7528

31

Абстрактной моделью является идеальная конструкция, построенная средствами мышления, сознания. К таким моделям относятся языковые конструкции, предназначенные для общения между людьми – текст, уравнения, формулы, символы, чертежи. На русском языке мы можем выразить любую мысль или изложить её на бумаге. Подобным образом общаются люди на любых других языках, представляя свои мысли в виде речи, текста. Тексты, формулы на языке конкретных наук дают представление об объектахоригиналах, изучаемых этими науками. Модели конкретных наук, представленные в виде текста, формул и уравнений содержат информацию об этих науках. Добавим, что математические модели, являющиеся абстрактными моделями, обладают абсолютной точностью. Но это не означает, что они отражают все свойства оригинала.

Материальные (реальные) модели обладают прямым, косвенным и ус-

ловным подобием оригиналу. Прямое подобие достигается, когда получают увеличенные, уменьшенные или равные по размерам копии оригинала. К ним относятся фотографии, макеты судов, самолетов, копии произведений искусства. Косвенное подобие между моделью и оригиналом обнаруживается в виде совпадения или достаточной близости их абстрактных моделей. Такое подобие используются в практике реального моделирования. Часы – аналог времени. Автопилот – аналог летчика, электрические сети – аналог водопроводной сети. И там, и там осуществляется перенос вещества. Аналоговые вычислительные машины позволяют найти решение разнообразных дифференциальных уравнений, представляя собой модель процесса, описываемого этим уравнением. Условное подобие образуют модели, подобие которых оригиналу устанавливается в результате соглашения. Деньги– модель стоимости товара, труда, услуг. Светофор– модель сообщений (зеленый– разрешающий, красный – запрещающий, желтый– пауза для освобождения перекрестка). Топографическая карта– модель местности, рабочие чертежи– модель будущей продукции. Модели условного подобия являются способом материального воплощения абстрактных моделей, вещественной формой, в которой абстрактные модели могут передаваться от одного человека к другому, храниться до момента их использования. Например, чек– абстрактная модель отношений между покупателем и продавцом, любой банковский документ– модель отношений физических и юридических лиц.

Вопросы для проверки знаний

1.Какие объекты называются моделями?

2.Какие модели называются прагматическими?

3.Какие модели называются познавательными?

4.В чем различие между прагматическими и познавательными моделями?

5.Какие модели называют абстрактными?

6.Какие модели называют материальными?

7.Моделируем ли мы свое поведение в обществе?

33

положения осознается не сразу: от ощущения, что «что-то не так» к выявлению проблемы и выбору решения [18, с. 68].

Французский философ, математик, физик и физиолог Рене Декарт (1596−1650) утверждал, что для получения нового знания необходимо придерживаться следующих принципов:

за истинные принимать только такие положения, которые представляются ясными и отчетливыми и не вызывают никаких сомнений;

расчленять каждую сложную проблему на частные проблемы и задачи; последовательно переходить от известного и доказанного к неизвест-

ному и недоказанному; не оставлять без внимания никаких деталей (они могут оказаться важ-

ными).

Указанные принципы метода Декарта согласуются с представлениями о том, что мир познаваем полностью, и такое понимание достигается аналитически. Как отмечает Акофф [9], анализ является трехступенчатым процессом. Сначала делится на части то, что мы хотим понять. Затем делается попытка объяснить поведение каждой части в отдельности. Наконец, агрегируется понимание частей в целое. Поскольку в анализе понимание вещи требует понимания её частей, они в свою очередь должны делиться на более мелкие части, если требуется их понимание. Чтобы понять части частей, необходима была дальнейшая декомпозиция. Это порождало фундаментальный вопрос: существует ли конец процессу деления целого на части? Для тех, кто считал, что мир может быть полностью понят и что анализ– единственный способ познания, ответ «да» был неизбежен. Должны существовать неделимые части, элементы, понимание которых делает возможным понимание всего остального. Как только элементы были поняты, их объяснения должны были быть агрегированы в понимание целого. Это требовало взаимодействия частей. Не удивительно, что в век поиска элементов считалось достаточным для объяснения всех взаимодействий ввести одно отношение: «причина– следствие». Одно считалось причиной другого, если первое (причина) было необходимым и достаточным для осуществления второго (следствие).

Эта исключительная приверженность принципу причинности имела три важных последствия. Во-первых, поскольку идентификация причин дает полное объяснение их следствиям, то для объяснения чего бы то ни было не требуется привлекать понятие окружающей среды. Объяснение без учета окружающей среды проявило себя в таком законе природы, как закон свободного падения тел. Во вторых, причины сами требовали объяснения. Они получали объяснения как следствия каких-то новых необъясненных причин. Но это лишь давало новые необъясненные причины, требующие поиска причин. Был ли конец этой регрессии? С позиций полной познаваемости мира ответ на этот вопрос был неизбежен−«да»: должна быть первопричина. Её отождествляли с Богом – Творцом. Только Бог был беспричинен и, следовательно, не подлежал объяснению. В третьих, благодаря постулируемой познаваемости мира, всё (кроме Бога) предполагалось объяснимым как следствие неко-

34

торой причины и, следовательно, детерминированным. Доктрина детерминизма не оставляла место случаю, выбору в мире природы.

Механизация труда была реализована аналитически. Она прежде всего связана с расчленением сложных операций на простые действия. Аналитическое мышление привело не только к дегуманизации труда в век машин, но и к дегуманизации образования. Взгляд на мир как мир систем стал формироваться к середине ХХ века, хотя представления о системности мира берут свое начало в XIX веке (Ампер, Трентовский). Система есть целое, которое нельзя разделить на независимые части. Влияние поведения части на целое зависит от поведения других частей. Существенные свойства частей утрачиваются при их разделении на отдельные части: разобранный автомобиль не ездит, расчлененный живой организм не живет. Сами части теряют свои существенные свойства, проявлявшиеся в целом (оторванное рулевое колесо не рулит, отделенный глаз не видит). Отсюда можно заключить, что система есть целое, которое нельзя познать аналитически. Анализ системы вскрывает её структуру и то, как она работает. Результат анализа– знание, но не понимание. Системное мышление, системное познание действительности включает три этапа [18]:

первый этап−изучаемая система рассматривается как часть большего целого;

второй этап−объясняется целое, содержащее изучаемую систему (как часть целого);

третий этап−понимание целого дезагрегируется для объяснения частей, в том числе и изучаемой системы. Это достигается путем вскрытия их роли или функции в целом.

Системное изучение окружающего мира, т.е. системное мышление открывает не структуру, а функцию. Оно устанавливает причину функционирования системы. В системных исследованиях анализ и синтез как методы дополняют друг друга. Ни один из них не подменяет другого. Знание развертывается от частей к целому, понимание– от целого к частям. С этих позиций причинно-следственная связь представляет лишь один из многих способов рассмотрения взаимодействий. Внешняя среда представляет собой обязательное условие адекватного понимания действительности. Так как все множество взаимодействующих с системой объектов, составляющих среду, невозможно полностью определить, объяснение системы, свободное от среды, является идеалом, которого нельзя достичь, к которому можно только приближаться. Нет необходимости обсуждать вопрос о первопричине. Мы никогда не доберемся до неё. Если же первопричины нет, мы никогда не сможем доказать её отсутствие. Этот вопрос относится к сфере веры, а не науки.

В наступившем XXI веке эффективность познания окружающего мира возросла с использованием искусственных устройств, которые наблюдают (порождают данные), общаются (передают данные) и «думают» (логически обрабатывают данные). Эти технологии увеличивают возможности мозга человека, а не его мускулов, они автоматизируют его деятельность. Приближается ли человек к постижению истины? Да, приближается, если под истиной

35

в познании окружающего мира понимать то, что он стремится узнать. Практика подтверждает истинность наших знаний.

Таким образом, современный научный метод познания действительности, в основе которого лежат анализ и синтез, включает в себя следующие принципы:

причинно-следственную связь как один из способов рассмотрения взаимодействий система-среда;

практику как критерий истинности знания;

относительность наших знаний. Процесс познания окружающего мира непрерывен и бесконечен.

Вопросы для проверки знаний

1.Что называют методом в науке?

2.Чем отличается факт или наблюдение от научного факта?

3.Почему требуется проверка наблюдений?

4.Что называют гипотезой?

5.Что называют законом?

6.Почему не все факты попадают в разряд научных фактов?

7.В чем сущность научного метода познания действительности по Декарту?

8.Почему многие свойства частей в целом утрачиваются при разделении целого на части?

9.Какие этапы включает системный метод познания действительности?

3. МИР МИКРОСИСТЕМ

«Кирпичиками» мироздания выступают элементарные частицы. Они называются так потому, что их строение не установлено, хотя состав некоторых из них уже известен. Несколько сот открытых физиками элементарных частиц делят на стабильные (электрон, протон, фотон, нейтрино), квазистабильные, время жизни которых больше 10−20 сек, и резонансы, время жизни которых составляет 10−22 −10−24 сек.

Частицы вещества и частицы поля на микроуровне рассматриваются не как отдельные виды материи, а как формы существования единого квантового поля. Ограничимся двумя утверждениями: во-первых, материей называ-

ется все, что дано нам в ощущениях, и, во-вторых, вещество и поле−формы

существования материи.

Среди элементарных частиц особое место занимают протон, нейтрон и электрон. За счет обменных взаимодействий протоны и нейтроны образуют устойчивую микросистему – ядро атома. Ядро в свою очередь в окружении электронов представляет собой микросистему – атом. Несколько ядер, в поле которых движутся электроны, представляет собой более сложную микросистему– молекулу. Таким образом, мир микросистем включает элементарные частицы, атомы и молекулы.

36

3.1. Элементарные частицы. Вещество и поле

В классификации элементарных частиц прослеживается некоторая ие-

рархичность. Вещество-вид материи, состоящей из кварков и лептонов. В

основном вещество построено из электронов и нуклонов (протонов и нейтронов). Другими словами, веществом называется форма существования

материи, масса покоя которой не равна нулю (m0¹0).

Взаимодействия между частицами вещества осуществляются полями.

Поле-вид материи, переносящей электромагнитное, слабое, сильное и гра-

витационное взаимодействия вещества посредством фотонов, промежуточных векторных бозонов, глюионов и гравитонов. Масса покоя переносчи-

ков взаимодействий, за исключением , промежуточных векторных бозонов, равна нулю.

Кварки и лептоны относят к фундаментальным частицам вещества. Они на данный момент развития науки считаются неделимыми. (табл.1).

Т а б л и ц а 1

Фундаментальные частицы вещества

*) Не открыт, но теоретически предсказан.

Фундаментальные частицы характеризуются такими свойствами, как масса, заряд, спин (спин от англ. to spin – вращать)−собственный момент количества движения. Массы фундаментальных частиц вещества возрастают от первого к третьему поколению. Считается, что в природе встречаются только частицы первого поколения. Частицы второго и третьего поколений получены искусственно на специальных ускорителях элементарных частиц и обнаружены при взаимодействии космических лучей в атмосфере.

Вещество и поле обладают энергией. Согласно теории от носительности, нет существенного различия между массой и энергией. Энергия имеет массу, а масса представляет собой энергию. В классической физике и химии изменения массы вещества при нагревании, охлаждении или химических превращениях настолько незначительны, что их невозможно обнаружить прямым взвешиванием. В ядерных реакциях при взаимодействии элементарных частиц этот эффект проявляется весьма убедительно. Вместо двух зако-

37

нов сохранения массы и энергии классической механики мы имеем один: закон сохранения массы-энергии:

Е = mc2,

где Е-энергия, m-масса, с-скорость света.

Поля создаются веществом, и посредством полей осуществляется взаимодействие частиц вещества. Электромагнитное взаимодействие переносится фотонами. Оно обеспечивает устойчивость атомов, молекул. Слабое взаимодействие переносится промежуточными векторными бозонами и вызывает переходы между разными типами кварков. Например, в случае распа-

да нейтрона:

n0 ® p+ + e− + `ne

происходит образование кроме протона (p+) и электрона (e−) электронного нейтрино (`ne)-частицы, которая не испытывает никаких других взаимодействий, кроме слабого. Сильное взаимодействие переносится глюионами. Оно играет решающую роль в связывании нуклонов (протонов и нейтронов) в ядрах атомов и кварков в протонах и нейтронах. Гравитационное взаимодействие переносится гравитонами. Для элементарных частиц, масса которых имеет порядок 10−27кг, гравитационное взаимодействие становится заметным только на расстояниях 10−35м. Частицы полей, за исключением гравитона, характеризуются спином, равным 1. Гравитон теоретически предсказан, но экспериментально не обнаружен. Его спин должен быть равен 2.

Вопросы для проверки знаний

1.Что такое материя?

2.В чем различие форм материи?

3.Какие частицы называют фундаментальными?

4.Из каких элементарных частиц построено вещество?

5.Какие фундаментальные взаимодействия установлены в природе?

6.Какие элементарные частицы являются носителями энергии поля?

7.В чем сущность закона сохранения массы-энергии?

8.Потеряли ли смысл законы сохранения массы и энергии после того как был установлен закон сохранения массы— энергии?

3.2. Атомный уровень организации вещества

Атом– это микросистема, состоящая из ядра и электронов, движу-

щихся в поле ядра. Размер любого атома имеет порядок 10−10 м, а размеры ядра 10−15 м. Ядро представляет собой сложную систему, состоящую из положительно заряженных протонов и электронейтральных нейтронов. Почему протоны в ядре удерживаются вместе и не разлетаются в результате электрических сил отталкивания? Ответ дает ядерная физика.

Протон состоит из двух верхних кварков с зарядом q= +2/3 и одного нижнего кварка с зарядом q= -1/3. Кварки связаны глюионным полем (сильным полем). В целом заряд протона q= 2×(+2/3) + (-1/3) = +1. Заряд нейтрона равен нулю, т.к. нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего

38

q= 2×(-1/3) + (+2/3) = 0. В отличие от стабильного протона нейтрон имеет период полураспада, равный примерно 12 минутам. Периодом полураспада называется время, за которое распадется половина исходного вещества. Протоны и нейтроны на расстояниях порядка 10−15м (ядро) удерживаются вместе сильным полем. Силы взаимного притяжения протонов и нейтронов глюионным полем на таких небольших расстояниях превосходят силы электромагнитного отталкивания . При этом нейтроны в ядре существуют и не распадаются благодаря обменному взаимодействию.

Размеры атома по сравнению с размерами атомного ядра гигантские. Достаточно сравнить радиус ядра 10−15м и радиус атома 10−10м. Электронная оболочка, охватывающая ядро, обладает ничтожной массой по сравнению с массой ядра. И вновь возникает вопрос: почему отрицательно заряженные электроны не падают на положительно заряженное ядро? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо вернуться к истокам становления квантовой механики.

3. 2. 1. К о р п у с к у л я р н о – в о л н о в о й д у а л и з м

Во второй половине ХIХ века английский физик Д.К. Максвелл (1831-1879) разработал теорию электромагнитного поля, которую он сформулировал в виде системы уравнений, называемых уравнениями Максвелла. Они выражают основные закономерности электромагнитных явлений. В соответствии с теорией источником электрического поля могут быть электрические заряды или изменяющиеся во времени магнитные поля. Магнитные поля возбуждаются движущимися электрическими зарядами (электрическим током) или переменными электрическими полями. Это дало Максвеллу основание считать, что электрические и магнитные поля неразрывно связаны друг с другом в единое электромагнитное поле.

Распространение электромагнитных волн осуществляется со скоростью света, свет– это тоже электромагнитные волны. Электромагнитная теория Максвелла объясняла такие явления, как интерференция и дифракция света, зависимость скорости распространения света в среде от длины волны (дисперсия света). Однако с позиций электромагнитной теории невозможно было объяснить свечение тел, т.е. явление равновесного теплового излучения тел. Эксперименты показывали, что распределение энергии излучения по длинам волн при изменении температуры имеет вид, представленный на рис. 10.

Попытки немецкого физика М. Планка (1858-1947) согласовать электромагнитную теорию Максвелла с экспериментально наблюдаемым свечением нагретых тел привели к совершенно неожиданному результату. Противоречие преодолевалось, если постулировать: излучение света телами происходит не непрерывно, а дискретно, определенными порциями (квантами). «Ограничителем» соотношения между энергией и частотой излучения служит постоянная h, названная позже постоянной Планка:

h= E/n

где n=с/l;

40

Планка о дискретности излучения света телами на световой поток: не только нагретые тела излучают свет квантами (порциями), но само излучение представляет поток световых квантов– фотонов, энергия которых определяется формулой Планка

Е = hν = hc/λ

и уравнением Эйнштейна

Е=mc2

Был подходящий случай задуматься о свойствах электромагнитного излучения.

Еще в 1887 г. немецкий физик Г. Герц (1857−1894) установил явление фотоэффекта. Под действием света вещество (например, цинковая пластина) испускает электроны. Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены русским физиком А.Г. Столетовым (1839−1896). Электромагнитная теория не могла объяснить того факта, что энергия вылетающих с поверхности металла электронов не зависела от интенсивности светового излучения. Противоречие между экспериментально наблюдаемым явлением фотоэффекта и электромагнитной теорией Максвелла преодолевалось, по мнению Эйнштейна, следующим образом: «Мы должны предположить, что однородный свет состоит из зерен энергии….. « световых квантов», т.е. небольших порций энергии, несущихся в пустом пространстве со скоростью света» [7, с. 384]. Примечательно, что выдающиеся ученые чрезвычайно критически относились к собственным «безумным» идеям. Они старались задавать природе правильные вопросы и стремились правильно истолковывать ответы природы. Уместно еще раз напомнить слова Э. Резерфорда: «Мы делали больше, чем понимали». Это означало, что ученые по отношению к своим идеям были самыми первыми и самыми строгими критиками. Размышляя о гипотезе квантов, лауреат Нобелевской премии 1921 г. А. Эйнштейн писал в одном из своих писем в 1951 г.: «После 50 лет раздумий я так и не смог приблизится к ответу на вопрос, что же такое световой квант» [7, с. 386]. Выступая в 1947 г. перед студентами Боннского университета, лауреат Нобелевской премии 1918 г. М. Планк сказал: «Единственное, на что мы с уверенностью можем претендовать как на нашу собственность, высшее благо, которое у нас не может отнять никакая сила в мире и которое способно принести нам ни с чем не сравнимое счастье, это сознание честно выполненного долга. Тот, кто имел счастье принимать участие в создании точной науки, обретет высшее удовлетворение и внутреннее спокойствие в сознании, что он исследовал исследуемое и спокойно уважал неисследованное» [7, с. 383].

Квантовая теория света получила экспериментальное подтверждение лишь в 1922 г. когда американский физик А. Комптон (1892−1962) открыл явление изменения длины волны рентгеновского излучения вследствие рассеяния его электронами вещества (эффект Комптона). Опыты подтвердили дискретность, т.е. делимость света на частицы энергии−фотоны.

Рождение «безумных» идей в XX веке продолжалось. В 1909 г., через 4 года после выдвинутой Эйнштейном квантовой теории света, он указывает