Концепции современного естествознания

3.2 Методы естественнонаучного познания

Понятие «метод» (от греческого «методос» - путь к чему-либо) означает совокупность приёмов и операций практического и теоретического освоения действительности. Древнекитайский мыслитель Конфуций (552479 гг. до н.э.) утверждал: «Три пути ведут к знанию: путь размышления – это путь самый благородный, путь подражания – это самый лёгкий путь и путь опыта – это путь самый горький». Если в начале развития цивилизации преобладал благородный путь познания, то в настоящее время определяющим стал путь опыта, эксперимента, практики – самый трудный, но результативный путь познания окружающего мира. Метод вооружает человека системой принципов, требований, правил, руководствуясь которыми он может достичь намеченной цели. Владение методом определяет направление и последовательность действий при решении тех или иных задач. Видный философ 17 века Ф.Бэкон сравнивал метод познания с фонарём, который освещает дорогу путнику, идущему в темноте.

Существует целая область знания, которая занимается изучением методов познания и называется методологией. Методы научного познания принято подразделять по степени их общности, т.е. по широте применимости в процессе научного исследования. В истории познания известно два в с е о б щ и х метода: диалектический и метафизический. Метафизический метод основан на рассмотрении явлений в их неизменности и независимости друг от друга, он отрицает внутренние противоречия как источник их развития. Приблизительно с конца 18 века этот метод стал вытесняться из естествознания диалектическим методом, который рассматривает явления в их развитии и самодвижении.

О б щ е н а у ч н ы е методы познания используются в различных областях науки и подразделяются на эмпирический (основанный на непосредственном исследовании реально существующих объектов путём наблюдений, измерений, экспериментов) и теоретический (это более высокая ступень научного познания, здесь используются обобщённые понятия и представления, итогом которого становятся гипотезы, теории, законы). Оба общенаучных метода взаимосвязаны и дополняют друг друга.

Ч а с т н о н а у ч н ы м и называются такие методы познания, которые используются в каких-то конкретных науках, например, физические, биологические, химические методы и др.

На эмпирическом уровне познания основными методами являются наблюдения и эксперимент. На теоретическом уровне научного познания имеет место индукция, дедукция, анализ, синтез, аналогии, сравнения, моделирование. Научное познание строится из перекрёстного процесса исследований и рассуждений с различных точек зрения. Совпадение результатов, полученных разными методами исследований, дают уверенность в надёжности полученных знаний.

22

Научному познанию присущи строгая доказательность, обоснованность результатов и достоверность выводов. Но вместе с тем, здесь немало гипотез, догадок, предположений и т.п. Поэтому важное значение имеют методологическая подготовка и философская культура исследователя.

Несмотря на то, что научный метод позволяет нам правильно познавать и предсказывать явления природы, он имеет некоторую ограниченность. Границы научного метода пока ещё размыты. Это говорит о том, что реальный мир гораздо богаче и сложнее, чем его образ, который создаётся наукой.

3.3 Принципы познания в естествознании: причинность, наблюдаемость, отбор, симметрия. Критерии научности

В естественных науках существуют специальные принципы или правила, которые позволяют избегать ошибок и гораздо быстрее приходить к намеченной цели. К числу таких правил относят: принцип причинности, принцип наблюдаемости, принцип соответствия, принцип симметрии и другие. Рассмотрим кратко суть этих принципов.

Принцип причинности состоит в признании причинной обусловленности любого явления и необходимой связи причины и следствия. Причинность - это определённая форма упорядоченности процессов, явлений в пространстве и времени, связь между отдельными состояниями материи в процессе её движения. Причина – это то, что приводит к изменениям, а следствие – это те изменения, которые возникают при наличии причины. Причина и следствие могут переходить друг в друга, меняться местами, т.е. являются относительными и существуют в единстве. По времени причина всегда предшествует следствию.

Причинные связи носят объективный характер, на них основано научное познание действительности и организована практическая деятельность человека. Причинность - это одна из форм выражения д е т е р м и н и з м а - учения о всеобщей закономерной связи природных, социальных и психических явлений. Сущность детерминизма состоит в том, что всё существующее в природе, в мире возникает и уничтожается з а к о н о м е р н о, в результате действия каких-то причин.

Все явления природы о б у с л о в л е н ы, однако не все связи и отношения выступают одинаково: одни из них неизбежны, другие случайны. Поэтому причинность может проявляться в зависимости от свойств изучаемого объекта по-разному. В макроскопических процессах причинность может выражаться в форме однозначных динамических закономерностей, в микромире – через статистические (вероятностные) закономерности. В физике это называется квантово-механической причинностью.

Принцип наблюдаемости требует, чтобы в науку вводились не умозрительные, а н а б л ю д а е м ы е величины, т.е. величины, которые поддаются измерению.

23

Принцип отбора – это законы, выделяющие из возможных (виртуальных) состояний определённое множество допустимых, которые и проявляются в природе. В мире неживой природы – это законы физики и химии. Эти законы остаются справедливыми и в мире живого вещества, но здесь к ним добавляются ещё и свои, биологические.

К числу важнейших принципов отбора относят законы сохранения. Наиболее известные из них – законы сохранения вещества, энергии, импульса, заряда и др. Эти законы носят абсолютный, всеобщий характер. Согласие с законами сохранения ещё не означает, что интересующее нас явление может иметь место. Но если соответствующие законы нарушаются, то такие явления или процессы происходить не могут.

Принцип симметрии. В переводе с греческого симметрия означает соразмерность, пропорциональность , одинаковость в расположении частей . Античные философы считали симметрию и порядок сущностью прекрасного. Окружающий мир обладает многочисленными свойствами симметрии. Наиболее общие и фундаментальные из них – это симметрии пространствавремени, из которых вытекает существование фундаментальных законов сохранения и предельно возможной скорости движения, относительность пространственных и временных промежутков, тесная связь между материальными телами и геометрией пространства-времени.

Ссимметрией мы встречаемся повсюду: в природе, в технике, в науке,

вискусстве. Симметрия противостоит хаосу, она наблюдается везде, где есть хоть какая-то упорядоченность. В этом смысле симметричными являются такие явления, как смена дня и ночи, времён года, круговорот веществ в природе и др. Законы природы также подчиняются принципу симметрии, который в широком смысле означает неизменность свойств по отношению к разнообразным операциям (поворотам, отражениям, переносам и т.д.). Поэтому существуют поворотная, зеркальная, переносная и другие симметрии, которые называются геометрической симметрией.

Развитие материального мира сопровождается цепочкой нарушений симметрии.

Критерии научности представляют собой совокупность принципов, по которым научные знания могут быть отграничены (демаркированы) от знаний ненаучных. В 30-е годы 20 века таким принципом был провозглашён принцип верификации, т.е. возможность проверки, экспериментального подтверждения знания. Однако эта концепция была подвергнута критике, суть которой сводилась к утверждениям о том, что в науке кроме верифицируемых результатов, могут быть и такие, которые не сводятся только к экспериментам и непосредственно из них не следуют.

По мнению учёных, проверка гипотез на принадлежность к науке должна заключаться не только в поиске подтверждающих фактов, но и в реализации попыток опровержения (фальсификации) знания. Фальсифицируемость знания эквивалентна возможности экспериментального опровержения. Например, бесчисленное множество яблок падает вниз, но

24

достаточно хотя бы одному яблоку начать двигаться в другом направлении, как закон всемирного тяготения будет опровергнут.

В современной научной практике наряду с критериями верификации и фальсификации используются также и другие гносеологические критерии отличия и предпочтения знания – систематичность, непротиворечивость, когерентность, полезность, простота, красота.

3.4 Состояние физической системы

Физическая система – это совокупность материальных объектов, взаимодействующих между собой. В естествознании выделяются два больших класса рассматриваемых систем: системы неживой природы и системы живой природы. Каждая из этих систем имеет свои структурные уровни организации.

Состояние физической системы – это конкретная определённость системы, однозначно определяющая её эволюцию во времени. Для задания состояния системы необходимо: 1) определить параметры состояния системы. Например, для механической системы такими параметрами являются совокупность координат и импульсов всех элементов, составляющих эту систему; в равновесной термодинамике состояние системы описывается внутренней энергией и энтропией и т.д. 2)выделить начальные условия рассматриваемой системы; 3)применить законы, описывающие эволюцию данной системы (в механике это законы Ньютона, в термодинамике – законы термодинамики и т.д.)

Если система не обменивается с внешней средой ни веществом, ни энергией, ни информацией, то такая система называется закрытой (замкнутой, изолированной). В противном случае система будет открытой.

Все реальные системы являются открытыми – они обмениваются с внешней средой веществом, энергией, информацией. Закрытые системы представляют собой модели, абстракции.

3.5 ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ В ПРИРОДЕ

Одна из главных задач научной теории заключается в том, чтобы по заданному состоянию системы предсказать её будущее или восстановить прошлое этой системы.

Динамической теорией называется теория, основанная на динамических законах. Динамическим физическим законом называется закон, отражающий объективную закономерность в форме однозначной взаимосвязи физических величин, выражаемой количественно. Чаще всего динамические закономерности применяются к отдельным объектам или системам, состоящим из небольшого количества объектов и выражаются однозначной функцией от характеристик пространства и времени, например,

25

вида f (x,t). Казалось, что динамические теории несут наиболее фундаментальные, наиболее точные знания. Отсутствие полного однозначного описания какого-либо явления рассматривалось как следствие недостаточности информации. Примерами динамических теорий могут служить классическая механика, электродинамика Максвелла, теория относительности и др.

Абсолютизацию динамических закономерностей обычно связывают с

Лапласом - представителем классического детерминизма, согласно которому все явления в природе предопределены с жёсткой необходимостью. Отсюда утвердилось мнение, что только динамические законы полностью отражают причинность в природе. Полученные на их основе результаты имеют не только достоверный (с вероятностью, равной единице), но и однозначный характер.

В середине 19 века при рассмотрении механических систем, состоящих из огромного числа частиц, Максвелл пришёл к выводу, что такую задачу надо решать иначе, чем в классической механике. Для анализа таких систем Максвелл внедрил в физику понятие вероятности, разработанное математиками для анализа случайных процессов, и установил статистический закон распределения молекул по скоростям, который оказался достаточно простым и очевидным. Статистическая теория позволяет предсказывать лишь вероятности тех или иных значений физических величин. Примерами таких теорий являются молекулярнокинетическая теория, теория эволюции Дарвина, генетика и др. В статистических теориях состояние механической системы характеризуется не полным набором значений координат и импульсов, а вероятностью того, что эти значения лежат внутри определённых интервалов. Состояние системы задаётся с помощью функции распределения, зависящей от координат и импульсов всех частиц системы и от времени. По известным функциям распределения можно найти средние значения любой физической величины, зависящей от координат и импульсов, и вероятность того, что эта величина принимает определённое значение в заданных интервалах.

Со статистическими теориями в естествознание вошло понятие флуктуаций. Флуктуации – это случайные отклонения характеристик системы от наиболее вероятного или среднего значения. Динамические теории не учитывают и не допускают флуктуаций, а статистические теории не только допускают, но и выводят их на передний план. В настоящее время преобладает представление, что наиболее фундаментальными, т.е. наиболее глубоко и полно описывающими реальность, являются статистические теории. Противоречия между динамическими и статистическими теориями нет. Динамическая теория всегда играет роль приближения, упрощения соответствующей статистической теории. Это проявление принципа соответствия. Так для классической механики статистическим аналогом является квантовая механика, для термодинамикистатистическая механика и т.д. Единственным исключением является общая

26

теория относительности, статистический аналог которой – квантовая теория гравитации – ещё не создан, поскольку квантовые гравитационные эффекты должны проявляться в условиях, которые практически невозможно создать в лаборатории или обнаружить в современной Вселенной.

3.6 Термодинамический метод исследования макросистем. Понятие об энтропии

Единой мерой всех форм движения материи является энергия. Она характеризует физическую систему (а в общем случае любую термодинамическую систему) с точки зрения возможных в ней количественных и качественных преобразований. Есть различные формы существования энергии - кинетическая (связанная с движением), потенциальная (связанная с гравитационным взаимодействием), тепловая, электрическая, световая, ядерная, химическая и др. Термодинамика - это учение о связи и взаимных превращениях различных видов энергии, теплоты и работы. Следовательно, используя эти понятия, можно исследовать разные природные процессы: механические, тепловые, электромагнитные, ядерные и другие - и термодинамика выступает здесь как метод исследования. При этом здесь не учитывается молекулярное строение тел, на котором основана молекулярная физика. Термодинамика представляет собой динамическую теорию, а молекулярная физика – статистическую. В основе термодинамики лежат три закона.

Первый закон термодинамики является по существу законом сохранения и превращения энергии: Теплота, полученная телом, идёт на увеличение его внутренней энергии и на совершении этим телом работы. Из этого закона вытекает вывод о том, невозможен вечный двигатель первого рода, т.е такой, который бы совершал работу без подвода энергии извне.

Второй закон термодинамики продолжает мысль первого и утверждает, что не вся полученная телом теплота переходит в работу,

Другими словами: невозможен вечный двигатель второго рода, т.е. такой коэффициент полезного действия которого был бы равен единице. Второй закон термодинамики имеет множество эквивалентных формулировок, этот закон даёт представление о направленности термодинамических процессов в природе. Так, например, из собственных наблюдений мы знаем, что в изолированной системе, состоящей из тел с различной температурой, теплота самопроизвольно будет всегда переходить от того тела, температура которого выше, к тому, у которого температура ниже. Это утверждение - тоже одна из формулировок второго начала термодинамики. Обратный процесс невозможен; достигнув равновесия, система сама по себе из него не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приводящие к термодинамическому равновесию, необратимы. Двигатель, работающий только за счёт энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы фактически вечным двигателем (его называют вечным двигателем второго

27

рода), но второй закон термодинамики исключает возможность создания такого двигателя. В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные

термодинамики введём понятие энтропии. Энтропия является функцией состояния термодинамической системы и обозначается буквой S. Эта

Ценность различных видов энергии определяется тем, насколько легко данная энергия переходит в другие виды энергии и в работу. С этой точки зрения, менее всего будет цениться тепловая энергия, которую по сравнению, например, с механической или электрической, или ядерной энергиями труднее всего перевести в работу. Значит, энтропия тепловой энергии больше, чем, например, энтропия механической или электрической энергий.

2. Энтропия как мера вероятности состояния системы. Необратимость тепловых процессов, обусловленная колоссальным

числом молекул, из которых состоит тело, имеет вероятностный характер. Так, стремление молекул газа к наиболее вероятному состоянию приводит к беспорядку, хаосу, при котором примерно одинаковое количество молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, от наблюдателя и к наблюдателю. Процессы, связанные с созданием хаоса из порядка, увеличивают вероятность состояния. Выдающийся австрийский физик Л.Больцман, один из основоположников статистической физики, установил связь между энтропией S и термодинамической вероятностью состояния W:

S = k ln W,

где к – постоянная Больцмана. к =1,38Дж/К . Энтропия системы пропорциональна логарифму вероятности состояния этой системы. Система, предоставленная самой себе, стремится перейти в состояние с большей вероятностью. Таким наиболее вероятным состоянием является состояние равновесия.

3. Энтропия как мера беспорядка, мера хаоса, мера деградации системы.

С учётом вышеизложенного можно дать ещё одну формулировку второго закона термодинамики: все тепловые процессы, происходящие в замкнутой системе, сопровождаются увеличением энтропии. В случае полностью обратимых процессов энтропия остаётся без изменения.

S 0

Это соотношение по-другому называют законом (принципом)

возрастания энтропии в изолированных термодинамических системах.

28

Следовательно, все естественные процессы протекают в направлении увеличения хаоса, беспорядка. Отсюда становится ясно, почему механическое движение переходит в тепловое, а обратного перехода нет. – Да потому, что механическое движение упорядоченное, а тепловое – беспорядочно, хаотично.

В середине 19 века в науке широко обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной (ТСВ), суть которой в следующем. Применение второго закона термодинамики к Вселенной приводит к выводу о том, что со временем все виды энергии Вселенной превратятся в тепловую, температура всех объектов Вселенной станет одинаковой, все процессы во Вселенной прекратятся и наступит тепловая смерть Вселенной. Со временем проблема ТСВ была снята, прежде всего, по той причине, что второй закон термодинамики справедлив в закрытых системах, а Вселенная является незамкнутой, открытой.

Взаключение рассмотрения термодинамических методов

исследования приведём высказывание одного из основоположников неравновесной термодинамики бельгийского физика И.Р.Пригожина: «В истории науки второй закон термодинамики сыграл выдающуюся роль, далеко выходящую за рамки явлений, для объяснения сущности которых он был предназначен. Достаточно вспомнить работы Больцмана в области кинетической теории, разработку Планком квантовой теории излучения и Эйнштейном теории спонтанной эмиссии; в основе всех этих достижений лежит второй закон термодинамики».

Третий закон термодинамики гласит: энтропия равновесной системы стремится к нулю при приближении температуры к абсолютному нулю. Это утверждение называют тепловой теоремой Нернста (немецкого физико - химика, лауреата Нобелевской премии по физике 1920г.). Рассмотренные три закона завершают построение классической термодинамики, которую называют ещё термодинамикой равновесных процессов

3.7Процессы самоорганизации в природе. Понятие о синергетике

Впоследние десятилетия развивается представление о том, что материи изначально присуща тенденция не только к разрушению упорядоченности, но и к образованию всё более сложных и упорядоченных структур разного уровня. Выше отмечалось, что все реальные системы являются открытыми, т.е. они обмениваются веществом, энергией, информацией с окружающей средой и не находятся в состоянии термодинамического равновесия. В таких системах возможно образование нарастающей упорядоченности. – На этом возникло представление о самоорганизации вещественных систем. Материя способна осуществлять работу против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

29

Самоорганизация – это природные скачкообразные процессы, при которых открытая неравновесная система, достигнув критического состояния, переходит в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным.

Критическое состояние системы, в котором её параметры позволяют перейти ей в новое состояние, называется точкой бифуркации ( точкой разветвления). Устойчивых новых состояний, в которые может перейти неравновесная система, может быть несколько, и в какое именно состояние совершится переход, дело случая. Процессы самоорганизации исследуются по нескольким направлениям: термодинамика неравновесных процессов, математическая теория катастроф, синергетика и др. Термин «синергетика» был предложен в 70-х годах 20 века немецким физиком Г.Хакеном; в переводе с греческого это слово означает совместный, согласованно действующий. Синергетика рассматривает сложные системы самой разнообразной природыфизические, химические, биологические, социальные, экономические, процессы самоорганизации в которых описываются одинаковыми математическими моделями и подчиняются одним и тем же закономерностям. Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять следующим условиям: 1) система должна быть открытой, незамкнутой, т.е. она имеет возможность обмениваться с окружающей средой веществом, энергией, информацией; 2) система должна быть существенно неравновесной, из-за чего возникает критическое состояние, сопровождающееся потерей устойчивости; 3) выход из критического состояния осуществляется скачком, в результате которого образуется качественно новое состояние системы с более высоким уровнем упорядоченности. В таких условиях наблюдается согласованное поведение подсистем, которое приводит к возрастанию степени упорядоченности и соответственно к уменьшению энтропии. В качестве подсистем могут выступать атомы, молекулы, клетки , компьютеры и даже люди. Важно, что в открытых системах можно менять потоки энергии и вещества и тем самым управлять образованием диссипативных структур.

Рассмотрим некоторые примеры. Классическим примером возникновения структуры, т.е. упорядоченности, являются ячейки Бенара. Эффект заключается в том, что при нагревании слоя вязкой жидкости (например, масла) до определённой температуры в ней возникают упорядоченные структуры из шестиугольных конвекционных ячеек.

В химии известны так называемые химические часы. При определённых условиях некоторые химические реакции сопровождаются периодическими изменениями концентраций реагентов: с течением времени один реагент сменяется другим, затем вновь восстанавливается и снова исчезает. Получается периодический химический процесс в пространстве и времени, который называют реакцией Белоусова-Жаботинского.

Методами синергетики могут быть объяснены и некоторые процессы, происходящие в экономике. Например, переориентация капиталовложений с

30

увеличения производства на его модернизацию может привести к новому состоянию экономики – переходу от полной занятости к неполной ( со всеми вытекающими отсюда последствиями).

В социологии формирование общественного мнения , в процессе которого мнение одних членов группы влияет на мнение других и возникает коллективный эффект, может быть проанализировано методами синергетики.

Типичным объектом синергетики является лазер, рабочее вещество которого представляет собой сильно неравновесную систему. До порога лазерной генерации все атомы испускают некогерентное, несогласованное излучение, а выше порога генерации возникает строго когерентное монохроматическое излучение. Переход лазера в режим генерации подобен образованию ячеек Бенара.

Таким образом, возникновение порядка из хаоса в настоящее время исследуется во многих науках, в том числе в экологии, социологии, экономике, естествознании. Синергетика установила, что процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны. Материи присуща созидательная тенденция, она способна самоусложняться, самоорганизовываться.

Тренировочный ТЕСТ по теме 3

1.Научным методом называется:

1)способ познания, исследования явлений природы и общественной

жизни;

2) система приёмов в какой-либо деятельности;

3)совокупность приёмов целесообразного проведения какой-либо

работы.

2.На эмпирическом уровне научного познания происходит:

1)объяснение и обобщение фактов;

2)сбор фактов и информации;

3)предсказание новых явлений в рамках старых теорий.

3.Критерием истинности научного знания является принцип:

1)верификации;

2)неопределённости;

3)дополнительности.

4.Динамическая теория описывает:

1)поведение систем на основе вероятностных представлений;

2)строго детерминированное поведение систем во всё время их существования;

31