Игнатова В. Концепции современного естествознания: Учебное пособие

ОГЛАВЛЕНИЕ

2. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА

2.1 СТРУКТУРА ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА

Цели и задачи раздела:

•  Представить естественнонаучную картину мира как совокупность взаимосвязанных частнонаучных картин - физики, химии, биологии и др.
•  Познакомить с некоторыми основополагающими принципами естествознания.
•  Отработать понятия: материя, пространство, время, отражение, вещество, поле, заряд, энергия, энтропия и др.

План
1. Составляющие естественнонаучной картины мира

• Фундаментальные понятия естествознания
• Материя и формы ее существования: вещество и поле
• Атрибуты материи: отражение и движение
• Пространство и время
• Основополагающие принципы естествознания
• Основополагающие принципы естествознания
• Фундаментальные законы природы
•  

2.1.1 СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА

•  
• Естественнонаучная картина мира (ЕНКМ) является всего лишь частью научной картины мира. Она позволяет более или менее непротиворечиво описать свойства материального мира. В процессе дифференциации и систематизации естественных наук были выработаны общие идеи и принципы, отражающие закономерности развития той стороны природы, которую изучает отдельная естественнонаучная дисциплина.
•  
•  
  

•                              Естественнонаучная картина мира
•      
•  
•  

•        космолог        физич      химич       биол       геол     экол  
•  
•                           Рис.3 Естественнонаучная картина мира
•  
• Сформировалась определенная система понятий, специфический язык, методы исследования, были построены научные теории, на базе которых созданы частнонаучные картины мира - физическая, химическая, биологическая, космологическая, геологическая, экологическая и др. (рис.3)
• ЕНКМ - это определенная система научных знаний и представлений о мире, познавательных моделей и методов, которые сформировались на том или ином этапе культурно-исторического развития общества.
• Сравнительно продолжительное время ЕНКМ остается неизменной, но открытие новых фактов и закономерностей, появление новых методов исследования, расширение понятийного аппарата, углубление и расширение сферы познания существенно изменяет ее. Как показывает социально-культурная практика, каждый новый этап развития ЕНКМ начинается со смены физических представлений. Именно они создают предпосылки для появления нового в других областях познания, позволяют дать более глубокое и полное описание накопленных ими эмпирических фактов. Те глубокие диалектические связи, которые вскрывает и обосновывает физика в дальнейшем получают отражение в других науках и философии. Например, только благодаря достижениям физики стало возможным теоретически обосновать периодический закон химических элементов, открыть строение молекулы ДНК, поставить на более высокий уровень исследования в геологии и метеорологии, развивать космонавтику и.т.д. Вместе с тем, даже в рамках отдельной науки одновременно сосуществует множество научных концепций, теорий и картин.
• Как правило, смена ЕНКМ происходит на фоне глубоких социальных преобразований общества. С одной стороны потребности общества мотивируют развитие естественных наук, а с другой - развивающееся естествознание создает условия для перехода общества на более высокий уровень развития социальной жизни, который в свою очередь обеспечивает развитие экспериментальной базы науки и подготавливает ее к переходу на новую ступень. В единой и непрерывной цепи эволюции общества их взаимное влияние выступает как благоприятный фактор, роль которого в эволюции научного познания трудно переоценить.
• Исторически самым первым началось построение физической картины мира. И это было закономерно. Физика как основа научно-технического прогресса была востребована обществом значительно раньше других естественных наук. С XYII по ХХ век она занимала лидирующую позицию и последовательно прошла через этапы становления механической, тепловой, электромагнитной и квантово-релятивистской картин мира. Другие естественные науки только в XX веке смогли поставить перед собой задачу построения научной картины. Поэтому в методологии науки наиболее детально изучены закономерности процесса смены физических картин мира (ФКМ). Хотя место лидера в естествознании физика сегодня передает синтетической химии и молекулярной биологии.
• Смена научных картин влечет за собой и изменение представлений о научной рациональности. Выделение естественных наук в самостоятельную область, бурное их развитие накануне промышленной революции XYIII века и становление техносферы способствовали формированию классического рационализма. Классический рационализм - это относительно устойчивая совокупность правил, норм, стандартов, алгоритмов и эталонов материальной и духовной деятельности, базирующихся на жестких логических и причинно-следственных связях и отношениях. Категория истины в этом подходе единственна и однозначна, ее относительность обусловлена лишь динамикой развития самой науки, сменой аксиоматического аппарата, теоретических моделей и картин мира. Исследователь в этой системе является как бы наблюдателем со стороны, от него ничто не зависит. Он выделяет исследуемый объект, отсекая, на его взгляд, «несущественные» связи объекта с окружающим миром и самим исследователем, строит такое его «усеченное» подобие в своем воображении и изучает его внутреннюю структуру. Эти представления были заложены в фундамент классического детерминизма в виде учения о жесткой причинной обусловленности всех явлений, в основе которой лежат линейность и однозначность. Классический тип научной рациональности, сформированный в условиях механической картины мира, базируется на идеях механики И.Ньютона.
• В наиболее ярком виде научный рационализм и классический детерминизм проявились в осмыслении законов механики и стали основой механицизма, который в XYIII веке проник во все сферы жизни общества, стал мировоззрением эпохи и почти триста лет господствовал в умах человечества. Классический рационализм, как образец мышления, и все его проявления, несмотря на успехи естественных и технических наук, с самого начала подвергались жесткой критике и в теории познания, и в философии. В процессе развития науки представления о научной рациональности видоизменялись, появлялись новые течения, пытавшиеся выявить новые качества рационализма, обосновать его важнейшие признаки, увязать их с природой мышления человека.
• В конце XIX века классическая физика оказалась в состоянии кризиса, суть которого заключалась в том, что классическая наука не смогла обосновать и построить непротиворечивую теорию таких явлений, как излучение нагретых тел, фотоэффект, радиоактивный распад и другие. Его исходом стало рождение квантово-релятивистской картины мира, разработанной в трудах А.Эйнштейна, М.Планка, Н.Бора и др. в начале ХХ в. Она стала основой теории строения вещества и ядерной энергетики, космологии и космонавтики, стимулировала развитие молекулярной биологии и генетики. Именно ее концепции стали основой неклассического типа научной рациональности. В нем познающий субъект и познаваемый объект представляются как единая система, при этом результаты исследования зависят и от исследователя, и от характера используемых средств, и совершаемых операций. Происходят принципиальные изменения взглядов на причинно-следственные отношения. Благодаря исследованиям в квантовой механике обосновывается их вероятностный характер. Этот тип рациональности лежит в основе неклассической науки. К ним относятся такие разделы физики как теория относительности и квантовая механика.
• Однако неклассическая физика, несмотря на колоссальные открытия, на пороге XXI века оказалась в состоянии кризиса, связанного с пределом делимости материи и поиском первокирпичиков Мироздания (атомы, элементарные частицы, кварки) и пределами познаваемости мира. Сегодня в науке вызревает новый подход, связанный с переходом от изучения строения объектов к изучению их взаимосвязей и взаимодействий, ибо различные формы собираются не только из частей, но и из их отношений. Истоки его лежат в идеях синергетики.
• Становление новых познавательных моделей в ХХ веке, главным образом квантово-релятивистской и синергетической, привело к переосмыслению идей и постулатов классического рационализма, и прежде всего, пониманию неоднозначности, многовариантности, нелинейности и стохастичности развития мира и всех его подсистем.
• Современная синергетическая картина мира основывается на идеях универсального эволюционизма и рисует мир как иерархию взаимосвязанных развивающихся систем. В рамках этой картины, возможно, описать механизмы развития природных, социальных, культурных, научных, абстрактных и других систем, исходя из единых позиций. Ее идеи составляют базис постнеклассической науки.
• Новые понятия и термины: классический, неклассический, постнеклассический.
• Ведущие идеи:
• - естественнонаучная картина мира как система научных знаний и представлений о мире, познавательных моделей и методов, которые сформировались на том или ином этапе культурно-исторического развития общества;
• - физическая картина мира как базис ЕНКМ;
• - эволюция ФКМ и ее влияние на другие области естествознания.
•  

2.1.2 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

•  
• В процессе развития естествознания и взаимодействия его с философией и иными областями познания сложился ряд понятий, которые считаются фундаментальными: материя, отражение, взаимодействие, движение, пространство, время и другие.
• 1. Материя и формы ее существования: вещество и поле
• В рамках современных научных представлений материя(лат. materia), есть основа всего множества существующих в мире объектов и систем, всех их свойств, связей и форм. Через нее проявляется родство всего сущего. В философии - это одна из основополагающих категорий, которая используется для обозначения «объективной реальности, которая .... отображается нашими ощущениями, существует независимо от них» (В.Ленин)
• Материя - это объективная реальность, данная нам в ощущениях и существующая независимо от нашего сознания.
• Важнейшими свойствами материи, которые появились на определенном этапе ее эволюции и которые проявляется лишь у самой высокоорганизованной ее части - человека являются разум и сознание. На протяжении всего культурно-исторического развития не утихают споры о том, что первично: материя или сознание. Наука считает первичной материю, как первопричину всего сущеcтвующего.
• Материя пребывает в виде прерывных(вещества) и непрерывных(полей разной природы) объектов. Из вещества сложены все тела природы. Оно представляет совокупность дискретных (лат. discretus - разделенный, прерывистый) образований, сосредоточенных в определенной области пространства. Их элементарными структурными единицами являются атомы и молекулы, которые представляют системы взаимодействующих электронов, протонов, нейтронов и других элементарных частиц.
• Современной наукой достаточно хорошо изучены три агрегатных состояния (фазы) вещества - твердое, жидкое и газообразное. При определенных условиях (температура, давление, напряженность электрического поля) одно состояние может переходить в другое. В результате фазового перехода изменяются механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические и другие свойства вещества. Это связано с изменением характера взаимодействия и движения атомов, молекул и других частиц, из которых состоит вещество. Особое состояние вещества представляет плазма - ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны. В плазменном состоянии находится бо¢льшая часть вещества Вселенной (звезды, туманности, межзвездная среда).
• Сами тела или их части являются источником фундаментальных полей - непрерывных и безграничных объектов, которые пронизывают все пространство Вселенной и способны воздействовать на другие, идентичные им объекты (или передавать взаимодействие тел на расстоянии). Слово «поле» широко используется в разных отраслях знаний и понимается как совокупность точек реального или воображаемого пространства, объединенных в целое на основе какого-либо их общего свойства. Например, поле рациональных чисел в математике, семантические поля в языке, поля температур, деформаций, скоростей - в физике. К фундаментальным физическим полям, проявляющимся в той или иной степени во всех явлениях и процессах природы, относят гравитационное, электромагнитное, сильное (ядерное) и слабое (распадное).
• Наличие поля связывают со свойством материи, которое называют заряд. Каждый носитель материи в общем случае является обладателем (источником) нескольких типов зарядов. В качестве таковых выступают хорошо известные из школьного курса физики масса и электрический заряд. Масса является эквивалентом(лат. aequivalens - равноценный) гравитационного заряда. С одной стороны она проявляется в способности тел создавать вокруг себя гравитационное полеи через него воздействовать на другие тела, притягивать их к себе, а с другой - проявляется в инерции - стремлении тел сохранять свое состояние. Электрический заряд создает вокруг себя электромагнитное поле и через него взаимодействует с другими электрическими зарядами, притягивая или отталкивая их в зависимости от знака последних. Каждый из видов заряда является источником соответствующего поля. Но при этом взаимодействуют между собой только однотипные заряды. Поля имеют волновую природу. Их носителями являются элементарные кванты энергии и соответствующие им элементарные частицы. Само взаимодействие материальных объектов представляет собой процесс обмена элементарными квантами.
• Гравитационное поле является определяющим во всех явлениях мегамира. Его носителем является гравитон (который ввиду его малости и несовершенства измерительной аппаратуры пока не удалось обнаружить). Благодаря гравитации Вселенная, галактики, планетарные системы существуют как единое целое, планеты Солнечной системы удерживаются на своих орбитах, воздушная оболочка Земли сосредотачивается вблизи ее поверхности. Гравитационное сжатие звезд обеспечивает повышение температуры их поверхности до нескольких тысяч градусов и выше. При таких температурах активно протекают термоядерные реакции, благодаря которым в околозвездное пространство поступают огромные потоки энергии.
• Электромагнитное поле является определяющим в молекулярных и атомных системах, обеспечивая их целостность, химические и физические свойства. Это поле является основным переносчиком энергии и информации в мега- и макромире. Его носителем является фотон. Сильное поле удерживает нуклоны в ядрах атомов и обеспечивает целостность этих систем, а также протекание сильных внутриядерных процессов, которые могут сопровождаться выделением огромных энергий. Слабые поля проявляются на микроуровне при протекании таких слабых процессов, как b- распад. Их носителями являются глюоны, которые в свободном виде пока не удалось обнаружить, однако есть косвенные доказательства их существования на промежуточных стадиях превращения тяжелых элементарных частиц.
• Деление материи на вещество и поле чрезвычайно важно. Это помогает при изучении одной из форм абстрагироваться от другой и более детально изучить их свойства по отдельности. Но это деление весьма условно, особенно, если это касается мира элементарных частиц, где наиболее ярко проявляется их взаимопревращаемость, а разделение вещества и поля вообще теряет смысл. Кроме того, во всем пространстве существования материи на долю поля приходится гораздо больший объем, чем на собственно вещество. Сегодня ученые выдвигают гипотезу о существовании физического (или динамического) вакуума - как некой праматерии, в которой вещество и поле составляют единство, из которого рождаются как частицы, так и поля.
•  
• 2. Атрибуты материи: отражение и движение
• Важнейшим свойством материи является отражение. Это ее атрибут(лат. atributio - придаю, наделяю) неотъемлемое и всеобщее свойство.
• Отражение проявляется в способности материальных явлений, предметов и систем взаимодействовать друг с другом, каким-то образом проявлять себя по отношению к другим, вступать с ними в определенные отношения, воспроизводить в себе особенности объектов, с которыми осуществляется взаимодействие и сохранять их «следы».
• Объекты разной структурной организации по-разному отражают явления окружающего мира. Неживым объектам присуще простое отражение. Например, при столкновении пластилиновых шариков происходит их деформация, исследуя которую можно сделать вывод о параметрах (греч. parametron - отмеривающий) столкновения. Живые объекты обладают «опережающим» отражением, то есть способны запоминать следы былых взаимодействий и при аналогично складывающихся обстоятельствах как бы заранее готовится к ожидаемым воздействиям и адаптироваться(лат. adaptatio - приспособление)к ним. Например, деревья и животные заранее готовятся к холодному времени года. В мышлении человека опережающее отражение проявляется в способности моделировать ситуацию, прогнозировать возможные ее исходы и принимать оптимальные решения.
• В окружающем мире все взаимодействует со всем. Классическая наука акцентирует внимание на двух механизмах взаимодействия: дальнодействие, которое осуществляется мгновенно посредством некой упругой среды - эфира между удаленными телами (Ньютон); близкодействие, которое передается полем от точки к точке, непрерывно, с конечной скоростью (Фарадей).
• Современной науке известно четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Для двух протонов в ядре атома интенсивности этих взаимодействий относятся соответственно как: 1: 10-2: 10-10: 10-38.
• Сила гравитационного взаимодействия определяется законом всемирного тяготения. Оно является универсальным, ему подвержены все без исключения тела природы, в том числе и микрочастицы. Но, так как последние имеют ничтожно малые массы, гравитационные взаимодействия в микромире существенной роли не играют. Несмотря на то, что это взаимодействие изучается давно, до сих пор нет однозначного ответа на вопрос, какова природа гравитации? Каков «передаточный» механизм тяготения.
• Электромагнитное взаимодействие описывают закон Кулона, закон взаимодействия токов, закон электромагнитной индукции. В электромагнитных взаимодействиях участвуют все объекты, имеющие электрический заряд. Переносчиком этих взаимодействий являются фотоны - кванты электромагнитного поля. Это взаимодействие в ~ 1036 раз мощнее гравитационных и в явлениях микромира уже играет существенную роль. Радиус действия как гравитационных так и электромагнитных взаимодействий бесконечно большой, силы взаимодействия обратнопропорциональны квадратам расстояний между взаимодействующими объектами.
• Сильное или ядерное взаимодействие обуславливает связь нуклонов в ядре. Это взаимодействие короткоживущее, проявляется на расстояниях 10-15 м. Энергия его в 137 раз больше энергии кулоновского взаимодействия.
• В слабом или распадном взаимодействии участвуют все элементарные частицы кроме фотонов. Радиус действия слабых взаимодействий - 10-18м.
• Взаимодействие - это процесс взаимного влияния объектов или систем друг на друга путем передачи (переноса) вещества, энергии и информации, это то, что заставляет мир и отдельные его объекты изменяться, обуславливает взаимосвязь процессов и явлений, определяет существование и структурную организацию любой материальной системы, выступает как объективная и универсальная причина движенияматерии. Количественной мерой взаимодействия является сила.
• Окружающий нас мир динамичен, в нем нет ничего неизменного. Всякий раз во всем мы замечаем что-то новое - неповторимо каждое мгновение нашей жизни, нельзя вернуться в прошлое и точно также повторить свой жизненный путь. Все необратимо. Любое изменение - перемещение ли тел в пространстве, изменение ли внутренней структуры систем, рост или развитие организмов и есть движение.Оно, как и отражение, - атрибут материи. Движение абсолютно (лат. absolutus- неограниченный, существующий всегда) и вечно, покой относителен.
• И в то же время в изменяющемся мире наряду с появлением нового повторяется что-то старое. В этом большом круговороте событий небесные светила периодически занимают отведенные им на небосводе места, чередуются времена года, из года в год весной все живое просыпается от зимней спячки, каждый день, по известному распорядку, восходит и заходит Солнце, на смену ночи приходит день, на смену отмершим деревьям вырастают молодые, дети заменяют своих родителей. Но это постоянство относительно, оно является лишь частью или каким-то этапом изменения.
• Но что движет миром? Должны же быть причины этих изменений. Что заставляет Землю вращаться вокруг своей оси, планеты -вокруг Солнца, протекать химические реакции, расти кристаллы или организмы? - Это энергия(греч. еnergeia- действие, деятельность). Источник ее сама материя. Она является свойством материи, отражает степень воздействия одних тел на другие и проявляется в их способности совершать работу.Переданная телу энергия, совершаемая над ним работа или приложенная к нему сила определяют такие важные показатели движения как ускорение и скорость.
• Взаимодействие и движение обуславливают изменчивость мира, его подвижность и процессуальность. (лат. processus- продвижение).
• Следует выделить еще два понятия, которые мы будем использовать в дальнейшем - энтропия и информация.
• Исследуя поведение термодинамических систем немецкий физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории Р.Клаузиус (1822-1888) для описания протекающих в них процессов ввел специальную функцию, характеризующую состояние системы, и назвал ее энтропией (S) (греч. entropia- поворот, превращение). Она является мерой беспорядка в системе. Энтропия всегда положительная величина/ Иногда используют термин негэнтропия - энтропия, взятая со знаком минус; она отражает степень упорядоченности системы.
• Информация в обыденном смысле - это совокупность сведений о чем-либо. Но как оказалось, информация - это всеобщее свойство материи, заключающееся в способности материальных объектов сохранять следы былых взаимодействий. Информация проявляется через отражение и может быть оценена количественно.
• К числу фундаментальных свойств материального мира относятся его структурность (лат. structura - строение, расположение, порядок) и системность. Структурность мира проявляется в существовании бесконечного множества иерархических взаимосвязанных систем, начиная от элементарных частиц и заканчивая Вселенной.
•  
• 3. Пространство и время
• Все процессы и события - исторические, геологические, физические, химические, биологические, социальные - протекают в пространстве и времени. Материя не существует вне пространства и вне времени.
• Без пространственных представлений невозможны ориентация и любой вид деятельности. Развитие техники, архитектуры; воплощение инженерной мысли идет через ее пространственное представление - чертеж. С понятием пространства связаны наши представления о протяженности объектов. Его мы ощущаем как непрерывную совокупность точек - континуум (лат. continuum - непрерывное). Пространство трехмерно. Трехмерная система координат и связанная с ней система отсчета была введена французским математиком, физиком и философом Р.Декартом (1596-1650), которому современная наука обязана представлением о переменной величине и функции, формулировкой закона сохранения количества движения. Свойства пространства во всех направлениях одинаковы, оно изотропно. При параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел ее физические свойства и законы движения не зависят от выбора начала координат системы отсчета, пространство однородно.
• Пространство, заряд и взаимодействие - глубоко взаимосвязанные свойства материи
• Эта взаимосвязь отражается в математических выражениях фундаментальных законов природы - всемирного тяготения, взаимодействия электрических зарядов и токов:
•  
•                   F ~ (m1 m2)/ r2 ,      F ~ (q1q2)/ r2,   F ~ I1 I2/ r2
•  
• Все их отличие лишь в том, что в одном случае в формуле стоят массы взаимодействующих тел, а в другом - электрические заряды или токи.
• То, что характеризует длительность событий называют временем. Время не изучает никакая специальная наука, оно всего лишь один из объектов изучения физики. Его невозможно увидеть, но мы его чувствуем по ритмам природы (смена времен года, дня и ночи), связанным с движением небесных тел в пространстве, по своим собственным ритмам (ритмы в работе наших органов - сердца, мозга, отдельной клетки), созвучным природным. Если пространство можно обозревать полностью и любоваться им по частям, то время мы ощущаем отдельными мгновениями. Если в пространстве мы можем перемещаться в разных направлениях, то во времени это сделать невозможно - мы не можем совершить путешествие в будущее или прошлое и вернуться обратно в настоящий момент (если только не пофантазировать, не обратиться к историческому трактату, кинофильму, литературному произведению).
• Время однородно, однонаправленно и необратимо.
• Его однонаправленность и необратимость наглядно иллюстрируется ходом культурно-исторического развития цивилизации. Еще античные мыслители пытались связать время и движение (знаменитые апории Зенона), время и изменение мира. Гераклит считал, что время изменяется по прямой. Аристотель, наблюдая периодичность процессов природы, считал, что время течет по окружности. Архимед в своих «трактатах о спирали» предполагал, что время изменяется по спирали. Однако природа времени до сих пор остается нераскрытой.
• Пространство, время, заряд и взаимодействие не существуют отдельно друг от друга. Это взаимосвязанные свойства материи.
• Вся история естествознания - это история исследования фундаментальных свойств материи на разных уровнях ее организации. В процессе своего развития наука строит и обосновывает системы знаний о строении материи, пространстве и времени. Кардинальное изменение взглядов на эти свойства лежит в основе всех известных научных революций.
•  
• Новые понятия и термины: вещество, поле, дискретный, континуум, заряд, отражение, физический вакуум, атрибут, параметр, адаптация, опережающее отражение, перцепция, метрика, изотропный, эквивалент.
•  

2.1.3 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ И ОСНОВОПОЛАГАЮЩИЕ ПРИНЦИПЫ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

•  
• 1.Фундаментальные законы природы
• Анализ закономерностей природы позволил выделить всеобщие законы, которые проявляются на всех уровнях ее организации. Круг их достаточно широк. О некоторые из них мы уже говорили. Некоторые из них Вы изучали в школе. Это закон всемирного тяготения, закон Кулона, закон электромагнитной индукции. К фундаментальным законам природы относят: закон минимума потенциальной энергии, как определяющий условие устойчивости объектов; закон эквивалентности массы и энергии, открытый А.Эйнштейном; законы сохранения (массы-энергии, энтропии-информации, электрического и барионного зарядов и др.), как отражение симметрии материального мира; закон периодичности, проявляющийся в повторении свойств, состояний или их изменений; второй закон термодинамики, регламентирующий направленность процессов и другие. О некоторых из них будем говорить в третьей части пособия.
• Для адекватного отражения законов и закономерностей окружающего мира в мышлении используют некие общие исходные положения, которые называют принципами(лат. principium - начало, основа). Представление о них складывалось и углублялось на протяжении всего периода развития «зрелой» науки. Но лишь в ХХ столетии они были сформулированы в наиболее четком и полном виде, подверглись всестороннему изучению и анализу, получили глубокое философское обоснование.
•  
• 2. Основополагающие принципы естествознания
• Вообще их круг довольно широк, но в настоящем параграфе мы ограничимся лишь рассмотрением принципов системности, эволюционизма, симметрии, периодичности и относительности. С принципом соответствия Вы уже встречались ранее, с принципами дополнительности, и неопределенности познакомитесь несколько позднее, когда будете изучать поведение микрочастиц.
•  
• Принцип системности
• По представлениям современной науки Мироздание является гигантской суперсистемой, в которую в качестве составных элементов (лат. elementum - первоначальное вещество, составная часть целого) или подсистем, следующих в определенном порядке и образующих иерархии, входят все существующие подсистемы, начиная от элементарных частиц и заканчивая Вселенной. Составляющие его элементы можно принимать в качестве самостоятельных до тех пор, пока их влияние на всю суперсистему пренебрежимо мало.
• Любой предмет или объект являются системой- упорядоченным множеством взаимосвязанных элементов, которое проявляет себя как целостность. Отдельные элементы образуют систему, если это энергетически выгодно. Например, молекула образуется из атомов только в том случае, если потенциальная энергия такого образования будет меньше суммы потенциальных энергий ее элементов, существующих по отдельности.
• Каждый элемент имеет свою структуру (строение) и выполняет в системе определенные функции (лат. functio- исполнение, осуществление, зависимость). Сам по себе он тоже является системой, только более низкого иерархического уровня. Изменение структуры системы может существенно изменить ее функции и наоборот необходимость изменить какие-то функции приводит к переструктуризации системы. Это достаточно хорошо иллюстрируется на примере биологической эволюции, когда необходимость адаптации организмов к изменяющимся условиям среды приводит к взаимосвязанным изменениям структуры и функций отдельных органов, органных систем или всего организма в целом. В этом отражается глубинная диалектическая связь структуры и функции.
• Разноуровневые системы образуют иерархии, каждый член которых, с одной стороны, является элементом системы более высокого уровня, а с другой, состоит из совокупности взаимодействующих элементов более низкого уровня. Это свойство природы позволяет исследовать сложные системы, начиная от низкого уровня их организации и последовательно переходя к более высоким.
• Прежде чем понять систему как целостность и искать общие подходы к описанию ее функционирования, нужно изучить каждый элемент по отдельности, выделить те их свойства, которые наиболее существенны для изучаемой иерархии, выявить критерии (греч. kriterion - средство для суждения; признак, на основании которого производится оценка или определение; мерило оценки) или ведущие признаки, по которым объединяются элементы, их взаимосвязи, определяющие свойства целого. Одним из важнейших свойств иерархий является подобиеее уровней. Оно проявляется в сходстве строения составляющих ее элементов или характера их взаимодействия. Это свойство широко используется при моделировании объектов, явлений и процессов. Однако подобие не означает полного сходства. Например, облака на небе, перья птиц или листья деревьев одной породы имеют схожую структуру, однако найти среди них абсолютно одинаковые невозможно. Для характеристики такого подобия математики ввели термин фрактал (англ. fractial - дробный). Если в случае геометрического фигур степень подобия - целое число, то схожесть фрактальных структур - число дробное.
• Одни и те же элементы или системы могут входить в разные иерархии и по разному себя проявлять. Поэтому в зависимости от задач исследования одни и те же элементы можно выстраивать по-разному: по размерам (масштабный критерий) в порядке усложнения их структуры (структурный критерий), по функции элементов (функциональный), либо выбрать какой-то иной признак. Масштабный критерий позволяет подразделить системы на микро-, макро- и мегасистемы, структурный - простые и сложные, функциональный - выделить неживое - живое - социальное, информационный - позволяет выделить системы с разным уровнем информационного обмена - статические, простые динамические, авторегулирующиеся, самоорганизующиеся и другие. Выбор критерия определяет порядок следования одних и тех же элементов в иерархиях и моделях систем.
• Любая деятельность, социальная система, наука, культура, технология, производство, армия или учреждение также являются иерархическими структурами.
• Иерархичность и системность окружающего мира является его фундаментальным свойством
•  
• Принцип направленности процессов
• Весь Универсум является динамической, изменяющейся во времени суперсистемой. Все изменения в ней происходят за счет внутренних причин и в рамках законов, присущих всей суперсистеме. Это аксиома, принятая наукой. О возможности существования внешних по отношению к Универсуму причин ей ничего неизвестно, ибо это лежит за пределами ее возможностей. Эта аксиома лежит в основе следующей посылки: Универсум является самоорганизующейсясистемой. Все подсистемы Универсума взаимодействуют между собой. Их изменение обусловлено не только их внутренними причинами, но и внешними воздействиями. Они являются открытыми и функционируют в некотором едином ритме.
• Окружающий нас мир изменчив, в нем все наполнено движением, он процессуален. Процессы могут протекать в двух направлениях: либо в сторону самоорганизации и усложнения систем (эволюции), либо в сторону деградации (инволюции) и разрушения. В представлениях науки это оформилось в виде принципа направленности развития природных процессов. Первоначально он был сформулирован применительно к закрытым термодинамическим газовым системам. Однако в реальности закрытых систем не существует, закрытая система есть лишь удобная модель для исследования каких-то частных особенностей того или иного явления.
• Закрытая термодинамическая система обладает одним замечательным свойством. Благодаря явлениям теплопереноса, диффузии, внутреннего трения внутри самой системы она самопроизвольно и необратимо стремится к макросостоянию с наименьшей энергией (состоянию динамического равновесия). В этом состоянии все макропараметры системы в разных точках занимаемого ею объема - давление, температура, плотность, концентрация - выравниваются. Но равновесное состояние не есть состояние покоя. В газе продолжается беспорядочное хаотическое движение молекул, система пребывает в состоянии динамического хаоса. Поэтому каждое мгновение в результате столкновений изменяются энергии и скорости отдельно взятых молекул, а значит изменяются и микропараметры системы. То есть, одному макросостоянию соответствует целый набор или, как говорят, ансамбль микросостояний. Условие существования такого ансамбля - постоянство средних значений макропараметров системы. Число способов реализации макросостояния через микросостояния называют статистическим весом Г (или термодинамической вероятностью). Вследствие хаотичности движения молекул макропараметры с течением времени колеблются около некоторого своего среднего значения, т.е. флуктуируют (лат. fluctuatio - колебание; малые случайные отклонения от среднего значения параметра системы). В системах с большим числом частиц флуктуации малы и классическая термодинамика их не учитывает. Например, при количественном определении эффективности работы тепловой машины достаточно знать средние температуры нагревателя и холодильника. Однако флуктуации очень часто себя проявляют. В частности, флуктуациями объясняется броуновское движение, голубой цвет неба, появление «шумов» в каналах связи. Они определяют предел чувствительности электронной аппаратуры. В определенных условиях флуктуации могут стать толчком к упорядочиванию структур.
• Термодинамические процессы, протекающие в закрытых системах, необратимы. Необратимость характерна и для многих природных процессов. Например, колебания маятника из-за потерь энергии, которая идет на нагревание окружающей среды, затухают. Но сколько бы мы ни нагревали окружающую среду, маятник от этого не начнет колебаться. Разбитая ваза сама собой не соберется из кусочков, нагретая наковальня не заставит подпрыгивать молот, более холодное тело не будет самопроизвольно передавать свое тепло более нагретому.
• Если к газу при температуре Т подвести некоторое количество теплоты DQ, то его энтропия S получает приращение DS = DQ/Т. Значение этого приращения зависит от обратимости процесса. Если процесс обратимый (процесс, который возможно осуществить в обратном направлении, повторяя все промежуточные состояния прямого процесса), то приращение энтропии в ходе такого процесса равно нулю. Примером может служить колебание маятника в отсутствии сил сопротивления среды. В случае необратимых процессов в замкнутых системах энтропия возрастает, т.е. DS>0. Клаузиус сформулировал положение, которое получило название второго начала термодинамики (первое начало, как известно, отражает закон сохранения энергии):
• - в замкнутых системах энтропия со временем не убывает, т.е. DS³0;
• - в случае открытых систем энтропия может вести себя как угодно.
• Внутренняя сущность II начала термодинамики была вскрыта одним из глубочайших исследователей XIX века австрийским физиком Л.Больцманом (1844-1906), который показал, что энтропия является функцией вероятности
•  S =  к ln Г,
• где ln - логарифм по основанию числа е = 2,73... (т.н. натуральный логарифм). Если число способов реализации макросостояния через микросостояния Г = 1, то энтропия такого cостояния S = 0. Чем больше состояний доступно системе, тем выше ее энтропия, тем больше в ней хаоса, отождествляемого с представлением о хаотичности теплового движения совокупности молекул газа. Все самопроизвольные процессы в закрытой системе протекают в сторону установления термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.
• Понятие энтропии, также как и понятие температуры, имеет смысл лишь применительно к коллективу частиц, занимающих некоторый объем. С ее увеличением возрастает и степень беспорядка системы, поэтому говорят, что энтропия есть мера свободы системы или мера беспорядка.
• Складывается впечатление, что преобладающей тенденцией природных процессов является стремление к разрушению упорядоченностей, случайно возникших в результате маловероятных флуктуаций. На основе этого вывода в конце XIX века была выдвинута гипотеза «тепловой смерти» Вселенной. Смысл ее заключался в следующем: если Вселенная является закрытой системой, то рано или поздно она придет к тепловому равновесию, все упорядоченные системы разрушатся, и она перейдет в состояние исходного хаоса, что равносильно ее смерти как упорядоченной системы.
• Однако уже к началу XIX века имелось множество фактов, подтверждающих, что противоположная тенденция - самоупорядочения (самоорганизации) и самоусложнения систем также закономерный процесс. Современная наука считает, что большинство существующих систем благодаря обменным процессам с окружающей средой, находится в состоянии, далеком от термодинамического равновесия, а их развитие происходит в направлении возрастающей упорядоченности.  Порядок и Хаос - это две стороны процесса развития систем.
•  
• Принцип периодичности
• Замечено, что чередование фаз в поведении систем разной природы - космологических, физических, химических, биологических, социальных и других - наблюдается с определенной периодичностью. Ежедневно всходит и заходит Солнце, небесные светила через известные промежутки времени занимают определенные места на небосводе. Планеты совершают периодические движения вокруг собственной оси и центрального светила, звездные системы вращаются вокруг центра Галактики. Периодичность наблюдается в процессах, протекающих в недрах звезд и планет. Например, в изменении солнечной активности наблюдают 11, 22, 600-летние циклы. Ритмы космоса оказывают глобальное воздействие на био- и геосферу Земли. Сложное взаимодействие периодических процессов рождает как случайные, так и закономерные изменения циркуляции масс в атмосфере и гидросфере, что в глобальном масштабе ведет к изменению климатических условий или локальных изменений погоды. Это существенным образом влияет на живые организмы (урожайность культур, изменение численности популяций, распространение эпидемий и эпизоотий, периодичность в этногенезе и т.д.).
• Периодичность - качество, характерное для состояния химических систем. Это, прежде всего, периодичность свойств химических элементов, связанная с периодичностью их электронного строения. Наблюдается колебание реагентов в так называемых автокаталитических реакциях (реакции Белоусова и Жаботинского). Они при определенных условиях могут длиться бесконечно долго, и интересны для понимания процессов добиологической и биологической самоорганизации и эволюции материи. Комплекс подобных реакций в живом организме поддерживает ритмичность деятельности сердца, мозга и других органов и организма в целом.
• Спиралеобразный вид многих галактик, спиральные вихри циклонов, спиральные формы раковин улитки и моллюска, рогов некоторых животных, спираль ДНК - все это проявление периодичности. Периодичность присуща структуре сложных биохимических молекул (белки, нуклеиновые кислоты). Периодически повторяется элементарная ячейка в кристаллической решетке. С определенной периодичностью наблюдается чередование фаз в развитии экономических систем: подъем-процветание-спад-застой-подъем (циклы Кондратьева). Ритмично работает двигатель любой машины. Красота музыки и поэзии ощущается человеком через их ритм. Периодические колебания маятника, пружины или струны, напряжения и силы переменного тока, векторов электрической напряженности и магнитной индукции электромагнитной волны, периодичность функционирования отдельных подсистем живых организмов (клеток, тканей, органов) и организма в целом - это явления одного порядка.
• С математической точки зрения все перечисленные процессы можно описать с помощью единой модели - линейного гармонического осциллятора (лат. oscillo - качаюсь; механическая система, состоящая как минимум из двух тел, колеблющихся относительно общего центра тяжести), описывающей динамическое состояние системы в любой момент времени с помощью линейного дифференциального уравнения второго порядка
• х’’ + qх = 0,
• где х - какое-то качество процесса или системы (координата, заряд, напряженность, количество чего-то и т.д.);
• х’’ - скорость изменения скорости процесса (ускорение);
• q - внутренний параметр системы.
• Например, для тела, колеблющегося на пружине q - отношение жесткости пружины к массе груза, в колебательном контуре, это величина, зависящая от индуктивности и емкости. Этот параметр определяет собственную частоту колебательной системы. Когда отсутствуют потери энергии, система может находиться в колебательном состоянии бесконечно долго. Для таких систем характерны жесткие причинно-следственные связи, это системы равновесные. Если амплитуда колебаний невелика, колебания называют гармоническими, т.е. изменяющимися по закону синуса или косинуса. Если амплитуды колебаний велики, колебания становятся ангармоничными, и их математическое описание можно осуществить с помощью системы нелинейных уравнений.
• Похоже, что периодичность является фундаментальным свойством природы, важнейшим условием постоянства структур и функционирования систем. Однако в окружающей нас жизни также часто встречаются и апериодические, затухающие процессы. Как правило, они связаны с сильным рассеянием энергии. Если нет ее поступлений извне, любой процесс в конце концов останавливается (например, затухание колебаний маятника) или вообще система полностью разрушается.
• Периодичность и апериадичность являются неотъемлемыми свойствами любой развивающейся системы. Периодичность характеризует некоторую устойчивость системы; ее нарушение приводит к появлению неустойчивости, которая может привести либо к разрушению, либо при благоприятных внешних условиях стать шансом для перехода системы в новое более высокое качественное состояние.
•  
• Принцип симметрии
• Симметрия (греч. symmetria - соразмерность, пропорция, соответствие, порядок, гармония) является всеобщим свойством природы и широко представлена в творчестве человека и созданных его руками вещах. В своих размышлениях над картиной Мироздания человек выделял симметрию как некое магическое качество природы, ее красоту, совершенство и целесообразность и старался отразить это ее качество в архитектуре, скульптуре, поэзии, музыке. Музыкальная гармония и пропорции музыкальной гаммы, ритм стиха и стихотворные метры - ямб, хорей, амфибрахий - это тоже симметрия.
• Выявленная современной наукой иерархия симметрий отражает свойства иерархии уровней структурной организации материи. В связи с этим выделяют разные формы (лат. forma - внутренняя организация содержания целого) симметрии: пространственно-временные, калибровочные и другие. Все виды симметрий можно разделить на внешние и внутренние. Внешняя симметрия наглядна и наблюдаема. Внутреннюю симметрию визуально наблюдать невозможно, она глубоко скрыта в математических уравнениях описывающих состояние системы. В качестве примера можно привести симметрию уравнений Максвелла, описывающих свойства электромагнитного поля, которая отражает внутреннюю глубинную связь между его электрической и магнитной составляющими.
• Внешняя симметрия - пространственная или геометрическая - широко представлена в окружающем мире. Это симметрия молекул, кристаллов, живых организмов, зданий, сооружений, планетарных систем и многих космических образований. У любого симметричного объекта всегда есть какой-либо элемент симметрии - ось, центр, плоскость или их комбинация. При операциях симметрии - поворотах и отражениях - симметричные структуры совпадают сами с собой.
• Как возникла симметрия этих объектов и для чего она нужна? Симметрия живых организмов возникла в процессе эволюции жизни. Первоначально зародившиеся в мировом океане живые организмы обладали самой идеальной формой - сферической. Распространение видов в другие среды потребовало приспособленности к жизни и к перемещениям в других средах, к специфичности проявления в них законов природы. Например, конусообразная форма ели, имеющая вертикальную ось симметрии, связана с необходимостью доступа солнечного света к нижним ветвям и устойчивости дерева. Такая форма приобреталась постепенно в процессе эволюции вида и адаптации к условиям произрастания, немаловажное значение при этом имеет закон всемирного тяготения. Внешняя симметрия насекомых и животных связана с необходимостью держать равновесие при перемещении, извлекать больше энергии из окружающей среды и эффективнее ее тратить. Еще более глубокий смысл приобретает симметрия в физических и химических системах. Наиболее устойчивыми являются молекулы, обладающие высокой симметрией. Симметрия электронной оболочки у инертных газов предопределяет их поведение в химических реакциях. Симметрия молекул обуславливает характер молекулярных спектров. Симметрией обладают все кристаллы, представляющие собой периодическое повторение элементарной ячейки.
• Но и асимметрия в мире достаточно широко распространена. Организмы оказываются асимметричными при учете их внутреннего строения (сердце - слева, печень - справа и т.д.). И при зеркальном отражении уже не совпадают сами с собой. Ей обязаны своим существованием зеркально асимметричные молекулы стереоизомеров. Молекула ДНК также асимметрична, причем ее спираль всегда закручивается вправо. Если в неживой природе левые и правые молекулы встречаются почти одинаково часто, то в живых организмах встречается только один тип. В.И.Вернадский (1863-1945) русский ученый, основатель гео- и биогеохимии, сделавший многое в развитии учения о биосфере, предполагал, что именно здесь проходит граница между химией живого и неживого. И более того, живые организмы в процессе жизнедеятельности извлекают из окружающей среды большей частью химические соединения, молекулы которых симметричны, и превращают их в асимметричные соединения сахара¢, крахмал и т.д. Примером функционально асимметричной структуры является мозг человека.
• Негеометрические симметрии отражают инвариантность законов механики и электродинамики относительно преобразований симметрии, симметрию микромира (понятие четности, наличие пар частица-античастица). Все известные типы взаимодействий можно описать с помощью калибровочныхсимметрий - специальных преобразований для которых математики разработали аппарат теории групп. Используя специфический язык - элементы симметрии, операции симметрии, матрицы преобразований, точечные группы, можно описать любую систему. Идеи симметрии лежат в основе попыток объединить все типы взаимодействий в единую теорию.
• Асимметрия и симметрия, являясь фундаментальными свойствами природы, образуют диалектическое единство, тесно связаны с понятиями устойчивости и неустойчивости, порядка и беспорядка, организации и дезорганизации, которые отражают свойства состояний систем и динамику процессов их развития, глубинную взаимосвязь между динамическими и статистическими законами.
•  
• Принцип относительности

Принцип относительности впервые был сформулирован Галилеем для механического движения: никакими опытами нельзя обнаружить покоится система отсчета или движется равномерно и прямолинейно. Все подобные системы называют инерциальными (ИСО). ИСО -это упрощенная модель, ибо все принимаемые системы строго говоря неинерциальны. Однако в ряде случаев эффекты, связанные с неинерциальностью систем невелики и ими можно пренебречь.
С учетом законов Ньютона принцип относительности можно сформулировать следующим образом: в инерциальных системах отсчета законы классической механики имеют одинаковую форму. Позднее, в конце XIX века французский математик и физик А.Пуанкаре (1854-1912) распространил этот принцип на все электромагнитные явления. Еще более обобщенный вид он принял в теории относительности, разработанной А.Эйнштейном (1879-1955): законы природы инвариантны относительно ИСО.

Новые понятия и термины: принцип, система, элемент, функция, интерференция, подобие, фрактал, симметрия, периодичность, неинерциальный, равновесное состояние, статистический вес, энтропия, негэнтропия.
Ведущая идея:
- фундаментальные принципы естествознания как отражение всеобщих законов, которые проявляются на всех уровнях организации материи.
.

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука