KSE_Zhulanov_A_L

естествознании сложилась механистическая картина мира, определившая тип научного мышления почти до конца 19 в.

В рамках механистического подхода было дано объяснение таких важных в жизни человека явлений природы, как теплота и свет, и открыт ряд важнейших законов: в физике – закон сохранения и превращения энергии (Р. Майер, Д. Джоуль, Г. Гельмгольц), в химии – закон сохранения массы вещества, предложенный М.В. Ломоносовым и впоследствии опытным путем доказанный А.Л. Лавуазье. Эти законы имели не только научное, но и глубокое мировоззренческое значение.

Электродинамика. Еще одна группа явлений природы стала предметом исследования в 17-18 вв. – электричество и магнетизм. В 1600 г. У. Гильберт опубликовал первый в истории физики труд по электричеству и магнетизму, в котором доказал, что Земля – это большой магнит. Б. Франклин в 1742 г. установил электрическую природу молнии и сконструировал первый громоотвод. Важнейшим достижением науки стало создание в середине 19 в. классической электродинамики (М. Фарадей и Д.К. Максвелл), равной по значению классической механике и сыгравшей в последующем развитии физики важную роль: на ее основе в начале 20 в. была создана теория относительности А. Эйнштейна. Электродинамика оказала столь значительное влияние на физику, что в естествознании утвердилась на ближайшие полвека (1870-1920-е гг.) электромагнитная картина мира. Пожалуй, только биология к середине 19 в. перестала вписываться в физическую картину мира и потребовала для своего развития новых руководящих принципов. Глубокие обобщения, сделанные в биологии, привели к утверждению эволюционных идей (Ж.Б. Ламарк). В науку стали проникать идеи развития, философским обобщением которых стала диалектика.

Неклассическое естествознание. В конце 19 в. был сделан ряд открытий, которые не могли быть объяснены в понятиях классической физики: рентгеновы лучи, радиоактивность, электрон как составная часть атома, квант действия и др. В науке возникла кризисная ситуация: либо законы классической физики неверны, либо новые факты недостоверны. Но сомневаться ни в том, ни в другом не было оснований. Отсюда следовал вывод: физика вступила в новую область объективной реальности – микромир, который принципиально отличается от макромира. Таким образом, было установлено, что законы классической физики (как стали называть

41

физику 17-19 вв.) не универсальны, а имеют границы своей истинности и, следовательно, применимости. Необходимо было открыть законы микромира. Оказалось, что законы микромира имеют статистический(вероятностный) характер, в то время как законы механики и электродинамики имеют динамический (однозначный) характер. Если в классической физике предполагалось возможным получение достоверного знания о состоянии объекта самого по себе, то в микромире в описание микрообъекта пришлось включить наблюдателя (то есть описание экспериментальной установки, прибора), поскольку в процессе наблюдения и измерения происходит взаимодействие прибора и микрообъекта, вносящее возмущение в поведение микрообъекта. Это новое обстоятельство привело к формулированию принципа дополнительности (Н. Бор) и принципа

неопределенности (В. Гейзенберг). Так возникла неклассическая физика: теория относительности, квантовая механика, ядерная физика и другие отрасли современной физики, под влиянием которых произошла перестройка всего естествознания (химии, биологии,

астрономии). Сформировалось неклассическое естествознание 20 в.

Обобщением революции в физике стало создание квантово-полевой картины мира. Практическим результатом нового естествознания стали ядерная энергетика, атомное и термоядерное оружие, генная инженерия, космонавтика, компьютерная техника и информатика.

Панорама и тенденции развития современного естествознания. Одной из закономерностей развития науки является ее дифференциация, то есть расчленение предметной области науки на части и образование отдельных наук. Процесс дифференциации науки, начавшись еще в Античности, продолжался и углублялся в Новое время вплоть до конца 19 в. Дифференциация науки выражала господство аналитического подхода к миру и вела к чрезмерно узкой специализации знаний ученых. Поэтому наряду с продолжающейся дифференциацией образовалась противоположная тенденция развития науки – интеграция. Первоначально интеграция наук происходила на стыке их предметных областей: физическая химии (основоположником ее стал М.В. Ломоносов), биохимия, биофизика, химическая кинетика и др. В настоящее время интеграция науки проявляется в различных формах: применение понятий и методов одной науки для исследования предметной области другой, математизация, информатизация, организация комплексных

42

межотраслевых исследований (проблема Мирового океана, глобальные проблемы).

Ныне насчитывается несколько сот частных наук, что ставит проблему их классификации. Всякая классификация предполагает выбор основания, то есть признака, по которому будет производиться группировка предметов.

Вистории науки имели место несколько видов классификации. Например, в 6 в. Пифагор выделил квадривиум наук: арифметику, геометрию, астрономию и гармонику (математическую теорию музыки). В Средние века наукой считали теологию, а наряду с ней признавали семь свободных искусств: квадривиум (арифметику, геометрию, астрономию, гармонику) и тривиум (диалектику, то есть формальную логику, грамматику и риторику).

Внауковедении наиболее значимыми признаны три вида классификации наук: по социальной роли, по объекту познания и по методу познания.

По социальной роли науки делятся на два вида: фундаментальные и прикладные. Задача первых – открытие новых явлений, их свойств и законов, задача вторых – нахождение способов применения фундаментальных знаний в практической деятельности людей. Другими словами, целью первых является истина, целью вторых – польза. К фундаментальным наукам относятся астрономия, механика, физика, химия, биология. Среди прикладных наук можно выделить группы технических, сельскохозяйственных, военных и др. наук (тепло-, электро-, радиотехника, информатика, агрономия, генная инженерия). Некоторые науки сочетают в себе обе функции (например, медицина).

По объекту познания науки делятся на две группы: науки естественные и науки социально-гуманитарные, которые далее можно классифицировать на виды. В естествознании выделились следующие основные отрасли: механика – наука о пространственных движениях и их законах, физика – наука о тепловых, электрических, магнитных, световых явлениях, химия – наука о взаимодействиях атомов и молекул, биология – наука о жизни. Здесь основанием деления выступают формы движения материи.

По методу познания науки можно разделить на индуктивные

(например, зоология, ботаника, геология и др.) и дедуктивные (математика, классическая механика, термодинамика и т. д.). Однако чисто индуктивных и чисто дедуктивных наук в настоящее время не

43

существует, поэтому правомерно говорить лишь о преобладании в научной дисциплине того или иного метода.

Как отмечалось ранее, в связи с возникновением глобальных проблем в конце 20 в. возник антисциентизм – негативное отношение к науке и техническому прогрессу. Это явление стало сигналом к пересмотру социального статуса науки и ее методологии. Преобладавший в естествознании аналитический подход к природе, связанный с решением отдельных проблем (технических, экономических и т. п.) должен быть заменен синтетическим подходом, который получил название системного подхода. Природные, технические, экономические, социальные объекты – это сложные системы, характер которых определяется не только их компонентами (частями, элементами), но и совокупностью взаимодействий между ними в составе целого и с окружающей средой. Взаимодействия элементов в составе системы создают ее новые свойства (системные, или эмерджентные). Другими словами, если в механистической методологии считалось, что целое равно сумме его частей (суммативная, или аддитивная целостность), то в современной картине мира целое больше суммы частей (организованная или, боле высокая, органическая целостность). Объектом изучения системного метода являются сложные открытые системы, обменивающиеся со средой их обитания веществом и энергией. Системный подход в качестве новой методологии науки первоначально был осознан в биологии (Л. фон Берталанфи). В его разработку внесли вклад другие науки: термодинамика открытых систем, теория диссипативных систем (И. Пригожин), синергетика (Г. Хакен).

Был открыт ряд общих закономерностей функционирования сложных систем. Используя высококачественную энергию (энергию упорядоченного движения), получаемую из внешней среды, системы могут не только поддерживать уровень собственной организации, но и повышать его, то есть эволюционировать от низшего уровня к высшему(явление самоорганизации). При этом в окружающую среду возвращается уже обесцененная энергия, энергия хаотического движения (например, в форме теплоты). Вся живая природа существует за счет этого. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными (лат. dissipatio – рассеивание). Термодинамическое понятие энтропии, введенное первоначально для характеристики состояния замкнутых равновесных систем, стало возможным

44

использовать как количественную меру организации или деградации системы. Таким образом, «порядок» и «хаос», термины, имевшие в истории философии и науки довольно неопределенный, а иногда и метафорический смысл, приобретают статус научных понятий, имеющих количественную меру.

В 70-х годах прошлого века возникла синергетика (ее основоположник – немецкий ученый Г. Хакен). Синергетика (греч. Synergos – совместно действующий) – междисциплинарное научное направление, объектом изучения которого являются сложные открытые системы, находящиеся в неравновесном состоянии. Говоря более точно, синергетику следует квалифицировать как современный общенаучный метод, пришедший на смену господствовавшим ранее методам: индуктивному и дедуктивному (17-19 вв.), системному (20

в.).

Классическая наука исследовала преимущество замкнутые, изолированные, равновесные системы и обратимые процессы. Это относится к классической механике и классической термодинамике. Но такие системы – продукт идеализации. В действительности природные и социальные системы редко бывают изолированными и равновесными. Здесь преобладает необратимость, неустойчивость, открытость. В процессе эволюции таких систем возникают критические моменты, обладающие тем свойством, что выбор системой траектории дальнейшей эволюции зависит от влияния случайных внешних факторов и не зависит от предыдущего состояния системы. Другими словами, поведение системы в окрестности критической точки ее траектории является недетерминированным ее предыдущим состоянием. Эти точки траектории эволюции системы называют точками бифуркации (лат. bifurcus – раздвоенный): система после точки бифуркации под действием совершенно незначительных случайных факторов может выбрать одну из нескольких возможных траекторий эволюции, то есть ее поведение становится непредсказуемым. Особенностью системы в неравновесном состоянии является нелинейный характер ее поведения: незначительное по величине внешнее воздействие может вызвать количественно несоизмеримые с ним последствия, причем эти последствия могут иметь двоякий характер: система может пережить катастрофу, деградировать, а может, напротив, спонтанно, скачкообразно перейти в более упорядоченное состояние, то есть совершить акт самоорганизации (возникновение порядка из хаоса,

45

как назвал это явление Пригожин). Поэтому синергетику называют наукой о самоорганизации сложных систем. Если классическая наука делала упор на однозначность, определенность законов поведения (динамические законы), то современная наука выявила новое глубинное свойство поведения сложных систем - неопределенность, вариативность и, как следствие этого, невозможность однозначных, строго детерминированных описаний и прогнозов их эволюции. Создан и соответствующий принципам новой науки математический аппарат - теория катастроф (Р. Том), в которой используется теория нелинейных дифференциальных уравнений. Следующий пример иллюстрирует положения синергетики: если промышленный лов рыбы в некотором водоеме достигает некоторой экологически допустимой величины, то даже незначительное превышение этого уровня может привести к гибели всей популяции промысловой рыбы (экологической катастрофе). Синергетика открывает еще ряд закономерностей: когда признаки катастрофы становятся видимыми, предотвратить ее наступление бывает уже невозможно; по мере нарастания катастрофических последствий увеличиваются его темпы, то есть процесс деградации системы приобретает спонтанный, необратимый характер.

Еще одним признаком, определяющим облик современной науки, является принцип развития. Идея эволюции, первоначально примененная в биологии (Ж.-Б. Ламарк) и геологии (Ч. Лайель), завоевывала одну отрасль естествознания за другой (астрономия, химия, физика) и к началу третьего тысячелетия стала всеобщим принципом науки, имеющим как мировоззренческое, так и методологическое значение. Значение этого принципа в современной науке таково, что современная научная картина мира характеризуется как эволюционная.

Вышеназванные научные достижения второй половины 20 в. составляют содержание новой научной революции, результатом которой является формирование постнеклассической науки. Не отменяя прежних научных достижений, она открывает новые перспективы для человечества. Ее главными принципами являются: системный подход, самоорганизация, универсальный (глобальный) эволюционизм, гуманизация.

Итак, резюмируя вышесказанное, в истории современного естествознания можно выделить три этапа (классический, неклассический и постнеклассический) и четыре последовательно

46

сменявшие друг друга естественнонаучные картины мира (механистическая, электромагнитная, квантово-полевая и эволюционная).

2. ФИЗИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

2.1. МЕХАНИСТИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Второй по времени возникновения после астрономии и первой по теоретическому и практическому значению наукой в Новое время стала механика. В ней выделяются три раздела: статика, кинематика и динамика. Античная механика в основном изучала равновесие тел, то есть ограничивалась статикой. Появление в 15-16 вв. огнестрельного оружия поставило задачу исследования движения пушечного ядра под действием силы взрыва порохового заряда. Ответом на эту потребность стало создание кинематики и динамики. Развитие мануфактурного производства и начавшаяся вследствие этого техническая революция сделали развитие механики еще более необходимым.

Основоположником механики является Галилей. Толчком для его исследований послужили законы движения Аристотеля и, прежде всего, закон свободного падения тел, согласно которому тяжелое тело падает быстрее легкого. Можно провести такой мысленный эксперимент. Что будет наблюдаться, если тяжелое и легкое тела связать? С одной стороны, новое тело как более тяжелое будет падать еще быстрее; но, с другой стороны, оно должно падать медленнее, так как привязанное к нему более легкое тело, падающее медленнее, будет его тормозить. Налицо противоречие: новое тело должно было бы одновременно падать и быстрее, и медленнее тяжелого. Для разрешения противоречия Галилей задумал эксперимент по сбрасыванию с Пизанской башни шаров, изготовленных из материалов различной плотности. Все шары были достаточно массивны, чтобы сопротивление воздуха не могло значительно повлиять на их падение, но существенно различались по весу. Опыт опроверг мнение Аристотеля: шары достигали земли одновременно. Так Галилей установил закон: ускорение свободного падения тел при отсутствии сопротивления одинаково для всех тел, то есть свободное падение тел не зависит от их веса.

47

Наряду с реальными Галилей проводил мысленные эксперименты. Таким путем он открыл принцип инерции. Аристотель объяснял равномерное прямолинейное движение тела действием постоянной силы. Галилей пришел к выводу: чем сопротивление меньше, тем меньшая сила требуется для поддержания равномерного движения, следовательно, внешняя сила необходима только для преодоления сопротивления; если бы его не существовало, то такое движение могло бы продолжаться бесконечно. Таким образом, при отсутствии внешних сил тело может сколь угодно долго сохранять состояние равномерного прямолинейного движения. Напротив, под действием постоянной силы тело будет двигаться с переменной скоростью, то есть неравномерно.

Подобным же образом, то есть в мысленном эксперименте, он открыл принцип относительности: никакими механическими экспериментами, проводимыми в изолированной от внешнего мира лаборатории, нельзя определить, покоится лаборатория или движется равномерно и прямолинейно. В науку вошло ключевое понятие –

инерциальная система отсчета. Инерциальными называются системы, которые либо покоятся друг относительно друга, либо движутся равномерно и прямолинейно. Любой механический процесс (например, колебание маятника) во всех инерциальных системах происходит одинаково и описывается одними и теми же уравнениями. При описании механического движения любую инерциальную систему можно, руководствуясь соображениями удобства, выбрать в качестве системы отсчета. Для количественного описания движения материальной точки следует задать систему координат (декартову прямоугольную систему координат с тремя пространственными – x, y, z - и одной временной осью – t). Допустим, что даны две системы отсчета, из которых одна неподвижна (система с осями x, y, z), а вторая (с осями X, Y, Z) движется вдоль оси абсцисс относительно первой с постоянной скоростью v. Допустим для простоты, что координатные оси и начала координат в начальный момент времени совпадают. Тогда координаты произвольной точки в движущейся системе в произвольный момент времени выразятся через ее координаты в неподвижной системе следующими уравнениями:

X = x – vt, Y= y, Z = z, T = t.

48

Эти уравнения, с помощью которых осуществляется переход от одной инерциальной системы отсчета к другой, называются преобразованиями Галилея.

Еще одно открытие Галилея – закон колебания математического (идеального) маятника: период колебаний маятника не зависит от его массы, а определяется только его длиной. На исследование этого явления его натолкнуло наблюдение за колебаниями люстр в соборе во время богослужения. Этот закон стал основой для расчета Галилеем первых точных часов с маятником (хронометра), особенно необходимых астрономам и мореплавателям (для определения долготы местности). Гюйгенс, впервые создавший такие часы в 1657 г., затем до конца своей жизни занимался их усовершенствованием, посвятив этой задаче специальный трактат.

Важные для становления механики идеи выдвинули Декарт и Гюйгенс. Первый ввел понятие меры движения, определяемой как произведение массы тела на его скорость: mv–количество движения. Гюйгенс ввел другую меру движения – «живую силу», вычисляемую как произведение массы на квадрат скорости: mv2 . В 1686 г. Лейбниц объединил эти законы в закон сохранения силы, который теперь называется законом сохранения механической энергии. Термин «энергия» (греч. energeia – действие) ввел Т. Юнг в 1807 г.

Однако решающая роль в создании механики принадлежит Ньютону. Основные идеи он, по-видимому, сформулировал еще в 1665 – 67 г. г., однако полное изложение системы произошло через двадцать лет: в 1687 г. была опубликована «библия» новой науки «Математические начала натуральной философии». В ней изложены

принципы (начала) механики.

Первое начало (принцип инерции): всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Второе начало: изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

Третье начало: действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, иначе взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.

49

На основе этих начал (или аксиом, как их называет Ньютон), он построил теоретическую систему, изложенную в вышеназванной книге. Поскольку изложение механики Ньютон осуществил геометрическим методом, достаточно громоздким и неудобным для проведения количественных расчетов, то в дальнейшем она получила аналитическую форму, благодаря чему ее законы приобрели изящное количественное выражение в виде математических формул (дифференциальных уравнений). Эту работу выполнили блестящие математики 18-19 вв.: Л. Эйлер, Ж. Даламбер, Ж. Лагранж, У. Гамильтон и др. Например, второе начало приобрело вид: d(mv) = Fdt (изменение количества движения тела равно импульсу силы. Импульс силы – это величина, определяемая произведением силы на время ее действия. Ввиду равенства этих величин количество движения материальной частицы впоследствии стали называть ее импульсом).

Главенствующее положение в механике занимает второе начало. На нем основана динамика – раздел механики, изучающий движение тел под действием приложенных к ним сил. Она позволяет производить расчеты движения материального тела, то есть определять при заданных значениях массы, силы и времени действия его ускорение, скорость, пройденный путь, кинетическую энергию и т. д. Если же даны сила и ускорение тела, то можно вычислить его инертную массу: m=F/a. Масса, определяемая как коэффициент пропорциональности между силой, действующей на тело, и его ускорением, характеризует свойство инертности материальных объектов. Инертность материальных тел – это их свойство оказывать сопротивление действию внешних сил, направленных на изменение их состояния покоя или равномерного прямолинейного движения (или, иначе говоря, это свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения).

Термин «динамический» (греч. dynamis – сила) вошел во многие отрасли знания Нового времени и стал как бы символом их научного статуса (термодинамика, электродинамика, динамическая психология, в социологии Конта выделялись две части – статика и динамика).

Третье начало лежит в основе статики, раздела механики, изучающего равновесие тел под действием сил. Оно особенно важно для расчета инженерных конструкций – оснований и фундаментов различных сооружений и много другого.

50