эти зоны находятся в состояниях, вероятности которых возрастают и уменьшаются.
Критика концепции «Тепловой смерти Вселенной» осуществлялась по трем направлениям:
1) в связи с предположением о том, что наряду с энтропийными процессами в природе происходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют наступлению «тепловой смерти» (в т.ч. Больцман) 2) в связи с сомнением в правомерности распространения понятий термодинамики с отдельных систем на всю Вселенную в целом.
3) в связи с созданием синергетического видения Вселенной и ее эволюции.
В 1965 г. Джон Стюарт Белл опубликовал теорему, получившую название «О нелокальности причин». Белл утверждал, что отдельные причины не могут быть изолированы одна от другой, во Вселенной все взаимосвязано. Теорема гласит, что изолированных систем не существует, и что система, даже разделенная на части огромными расстояниями, между которыми отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергии и т.д., функционирует как единая система. Развивая эту идею, американский ученый Дэвид Бом в своей космологии утверждал, что реальность едина и представляет собой неделимую целостность, лежащую в основе всей Вселенной, порождая, поддерживая и контролируя все путем постоянной связи со всем в глубинной структуре целого.
3. Неравновесная термодинамика. Рождение синергетики

Классическая термодинамика рассматривала изолированные системы, которые стремятся к равновесному состоянию, или же частично открытые системы, находящиеся вблизи от точки термодинамического равновесия. Поэтому для описания процессов самоорганизации использовать понятия классической термодинамики не представлялось возможным. Необходимо было ввести новые понятия и принципы, которые бы адекватно описывали реальные процессы самоорганизации, происходящие в природе.
Наиболее фундаментальным из них является понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией или информацией. Поскольку между веществом и энергией существует взаимосвязь, постольку можно сказать, что система в ходе своей эволюции производит энтропию, которая, однако, не накапливается в ней, а рассеивается в окружающей среде. Вместо нее из среды поступает свежая энергия и именно вследствие такого непрерывного обмена энтропия системы может не возрастать, а оставаться неизменной или даже уменьшаться. Из этого следует, что открытая система не может быть равновесной, ее функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается. В результате прежняя взаимосвязь между элементами системы (прежняя структура) разрушается. Между элементами системы возникают новые когерентные (согласованные) отношения, которые приводят к кооперативным процессам и к коллективному поведению ее элементов.
Материальные структуры, способные рассеивать энергию, называются диссипативными. Примером может служить самоорганизация, которая возникает в химических реакциях. Она связана с поступлением извне новых реагентов, то есть веществ, обеспечивающих продолжение реакции и выведение в окружающую среду продуктов реакции. Внешне самоорганизация проявляется здесь в появлении в жидкой среде концентрических волн или в периодическом изменении цвета раствора, например, с синего на красный и обратно («химические часы»). Эти реакции впервые были исследованы отечественными учеными В. Белоусовым и А. Жаботинским. На их экспериментальной основе группой бельгийских ученых во главе с И. Пригожиным была построена теоретическая модель, названная брюсселятором (от названия города Брюссель). Эта модель легла в основу исследований новой термодинамики, которую назвали неравновесной, или нелинейной. Отличительная черта моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации, состоит в том, что в них используются нелинейные математические уравнения.
Изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик Герман Хакен назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает совместное, согласованное действие. Синергетика объясняет процесс самоорганизации следующим образом:
1. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и поэтому неспособна к какой-либо организации. В этом состоянии она достигает максимума дезорганизации. Если же система находится вблизи от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и, в конце концов, придет в состояние полной дезорганизации.
2. Если упорядочивающим принципом для закрытых систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии, т.е. беспорядка, то фундаментальным принципом самоорганизации является возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации (случайные отклонения системы от некоторого среднего положения) в самом начале функционирования системы подавляются и ликвидируются ею. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и, в конце концов, приводят к «развалу» прежнего порядка и возникновению нового порядка. Этот принцип обычно называют как принцип образования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер, а именно с них начинается возникновение нового порядка и структуры, постольку появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.
4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на принцип положительной обратной связи. Согласно этому принципу изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что приводит в результате к возникновению нового порядка и структуры.
5. Процессы самоорганизации сопровождаются нарушением симметрии, свойственной для закрытых равновесных систем. Для открытых систем характерна асимметрия.
6. Самоорганизация возможна лишь в системах, имеющих достаточное количество взаимодействующих между собой элементов. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного, согласованного) поведения элементов системы и возникновения процесса самоорганизации.
Это - необходимые, но не достаточные условия для возникновения самоорганизации в системе. Чем выше уровень организации системы, чем выше она находится на эволюционной лестнице, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, которые приводят к самоорганизации.
Новое понимание хаоса нашло свое выражение в знаменитом «эффекте бабочки», сформулированном Эдвардом Лоренцем, ученым-метеорологом. «Эффект бабочки» гласит: Движение крыла бабочки в Перу через серию непредсказуемых и взаимосвязанных событий может усилить движение воздуха и, в итоге, привести к урагану в Техасе.
Об этом же говорил еще в начале XX века знаменитый математик Анри Пуанкаре. Он пришел к выводу, что совершенно ничтожная величина, в силу этого ускользающая от нашего внимания, вызывает значительное действие, которое мы не могли и предусмотреть.
Казалось бы, все говорит о торжестве случая над предопределенностью. Однако то, что мы называем «случайностью» представляет собой некий порядок, выдающий себя за случайность, порядок, законов которого наука пока не может объяснить. Появился новый термин - аттрактор, который помогает понять происходящие процессы.
И. Пригожин, лауреат Нобелевской премии, в книге «Время, хаос, квант» пишет: «При исследовании того, как простое относится к сложному, мы выбираем в качестве путеводной нити понятие «аттрактора», то есть конечного состояния или хода эволюции диссипативной системы… Понятие аттрактора связано с разнообразием диссипативных систем… Идеальный маятник (без трения) не имеет аттрактора и колеблется бесконечно. С другой стороны, движение реального маятника - диссипативной системы, движение которой включает трение, - постепенно останавливается в состоянии равновесия. Это положение является аттрактором… В отсутствии трения аттрактор не существует, но даже самое слабое трение радикально изменяет движение маятника и вводит аттрактор». Для большей наглядности Пригожин облекает идею в геометрическую форму. Тогда конечная точка движения маятника - аттрактор - представляет собой финальное состояние любой траектории в пространстве.
Однако не все диссипативные системы эволюционируют к одной- единственной конечной точке, как в случае с реальным маятником. Есть системы, которые эволюционируют не к какому-нибудь состоянию, а к устойчивому периодическому режиму. В этом случае аттрактор не точка, а линия, описывающая периодические во времени изменения системы. Были построены изображения аттракторов, которые представляют собой не точку или линию, а поверхность или объем. Полной неожиданностью стало открытие так называемых странных аттракторов. В отличие от линии или поверхности, странные аттракторы характеризуются не целыми, а дробными размерностями.
Наиболее четкую классификацию аттракторов дал американский ученый Билл М. Вильямс, который около сорока лет проводил исследования хаотических процессов рынка. В его исследовании соединились достижения физики, математики и психологии. Он утверждает, что всеми внешними явлениями управляют четыре силы, извлекающие порядок из беспорядка, получившие название аттракторов:
· Точечный аттрактор;
· Циклический (круговой) аттрактор;
· аттрактор Торас;
· Странный аттрактор.
Точечный аттрактор - аттрактор первой размерности - это простейший способ привнести порядок в хаос. Он живет в первом измерении линии, которая составлена из бесконечного числа точек. Он характеризуется как некая устремленность. Так, в человеческом поведении Точечный аттрактор создает психологическую фиксацию на одном желании (или нежелании), и все остальное откладывается до тех пор, пока не будет удовлетворено (уничтожено) это желание.
Циклический аттрактор живет во втором измерении плоскости, которая состоит из бесконечного числа линий. Им характеризуется рынок, заключенный в коридор, где цена движется вверх и вниз в определенном диапазоне в течение некоторого промежутка времени. Этот аттрактор более сложен и является структурой для более сложного поведения.
Аттрактор Торас - еще более сложный аттрактор. Он начинает сложную циркуляцию, которая повторяет себя по мере движения вперед. По сравнению с двумя предыдущими аттрактор Торас вводит большую степень беспорядочности, и его модели более сложны. Графически он выглядит как кольцо или рогалик, он образует, спиралевидные круги на ряде различных плоскостей и иногда возвращается к себе, завершая полный оборот. Его основная черта - это повторяющееся действие.
Странный аттрактор из четвертого измерения. То, что поверхностный взгляд воспринимает как абсолютный хаос, в котором не заметно никакого порядка, имеет определенный порядок, базирующийся на Странном аттракторе. Его можно увидеть, только если наблюдение ведется из четвертого измерения. Его можно представить как множество пульсирующих линий в трехмерном пространстве, подобных вибрирующим струнам. Четырехмерность Странного аттрактора получается за счет добавления пульсаций (вибраций). Важнейшей характеристикой Странного аттрактора является чувствительность к начальным условиям («Эффект бабочки»). Малейшее отклонение от начальных условий может привести к огромным различиям в результате.
Вильямс утверждает, что, когда мы находимся под действием первых трех аттракторов, нами манипулируют, и мы становимся предсказуемыми. Только в динамике Странного аттрактора мы можем быть действительно свободными. Странный аттрактор организует прекрасный мир спонтанности и свободы.
Для описания сложных систем была создана новая геометрия. В 1975 г. Бенуа Мандельброт ввел понятие фрактал (от лат. - расколотый) для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур. Возникновение фрактальной геометрии связано с выходом в 1977 г. книги Мандельброта «Фрактальная геометрия природы». Он писал: «Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в чем-то подобны целому».
Фрактальная геометрия «увидела» парадоксы, поставившие в тупик многих математиков XX века. Это и парадокс «береговой линии», парадокс «снежинка» и др.
Что это за необыкновенная «снежинка»? Представим себе равносторонний треугольник. Мысленно разделим каждую его сторону на три равные части. Уберем среднюю часть на каждой стороне и вместо нее приставим равносторонний треугольник, длина стороны которого составляет одну треть от длины исходной фигуры. Получим шестиконечную звезду. Она образована уже не тремя отрезками определенной длины, а двенадцатью отрезками длиной в три раза меньше исходной. И вершин у нее уже не три, а шесть. Повторим эту операцию вновь и вновь, число деталей в образуемом контуре будет расти и расти. Изображение приобретает вид снежинки. Связная линия, составленная из прямых (или криволинейных) участков и названная кривой Коха, обладает целым рядом особенностей. Прежде всего, она представляет собой непрерывную петлю, никогда не пересекающую саму себя, так как новые треугольники на каждой стороне достаточно малы и поэтому не сталкиваются друг с другом. Каждое преобразование добавляет немного пространства внутри кривой, однако ее общая площадь остается ограниченной и фактически лишь незначительно превышает площадь первоначального треугольника. И, кроме того, кривая никогда не выйдет за пределы окружности, описанной около него. Кривая Коха бесконечной длины теснится в ограниченном пространстве! При этом она представляет собой уже нечто большее, чем просто линия, но все же это еще не плоскость.
Итак, фракталы - это геометрические фигуры с набором очень интересных особенностей: дробление на части, подобные целому, или одно и то же преобразование, повторяющееся при уменьшающемся масштабе. Им присущи изломанность и самоподобие. Фрактальность - это мера неправильности. Например, чем больше изгибов и поворотов имеет речка, тем больше ее фрактальное число. Фракталы могут быть линейными и нелинейными. Линейные фракталы определяются линейными функциями, т.е. уравнениями первого порядка. Они проявляют самоподобие в самом бесхитростном виде: любая часть есть уменьшенная копия целого. Более разнообразным является самоподобие нелинейных фракталов: в них часть есть не точная, а деформированная копия целого. Фракталы описывают весь реальный мир.
Исходя из идеи размерности, Мандельброт пришел к выводу, что ответ на вопрос: сколько измерений имеет тот или иной объект, зависит от уровня восприятия. Например, сколько измерений имеет клубок бечевки? С огромного расстояния он выглядит точкой, имеющей нулевую размерность. Приблизимся к клубку и обнаружим, что это сфера, и у нее три измерения. На еще более близком расстоянии становится различимой сама бечевка, а объект приобретает одно измерение, но скручен таким образом, что задействуется трехмерное пространство. Под микроскопом обнаружим, что бечевка состоит из скрученных протяженных трехмерных объектов, а те, в свою очередь, из одномерных волокон, вещество которых распадается на частицы с нулевой размерностью. То есть в зависимости от нашего восприятия размерность менялась так: нулевая - трехмерная - одномерная - трехмерная - одномерная - нулевая.
Физические системы с фрактальной структурой обладают уникальными свойствами. Фракталы иначе рассеивают электромагнитное излучение, по - другому колеблются и звучат, иначе проводят электричество т.д.
Как ни парадоксально, открытие фрактальных множеств не только установило существование непрогнозируемых процессов, но и научило человека ими управлять, поскольку неустойчивость хаотических систем делает их чрезвычайно чувствительными к внешнему воздействию. При этом системы с хаосом демонстрируют удивительную пластичность. Дерево растет и ветвится вверх, но как точно изогнутся его ветви, никто не скажет. Вот почему говорится, что мир создан из хаоса.
Основные понятия темы:
Самоорганизация - процесс самопроизвольного формирования структуры более сложной, чем первоначальная.
Хаос - состояние, в котором случайность и беспорядочность становятся организующим принципом.
Порядок - организованность системы.
Равновесная термодинамика изучает замкнутые системы, в которых процессы происходят в сторону возрастания энтропии, т.е. образованию беспорядка.
Неравновесная термодинамика изучает открытые сложно организованные системы, в которых происходит самоорганизация.
Аттрактор - конечное состояние или финал эволюции диссипативной системы.
Диссипативные системы - системы, полная энергия которых при движении убывает, переходя в другие виды движения, например, в теплоту.
Точка термодинамического равновесия - состояние с максимальной энтропией.
Флуктуации - случайные отклонения системы от некоторого среднего положения.
Открытая система - система, которая обменивается со своим окружением веществом, энергией или информацией.
Тема 9. Микромир. Квантовая физика

1. Открытие микромира. Принципы квантовой физики

Фундаментальные открытия в области физики конца XIX - начала ХХ вв. обнаружили, что физическая реальность едина и обладает как волновыми свойствами, так и корпускулярными. Исследуя тепловое излучение, М. Планк пришел к выводу, что в процессах излучения энергия отдается не в любых количествах и непрерывно, а лишь определенными порциями - квантами.
Квант - мельчайшая постоянная порция излучения.
Эйнштейн распространил гипотезу Планка о тепловом излучении на излучение вообще и обосновал новое учение о свете - фотонную теорию. Структура света является корпускулярной. Световая энергия концентрируется в определенных местах, и поэтому свет имеет прерывистую структуру - поток световых квантов, т.е. фотонов. Фотон - особая частица (корпускула). Фотон - квант энергии видимого и невидимого света, рентгеновского и гамма-излучений, обладающий одновременно свойствами частицы и волны, не имеющий массы покоя, имеющий скорость света, при определенных условиях порождает пару позитрон+электрон. Эта теория Эйнштейна объясняла явление фотоэлектрического эффекта - выбивание из вещества электронов под действием электромагнитных волн. Наличие фотоэффекта определяется частотой волны, а не ее интенсивностью. За создание фотонной теории А. Эйнштейн получил в 1922 году Нобелевскую премию. Эта теория была экспериментально подтверждена через 10 лет американским физиком Р.Э. Милликеном.
Парадокс: свет ведет себя и как волна, и как поток частиц. Волновые свойства проявляются при дифракции и интерференции, корпускулярные - при фотоэффекте.
Новая теория света привела Н. Бора к разработке теории атома. В ее основе 2 постулата:
1. В каждом атоме имеется несколько стационарных орбит электронов, движение по которым позволяет электрону существовать без излучения.
2. Когда электрон переходит из одного стационарного состояния в другое, атом излучает или поглощает порцию энергии.
Такая модель атома хорошо объясняла атом водорода, однако многоэлектронные атомы она не объясняла, т.к. теоретические результаты расходились с данными экспериментов. Эти расхождения впоследствии были объяснены волновыми свойствами электронов. Это означало, что электрон, будучи частицей, не твердый шарик и не точка, он имеет внутреннюю структуру, которая изменяется в зависимости от его состояния. Модель атома, изображающая его структуру в виде орбит, по которым движутся точечные электроны, на самом деле создана для наглядности, ее нельзя понимать буквально. (Это - аналогия отношений, а не предметов.) В действительности не существует таких орбит, электроны распределены в атоме не равномерно, а таким образом, что усредненная плотность заряда в каких- то точках больше, а в каких-то меньше. Орбитой электрона формально называется кривая, которая связывает точки максимальной плотности. Невозможно наглядно представить процессы, происходящие в атоме, в виде механических моделей. Классическая физика не может объяснить даже простейшие опыты по определению структуры атома.
В 1924 г. французский физик Луи де Бройль в своей работе «Свет и материя» высказал идею о волновых свойствах всей материи. Австрийский физик Э. Шрёдингер и английский физик П. Дирак дали ее математическое описание. Эта идея позволила построить теорию, охватывающую корпускулярные и волновые свойства материи в их единстве. Кванты света при этом становятся особым строением микромира.
Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм привел к созданию квантовой механики. В ее основе лежат два принципа: принцип соотношения неопределенностей, сформулированный В. Гейзенбергом в 1927 г.; принцип дополнительности Н. Бора. Принцип Гейзенберга гласит: в квантовой механике нет таких состояний, в которых местоположение и количество движения имели бы вполне определенное значение, нельзя одновременно знать оба параметра - координату и скорость, то есть невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы.
Н. Бор сформулировал принцип дополнительности следующим образом: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». Противоре-чия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов - это результат неконтролируемого взаимодействия микрочастиц с приборами: в одних приборах квантовые объекты ведут себя как волны, в других - как частицы. Из-за соотноше-ния неопределенностей корпускулярная и волновая модели описания кванто-вого объекта не противоречат друг другу, т.к. никогда не предстают одновре-менно. Таким образом, в зависимости от эксперимента объект показывает либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Дополняя друг друга, обе модели микромира позволяют получить его общую картину.
2. Классификация элементарных частиц

Проникновение в микромир связано с открытием элементарных частиц: в конце Х1Х в. был открыт электрон, в начале ХХ в. - фотон, протон, позитрон и нейтрон. После второй мировой войны стали использовать ускорители, создаю-щие условия высоких энергий и огромных скоростей, и установили существова-ние более трехсот элементарных частиц. Исторически сложившийся термин «элемен-тарные» продолжает использоваться, хотя его условность давно осознали.
Характеристики элементарных частиц: масса, заряд, время жизни, спин и квантовые числа. Масса покоя элементарных частиц определяется по отношению к массе покоя электрона. Не имеет массы покоя только фотон. По массе покоя частицы делятся на лептоны (легкие частицы: электрон и нейтрино); мезоны (средние частицы: масса от одной до тысячи масс электрона); барионы (тяжелые частицы: масса свыше тысячи масс электрона, в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы). Частицы имеют положительный, отрицательный или нулевой заряд. Каждой частице соответствуют античастицы с противоположным зарядом (кроме фотона и двух мезонов). В 60-гг. ХХ в. появилась гипотеза о существовании частиц с дробным электрическим зарядом - кварков. По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. К стабильным относятся фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон, они играют важнейшую роль в структуре макромира. Все остальные частицы относятся к нестабильным, они существуют около 10-10- 10-24 сек., а потом распадаются. Резонансами называются частицы со временем жизни 10-23 - 10-22 сек. Эти частицы распадаются еще до того, как покинут атом или ядро. Спин (от англ. - волчок, вращение) - собственный момент количества движения частиц. Свобода и поведение частиц существенно зависит от того, целое или полуцелое значение имеет спин.
Исходя из значения спина, элементарные частицы делятся на две группы: с полуцелым спином - фермионы (электрон, протон, нейтрон; поля фермионов остаются квантованными и обеспечивают переход в частицы); с целочисленным спином - бозоны (фотон, спин =1; поля бозонов переходят в классические поля, например, электромагнитное поле - свет, радиоволны). Фермионы образуют атом вещества, бозоны образуют излучение.
Фермионы делятся на класс лептонов и класс кварков. Лептоны включают 6 частиц и 6 античастиц (электрон, мюон, тау-лептон, 3 вида нейтрино). Лептоны играют важную роль в структуре мира. Кварки - электрически заряженные частицы, обладают «ароматом» и «цветом». Это - квантовые числа, выражающие определенные состояния частицы. Поскольку электрические заряды кварков имеют дробные значения, их экспериментальные поиски оказались безуспешными. Возникло предположение, что существование в природе дробного заряда возможно при условии, что кварки образуют связанные объединения, в которых суммарный электрический заряд равен либо 0, либо 1.
Кварки группируются по 2, 3 частицы, образуя адроны. Адроны делятся на 3 группы: барионы (комбинации из 3-х кварков), сюда относятся протон и нейтрон - фундаментальная основа атомных ядер; мезоны (сочетание кварка и антикварка), третья группа содержит частицы, образованные сочетанием трех антикварков, сюда относятся антипротон и антинейтрон, т.е. то, что составляет основу антивещества. Адроны - лишь небольшая часть всех образующихся из кварков частиц. Большую часть их составляют резонансы (нестабильные частицы).
3. Фундаментальные физические взаимодействия
К настоящему времени известны четыре основных вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Сильное взаимодействие осуществляется на уровне атомных ядер на расстоянии порядка 10-13 см, обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Поэтому атомные ядра очень устойчивы, разрушить их трудно. (Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене виртуальными частицами, т.е. частицами, которые существуют в промежуточных, имеющих малую длительность состояниях, для которых не выполняется обычное соотношение между временем, импульсом и массой). Ядерная сила действует только между адронами (например, протон и нейтрон, составляющие ядро атома) и внутри адронов - между кварками, она не зависит от электрических зарядов взаимодействующих частиц.
Слабое взаимодействие - короткодействующее, происходит между различными частицами на расстоянии 10-15 - 10-22 см. Оно связано с распадом частиц в атомном ядре, например, нейтрон в среднем за 15 мин. распадается на протон, электрон и антинейтрино. Большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию. Слабая сила действует между лептонами, лептонами и адронами или только между адронами, ее действие тоже не зависит от электрического заряда.
Электромагнитное взаимодействие почти в 1000 раз слабее сильного, зато более дальнодействующее. Оно свойственно электрически заряженным частицам, а его носителем является не имеющий заряда фотон - квант электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атома, отвечает за большинство физических и химических явлений и процессов, им определяется агрегатное состояние вещества и др.
Гравитационное взаимодействие является самым слабым, имеет решающее значение в космических масштабах и неограниченный радиус действия. Гравитационное взаимодействие универсально, оно заключается во взаимном притяжении и определяется законом всемирного тяготения.
Взаимодействие элементарных частиц происходит при помощи соответствующих физических полей, квантами которых они являются. Низшее энергетическое состояние поля, где отсутствуют кванты поля, называется вакуумом. При отсутствии возбуждения поле в вакууме не содержит частиц и не проявляет механических свойств, но при возбуждении в нем появляются соответствующие кванты, при помощи которых происходит взаимодействие. Существует гипотеза о наличии квантов гравитационного поля - гравитонов, но экспериментально она пока не подтверждена.
Квантовое поле является совокупностью квантов и носит дискретный характер, т.к. все взаимодействия элементарных частиц происходят квантованным образом. В чем тогда проявляется его континууальность (непрерывность)? В том, что состояние поля задается волновой функцией. С наблюдаемыми явлениями она связана не однозначно, а через понятие вероятности. При проведении целого комплекса опытов в итоге получается картина, которая напоминает результат волнового процесса. Микромир парадоксален: элементарная частица может быть составной частью любой другой элементарной частицы. Например, после столкновения двух протонов возникает много других элементарных частиц, в том числе протонов, мезонов, гиперонов. Феномен «множественного рождения» объяснил Гейзенберг: при соударении большая кинетическая энергия превращается в вещество, и мы наблюдаем множественное рождение частиц.
Пока еще не существует удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц. Многие физики думают, что создать ее можно при учете космологических причин. Исследование рождения элементарных частиц из вакуума в электромагнитных и гравитационных полях имеет большое значение, так как здесь проявляется связь микро - и мегамиров. Фундаментальные взаимодействия в мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения.
Основные понятия темы:
Квант - мельчайшая постоянная порция излучения.
Фотон - квант электромагнитного поля.
Фотоэффект - выбивание из вещества электронов под действием электромагнитных волн, определяется частотой волны.
Принцип соотношения неопределенностей (Гейзенберг): в квантовой механике нет таких состояний, в которых местоположение и количество движения имели бы вполне определенное значение.
Принцип дополнительности (Бор): понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего.
Спин - собственный момент количества движения частицы.
Сильное взаимодействие осуществляется на уровне атомных ядер, обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы.
Слабое взаимодействие - короткодействующее, связано с распадом частиц в атомном ядре.
Электромагнитное взаимодействие свойственно электрически заряженным частицам, а его носителем является не имеющий заряда фотон.
Гравитационное взаимодействие универсально и определяется законом всемирного тяготения.
Физический вакуум - низшее энергетическое состояние поля, где отсутствуют кванты.
Тема 9. Мегамир. Современные астрофизические и космологические концепции

1. Основные космологические модели Вселенной

Современная физика рассматривает мегамир как систему, включающую все небесные тела, диффузную (диффузия - рассеяние) материю, существующую в виде разобщенных атомов и молекул, а также в виде более плотных образований - гигантских облаков пыли и газа, и материю в виде излучения.
Космология - наука о Вселенной как едином целом. В Новое время она отделяется от философии и превращается в самостоятельную науку. Ньютоновская космология основывалась на следующих постулатах:
· Вселенная существовала всегда, это «мир в целом» (универсум).
· Вселенная стационарна (неизменна), изменяются только космические системы, но не мир в целом.
· Пространство и время абсолютны. Метрически пространство и время бесконечны.
· Пространство и время изотропны (изотропность характеризует одинаковость физических свойств среды по всем направлениям) и однородны (однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной).
Современная космология основана на общей теории относительности и поэтому ее называют релятивистской, в отличие от прежней, классической.
В 1929 г. Эдвин Хаббл (американский астрофизик) обнаружил явление «красного смещения». Свет от далеких галактик смещается в сторону красного конца спектра, что свидетельствовало об удалении галактик от наблюдателя. Возникла идея о нестационарности Вселенной. Александр Александрович Фридман (1888 - 1925) впервые теоретически доказал, что Вселенная не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. На первый план выдвинулись проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста. Следующий этап исследования Вселенной связан с работами американского ученого Георгия Гамова (1904-1968). Стали исследоваться физические процессы, происходившие на разных стадиях расширения Вселенной. Гамов открыл «реликтовое излучение». (Реликт - остаток далекого прошлого).
Существует несколько моделей Вселенной: общим для них является представление о ее нестационарном, изотропном и однородном характере.
По способу существования - модель «расширяющейся Вселенной» и модель «пульсирующей Вселенной».
В зависимости от кривизны пространства различают - открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю, в ней представлена незамкнутая бесконечная Вселенная; замкнутую модель с положительной кривизной, в ней Вселенная конечна, но неограниченна, безгранична.
Обсуждение вопроса о конечности или бесконечности Вселенной породил несколько так называемых космологических парадоксов, согласно которым, если Вселенная бесконечна, то она конечна.
1. Экспансионный парадокс (Э.Хаббл). Принимая идею бесконечной протяженности, приходим к противоречию с теорией относительности. Удаление туманности от наблюдателя на бесконечно большое расстояние (согласно теории «красного смещения» В.М.Слайфера и «эффекта Допплера») должно превышать скорость света. Но она является предельной (по теории Эйнштейна) скоростью распространения материальных взаимодействий, ничто не может двигаться с большей скоростью.
2. Фотометрический парадокс (Ж.Ф.Шезо и В.Ольберс). Это тезис о бесконечной светимости (при отсутствии поглощения света) неба согласно закону освещенности любой площадки и по закону возрастания числа источников света по мере возрастания объема пространства. Но бесконечная светимость противоречит эмпирическим данным.
3. Гравитационный парадокс (К.Нейман, Г. Зеелигер): бесконечное число космических тел должно приводить к бесконечному тяготению, а значит к бесконечному ускорению, что не наблюдается.
4. Термодинамический парадокс (или так называемая «тепловая смерть» Вселенной). Переход тепловой энергии в другие виды затруднен по сравнению с обратным процессом. Результат: эволюция вещества приводит к термодинамическому равновесию. Парадокс говорит о конечном характере пространственно-временной структуры Вселенной.
2. Эволюция Вселенной. Теория «Большого взрыва»

С глубокой древности и до начала XX века космос считали неизменным. Звездный мир олицетворял собой абсолютный покой, вечность и беспредельную протяженность. Открытие в 1929 году взрывообразного разбегания галактик, то есть быстрого расширения видимой части Вселенной, показало, что Вселенная нестационарна. Экстраполируя этот процесс расширения в прошлое, ученые сделали вывод, что 15-20 миллиардов лет назад Вселенная была заключена в бесконечно малый объем пространства при бесконечно большой плотности («точка сингулярности»), а вся нынешняя Вселенная конечна, т.е. обладает ограниченным объемом и временем существования.
Точку отсчета времени жизни эволюционирующей Вселенной начинается с момента, когда произошел "Большой Взрыв» и внезапно нарушилось состояние сингулярности. По мнению большинства исследователей, современная теория "Большого Взрыва" в целом довольно успешно описывает эволюцию Вселенной, начиная примерно с 10-44 секунды после начала расширения. Слабым единственным звеном в этой прекрасной теории считают проблему Начала - физического описания сингулярности.
Ученые сходятся во мнении, что первоначальная Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить и воспроизвести на Земле. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и высокого давления в сингулярности, в котором была сосредоточена материя.
Время эволюции Вселенной оценивается примерно в 20 млрд. лет. Теоретические расчеты показали, что в сингулярном состоянии ее радиус был близок к радиусу электрона, т.е. она была микрообъектом ничтожно малых масштабов. Предполагается, что здесь начали сказываться характерные для элементарных частиц квантовые закономерности.
Вселенная перешла к расширению от первоначального сингулярного состояния в результате Большого взрыва, который заполнил все пространство. Возникла температура 100 000 млн. град. по Кельвину, при которой не могут существовать молекулы, атомы и даже ядра. Вещество находилось в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, и фотоны, и меньше было протонов и нейтронов. В конце третьей минуты после взрыва температура Вселенной понизилась до 1 млрд. град. по Кельвину. Стали образовываться ядра атомов - тяжелого водорода и гелия, но вещество Вселенной состояло к этому времени в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Лишь через несколько сотен тысяч лет начали образовываться атомы водорода и гелия, образуя водородно-гелиевую плазму. Астрономы обнаружили «реликтовое» радиоизлучение в 1965 г. - излучение горячей плазмы, которая сохранилась с того времени, когда еще не было звезд и галактик. Из этой смеси водорода и гелия в процессе эволюции возникло все многообразие современной Вселенной. По теории Дж. Х. Джинса главным фактором эволюции Вселенной является ее гравитационная неустойчивость: материя не может распределяться с постоянной плотностью в любом объеме. Однородная первоначально плазма распалась на огромные сгустки. Из них потом образовались скопления галактик, которые распались на протогалактики, а из них возникли протозвезды. Этот процесс продолжается и в наше время. Вокруг звезд сформировались планетные системы. Данная модель (стандартная) Вселенной не является достаточно обоснованной, остается много вопросов. Доводами в ее пользу являются лишь установленные факты расширения Вселенной и реликтовое излучение.
Известный американский астроном Карл Саган построил наглядную модель эволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 млрд. земных лет, а 1 сек. - 500 годам; тогда в земных единицах времени эволюция представится так:
Большой взрыв 1 января 0 час.0 мин.
Образование галактик 10 января
Образование Солнечной системы 9 сентября
Образование Земли 14 сентября
Возникновение жизни на Земле 25 сентября
Океанский планктон 18 декабря
Первые рыбы 19 декабря
Первые динозавры 24 декабря
Первые млекопитающие 26 декабря
Первые птицы 27 декабря
Первые приматы 29 декабря
Первые гоминиды 30 декабря
Первые люди 31 декабря примерно в 22 час. 30 мин.
Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что начальная температура внутри сингулярности была больше 10 13 по шкале Кельвина (в которой начало отсчета соответствует - 2730 С). Плотность вещества примерно 10 93 г/см3. Неизбежно должен был произойти «большой взрыв», с которым связывают начало эволюции. Предполагается, что такой взрыв произошел примерно 15-20 млрд. лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более умеренным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени расширения вселенной ученые судят о состоянии материи на разных стадиях эволюции. Через 0,01 сек. после взрыва плотность вещества упала до 1010 г/см3. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов). При этом происходили непрерывные превращения пар электрон+позитрон в фотоны и обратно - фотонов в пару электрон+позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия, так называемое дозвездное вещество, остальные химические элементы образуются из него путем ядерных реакций. В момент, когда возникают 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 (остаток от той далекой поры образования нейтральных атомов водорода и гелия).
По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших ранее и возникновения на этой основе новых структур, что вело к нарушению симметрии между веществом и антивеществом. Когда температура после взрыва упала до 6 млрд. градусов по Кельвину, первые 8 сек. существовала в основном смесь из электронов и позитронов. Пока смесь находилась в тепловом равновесии, количество частиц оставалось приблизительно одинаковым. Между частицами происходят непрерывные столкновения, в результате чего возникают фотоны, а из фотонов - электрон и позитрон. Происходит непрерывное превращение вещества в излучение и, наоборот, излучения в вещество. На этой стадии сохраняется симметрия между веществом и излучением.
Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и соответствующего понижения ее температуры. Возникают более тяжелые ядерные частицы - протоны и нейтроны. Складывается крайне незначительный перевес вещества над излучением (1 протон или нейтрон на млрд. фотонов). Из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникает то огромное богатство и разнообразие материального мира, начиная от атомов и молекул до разнообразных горных образований, планет, звезд и галактик.
Итак, 15-20 миллиардов лет - примерный возраст Вселенной. Что же было до рождения Вселенной? Первая космогоническая схема современной космологии утверждает, что вся масса Вселенной была сжата в некую точку (сингулярность). Неизвестно, в силу, каких причин это исходное, точечное состояние было нарушено и произошло то, что называется сегодня словами «Большой Взрыв».
Вторая космологическая схема рождения Вселенной описывает этот процесс возникновения из «ничто», вакуума. В свете новых космогонических представлений само понимание вакуума было пересмотрено наукой. Вакуум есть особое состояние материи. На исходных стадиях Вселенной интенсивное гравитационное поле может порождать частицы из вакуума.
Интересную аналогию этим современным представлениям находим мы у древних. О переходе вещества в иное состояние, даже об «исчезновении материи» в момент гибели Вселенной упоминал философ и богослов Ориген (II-III в.н.э.). Когда Вселенная возникает опять, «материя, - писал он, - вновь получает бытие, образуя тела ...».
Согласно сценарию исследователей, вся наблюдаемая сейчас Вселенная размером в 10 миллиардов световых лет возникла в результате расширения, которое продолжалось всего 10-30 сек. Разлетаясь, расширяясь во все стороны, материя отодвигала «небытие», творя пространство и начав отсчет времени. Так видит становление Вселенной современная космогония.
Концептуальная модель «расширяющейся Вселенной» была предложена А.А. Фридманом в 1922-24 годах. Десятилетия спустя она получила практическое подтверждение в работах американского астронома Э.Хаббла, изучавшего движение галактик. Хаббл обнаружил, что галактики стремительно разбегаются, следуя некоему импульсу. Если разбегание это не прекратится, будет продолжаться неограниченно, то расстояние между космическими объектами будет возрастать, стремясь к бесконечности. По расчетам Фридмана, именно так должна была бы проходить дальнейшая эволюция Вселенной. Однако при одном условии - если средняя плотность массы Вселенной окажется меньше некоторой критической величины, эта величина составляет примерно три атома на кубический метр. Какое-то время назад данные, полученные американскими астрономами со спутника, исследовавшего рентгеновское излучение далеких галактик, позволили рассчитать среднюю плотность массы Вселенной. Она оказалась очень близка к той критической массе, при которой расширение Вселенной не может быть бесконечно.
Обратиться к изучению Вселенной посредством исследования рентгеновских излучений пришлось потому, что значительная часть ее вещества не воспринимается оптически. Около половины массы нашей Галактики мы «не видим». О существовании же этого не воспринимаемого нами вещества свидетельствуют, в частности, гравитационные силы, которые определяют движение нашей и других галактик, движение звездных систем. Вещество это может существовать в виде «черных дыр», масса которых составляет сотни миллионов масс нашего Солнца, в виде нейтрино или других каких-то неизвестных нам форм. Не воспринимаемые, как и «черные дыры», короны галактик могут быть, как полагают некоторые исследователи, в 5-10 раз больше массы самих галактик.
Предположение, что масса Вселенной значительно больше, чем принято считать, нашло новое весьма веское подтверждение в работах физиков. Ими были получены первые данные о том, что один из трех видов нейтрино обладает массой покоя. Если остальные нейтрино имеют те же характеристики, то масса нейтрино во Вселенной в 100 раз больше, чем масса обычного вещества, находящегося в звездах и галактиках.
Это открытие позволяет с большей уверенностью говорить, что расширение Вселенной будет продолжаться лишь до некоторого момента, после которого процесс обратится вспять - галактики начнут сближаться, стягиваясь снова в некую точку. Вслед за материей будет сжиматься в точку пространство. Произойдет то, что астрономы называют сегодня словами «Схлопывание Вселенной».
Заметят ли люди или обитатели других миров, если они существуют в космосе, сжатие Вселенной, начало ее возврата в первозданный хаос? Нет. Они не смогут заметить поворота времени, который должен будет произойти, когда Вселенная начнет сжиматься.
Ученые, говоря о повороте течения времени в масштабах Вселенной, проводят аналогию со временем на сжимающейся, «коллапсирующей» звезде. Условные часы, находящиеся на поверхности такой звезды, сначала должны будут замедлить свой ход, затем, когда сжатие достигнет критической точки, они остановятся. Когда же звезда «провалится» из нашего пространства-времени, условные стрелки на условных часах двинутся в противоположную сторону - время пойдет обратно. Но всего этого сам гипотетический наблюдатель, находящийся на такой звезде, не заметит. Замедление, остановку и изменение направления времени можно было бы наблюдать со стороны, находясь вне «схлопывающейся» системы. Если наша Вселенная единственная и нет ничего вне ее - ни материи, ни времени, ни пространства, - то не может быть и некоего взгляда со стороны, который мог бы заметить, когда время изменит ход и потечет вспять.
Некоторые ученые считают, что событие это в нашей Вселенной уже произошло, галактики падают друг на друга, и Вселенная вступила в эпоху своей гибели. Существуют математические расчеты и соображения, подтверждающие эту мысль. Что произойдет после того, как Вселенная вернется в некую исходную точку? После этого начнется новый цикл, произойдет очередной «Большой Взрыв», праматерия ринется во все стороны, раздвигая и творя пространство, снова возникнут галактики, звездные скопления, жизнь. Такова, в частности, космологическая модель американского астронома Дж. Уиллера, модель попеременно расширяющейся и «схлопывающейся» Вселенной.
Известный математик и логик Курт Гёдель математически обосновал положение, что при определенных условиях наша Вселенная действительно должна возвращаться к своей исходной точке с тем, чтобы потом опять совершить тот же цикл, завершая его новым возвращением к исходному своему состоянию. Этим расчетам соответствует и модель английского астронома П.Дэвиса, модель «пульсирующей Вселенной». Но что важно - Вселенная Дэвиса включает в себя замкнутые линии времени, иначе говоря, время в ней движется по кругу. Число возникновений и гибели, которые переживает Вселенная, бесконечно.
А как современная космогония представляет себе гибель Вселенной? Известный американский физик С. Вайнберг описывает это так. После начала сжатия в течение тысяч и миллионов лет не произойдет ничего, что могло бы вызвать тревогу наших отдаленных потомков. Однако когда Вселенная сожмется до 1/100 теперешнего размера, ночное небо будет источать на Землю столько же тепла, сколько сегодня дневное. Через 70 миллионов лет Вселенная сократится еще в десять раз и тогда «наши наследники и преемники (если они будут) увидят небо невыносимо ярким». Еще через 700 лет космическая температура достигнет десяти миллионов градусов, звезды и планеты начнут превращаться в «космический суп» из излучения, электронов и ядер.
После сжатия в точку, после того, что мы именуем «гибелью Вселенной», но что, может быть, вовсе, и не есть ее гибель, начинается новый цикл. Косвенным подтверждением этой догадки является уже упомянутое реликтовое излучение, эхо «Большого Взрыва», породившего нашу Вселенную. По мнению ученых, излучение это, оказывается, приходит не только из прошлого, но и «из будущего». Это отблеск «мирового пожара», исходящего от следующего цикла, в котором рождается новая Вселенная. Не только реликтовое излучение пронизывает наш мир, приходя как бы с двух сторон - из прошлого и грядущего. Материя, составляющая мир, Вселенную и нас, возможно, несет в себе некую информацию. Исследователи с долей условности, но говорят уже о своего рода «памяти» молекул, атомов, элементарных частиц. Атомы углерода, побывавшего в живых существах, «биогенные».
Коль скоро в момент схождения Вселенной в точку материя не исчезает, то не исчезает, неуничтожима и информация, которую она несет. Наш мир заполнен ею, как он заполнен, материей, составляющей его.
Вселенная, что придет на смену нашей, будет ли она её повторением?
Вполне возможно, отвечают некоторые космологи.
Вовсе не обязательно, возражают другие. Нет никаких физических обоснований, считает, например, доктор Р. Дик из Принстонского университета, чтобы всякий раз в момент образования Вселенной физические закономерности были те же, что и в момент начала нашего цикла. Если же эти закономерности будут отличаться даже самым незначительным образом, то звезды не смогут впоследствии создать тяжелые элементы, включая углерод, из которого построена жизнь. Цикл за циклом Вселенная может возникать и уничтожаться, не зародив ни искорки жизни. Такова одна из точек зрения. Ее можно было бы назвать точкой зрения «прерывистости бытия». Оно прерывисто, даже если в новой Вселенной и возникает жизнь: никакие нити не связывают ее с прошлым циклом. По другой точке зрения, наоборот, «Вселенная помнит всю свою предысторию, сколь бы далеко (даже бесконечно далеко) в прошлое она ни уходила».
3. Антропный принцип

Современная наука выдвинула антропный космологический принцип , который заключается в том, что жизнь во Вселенной возможна лишь при тех значениях универсальных физических констант, которые имеют место в действительности. Этот принцип расшифровывается как «тонкая подстройка» Вселенной: если бы значения физических констант отклонялись бы от существующих, возникновение жизни было бы невозможно в принципе. Значит, возможность жизни заложена в начальных физических условиях существования Вселенной. В некоторых случаях «чувствительность» Вселенной к изменению констант просто поразительна. Так, например, достаточно изменить так называемую константу сильного взаимодействия всего на несколько процентов, чтобы Вселенная состояла только из гелия, а более тяжелых элементов в ней попросту не было бы.
Таким образом, факты говорят о том, что Вселенная устроена удивительно удобно для человека. При несколько ином наборе констант человек как наблюдатель не мог бы и возн и т.д.................


Перейти к полному тексту работы



Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.