Предмет физики концепция современного естествознания. Познание. Методы познания. Концепции современного естествознания

Современный период развития естествознания

Мамедов Азиз Башир оглу,

доктор философских наук, профессор кафедры философии для естественных наук Бакинского государственного университета,

Рашадат Исмаил оглу Баширов,

кандидат биологических наук, доцент, заведующий кафедрой основ естествознания и общей биологии Сумгайытского государственного университета,

докторант кафедры философии для естественных наук

Бакинского государственного университета.

Каковы особенности современного периода развития естествознания или современного естествознания? Прежде чем ответить на этот вопрос окинем взором концептуально-методологические изменения, произошедшие в естествознании во второй половине XX века.

1. Первый признак, характеризующий современное естествознание - широкое распространение в его различных областях идеи и методов синергетики.

Синергетика – теория самообразования и развития свободных природных открытых сложных систем. Для того чтобы отразить наблюдаемые закономерности сложных систем используются применяемые в синергетике такие понятия как диссипативная структура, бифуркация, флюктуация, хаотичность, странные аттракторы, нелинейность, неопределенность, необратимость и т.д. Синергетика взаимодействует с системами сложного строения, образованными посредством хаотичных связей стоящих на различных уровнях развития. На такие системы можно смотреть как «эволюционное целое».

Аутсорсинг и аудит! Консалтинговые услуги! Юридическое сопровождение

Г.Хакен так описывает ключевые положения синергетики систем: синергетические системы состоят из несклонных или многих одинаковых или разнородных частей, которые находятся во взаимодействие друг с другом. Синергетические системы являются нелинейными; синергетические системы, которые изучаются в физике, химии и биологии как открытие системы находятся далеко от состояния теплового равновесия; синергетические системы подвержены внутренним и внешним колебаниям; так как синергетические системы открытие могут стать нестабильными; в синергетических системах обнаруживаются эмерджентные новые качества; в синергетических системах возникают пространственные, временные или функциональные структуры; новые структуры которые возникают в синергетических структурах могут быть упорядоченными или хаотичными.

Синергетика раскрывает внутренний взаимосвязь порядка и хаоса. До возникновении синергетики думали, что хаос есть хаос, он никак не может превратиться в порядок. Но, Хакен открыв закономерности открытых систем, тем самым доказал, что системный фактор состоит не в хаотичности, а в динамике, в взаимодействии. Хаос тоже динамична как и порядок. А это доказывает, что хаос вовсе не находятся в отрыве от порядка, в хаосе рождаются порядок, упорядоченность. Таким образом, если в классическом естествознании хаос играл чисто негативную роль, являясь символом дезорганизации, неструктурности и разрушения порядка, то в синергетике он выпускает в качестве конструктивного фактора. Так как с одной стороны, из хаоса или беспорядка возникает порядок, а с другой стороны – сам хаос представляет собой сложную форму упорядоченности.

Таким образом, синергетика изучает развивающуюся закономерность образования сложных структур от более простых структур. В этом случае синергетика исходит из принципа о том, что объединение структур не может быть заменено простой сборной операцией, здесь целое уже не совокупность ее частей, не больше и не меньше их, это целое просто новое качественное состояние.

Один из основоположников синергетики Г.Хакен выдвинул такой вопрос: какие общие особенности можно обнаружить в развитии различных природных и социальных систем? И он так отвечал на свой вопрос: общее – само по себе создание структуры; качественные изменения, происходящие на макроскопическом уровне; появление нового качества посредством эмерджентного способа; процесс самообразования, который встречается в открытых системах. По мнению Хакена, синергетический взгляд отличается от традиционного взгляда переходом от оценки простых систем к изучению сложных систем; от оценки закрытых систем к изучению открытых систем; от оценки линейных систем к изучению нелинейных систем; от оценки равновесия процессов к изучению их делокализации и нестабильности.

Несмотря на то, что зарождение синергетики связано с именами Г.Хакена, И.Пригожина и других на формирование ее основных идей, большое влияние оказали также диалектика Шеллинга, Гегеля, Маркса. Несмотря на то, что многие об этом умалчивают, один из основоположников синергетики И.ПРигожин, признавая это, писал, что «природа подтверждает существование иерархии в философии, когда каждый уровень требует предшествующий ему уровень». Согласно этому Пригожин однозначно отмечает, что идея истории природы, как составная часть материализма, принадлежала К.Марксу, была всесторонне развита Ф.Энгельсом.

Несмотря на признание Пригожина, часть современных ученых не видя связи между диалектикой и синергетикой, предполагала, что диалектика прекратила свое существование и поэтому ее нужно заменить синергетикой. Однако с такой идеей, конечно, нельзя согласиться, так как в довершение того, что существует общая теория развития и универсальный познавательный метод, диалектика – одно из больших достижений мировой философской мысли, им и останется.

2. Второй признак, характеризующий современное естествознание - закрепление теории цельности, осознание необходимости всестороннего глобального взгляда на мир.

Спрашивается: в чем заключается содержание парадигмы цельности?

Парадигма цельности проявляется в целом ряде явлений, в том числе в цельности, неразрывности явление природы, общества, биосферы, ноосферы, мировоззрения и других явлений. Одно из выпуклых проявлений цельности состоит в том, что человек находится не снаружи изучаемого объекта, а внутри. Он является частью, постоянно познающей целое. Академик В.И.Вернадский для разъяснения этой мысли писал, что история познания науки показывает, что без человека наука невозможна и наука это то, что создал человек…закономерности, встречающиеся в окружающем мире, человек превращает в свои слова, в свой ум».

Одна из закономерностей, наблюдаемая в последней четверти XX века, состоит в том, что природа объединяет науки, ускоряет сближение природно-научных и гуманитарных знаний, науки и искусства. Тогда как, не принимая во внимание субъект продолжительной деятельности, естествознание было занято изучением только природы, гуманитарные же науки изучали только человека, душу человека, познанием его различных аспектов проявляли еще больший интерес к выяснению связи социальных знаний и духовных структур человека. В то время как идея и принципы нашедшие развитие в современном естествознании, стали чаще появляться в гуманитарных науках и возникает противоположный процесс. Освоение саморазвивающихся систем «человекоизмерения» наукой стерла ранее непроходимые границы между методологией естествознания и методологией социального познания, стало причиной сближения этих областей знания. В связи с этим наблюдалось стремление к конвергенции двух культур – научно-технической и гуманитарно-эстетической, науки и культуры.

Известно, что уже несколько веков западная культура представляется как эталон, самое большое достижение в истории мировой культуры и неповторимый пример. Одна из тенденций, которая привлекает внимание в развитии современного естествознания, связана с выходом за границы западной культуры специальных наук. В настоящее время постепенно ученые все больше обращаются к традициям и методам восточной мысли. В наши дни высказываются мысли не только о сильных, но и о слабых сторонах европейского рационализма, широко обсуждается в научной литературе тема «Запад-Восток».

3. Третья особенность, характеризующая современное естествознание, заключается в укреплении в нем идеи коэволюции и в постепенном их распространении в более широком масштабе.

Известно, что произвол, связанный с изучением различных биологических объектов и уровней их формирования, идет из биологии. Сегодня понятие коэволюции охватывает все возможные обобщенные панорамы. Сущность идеи глобального коэволюционирования заключается в этом же. Это понятие, содержа в себе как материальности, так и идеальные системы, носит универсальный характер.

Понятие глобальной коэволюции органически связано с понятием «самоформирование». Отличие этих понятий только в том, что если понятие самоформирования связано со структц\урой, состоянием систем, понятие коэволюции связано с корреляцией отношений развивающихся систем и эволюционных изменений. Коэволюция состоит из молекулярно-генетического и биосферного уровня.

Коэволюция завершается единством природных и социальных процессов. Поэтому с целью системного и интенсивного исследования механизма коэволюционного процесса, на современном этапе развития науки необходимо достигнуть органического единства и постоянного взаимовлияния природно-научных и гуманитарных знаний.

4. Современное естествознание характеризуется изменением характера объекта исследования и усилением роли комплексного подхода в его изучении.

В современной методологической литературе постепенно наблюдается тенденция к заключению о том, что если объектом классического естествознания являлись простые системы, а объектом неклассического естествознания являлись сложные системы, то в современном естествознании внимание ученых все больше привлекают системы, формирующие новые уровни своего образования и находящиеся в историческом развитии открытые и самоформирующиеся сложные системы для определения облика современной науки требуют применения новых методологических принципов их познания.

В современной научной литературе отдельно отмечается целый ряд признаков самоформирующихся систем. Среди них главными являются следующие:

а) эти системы с точки зрения материи, энергии и восприятия информаций являются открытыми;

б) эти системы среди многих путей эволюции выбирают одну и с этого взгляда являются нелинейными;

г) в этих системах переход от одного состояния к другому носит хаотический характер;

д) невозможно предсказать результат протекания этих процессов;

е) в этих системах сильна способность изменять с целью, чтобы быть в активном взаимовлиянии со средой и с целью интенсификации их деятель­ности;

ж) в этих системах существует способность принимать во внимание опыт прошлого;

з) структура этих систем подвижна и изменчива.

Изменение характера объекта исследовано в современном естествознании сопровождается изменением методов подхода к нему и методов исследования. Если целью предыдущих уровней естествознания было изучение изолированных фрагментов реальности, цель современного естествознания – использование в своей деятельности комплексных исследовательских программ и межнаучных исследовательских методов.

5. Еще одна из отличительных особенностей современного естествознания – широкое применение во всех его областях философии и ее методов.

Философия своими научно-теоретическими их практико-содер­жатель­ными основами проникает во все области современного естествознания. Функции философии на современном этапе естествознания: антологическая, гносеологическая, методологическая, мировоззренческая, аксеологическая, предсказывающая, социальная. Эти функции оказывают более активное влияние, чем в прежние этапы.

6. Одной из специфических особенностей современного естествознания также является господство в ней методологического плюрализма, который вытекает из познания методологии, в том числе ограниченности, односторонности диалектического материализма. Сложившуюся в естествознании подобную ситуацию американский научный методолог П.Фейерабенд очень метко выразил в словах: «Все возможно». Еще в свое время видный немецкий физик В.Хейзенберг отмечал, что мы не можем ограничить методы нашего мышления только философией. В связи с этим, он считал неправильным объявление «единственности и истинности какого-либо метода и тем самым отказывается от методологических концепций. В современном естествознании нельзя ограничиться только логикой, диалектикой и эпистемологией. Для того, чтобы адекватно оценить реальность современному естествознанию необходимы интуиция, фантазия, воображение и другие факторы.

7. Из недавно сформированных особенностей современного естествознания – широкое проникновение в него деятельности человека, объединение объективного мира с миром человека, устранение пропасти между объектом и субъектом.

Еще в классический период естествознания стало известно, что новые открытия демонстрируют «субъективность в законах физики» (А.Эддингтон), «формирование единства объекта и субъекта и то что между ними нет непроходимой границы» (Э.Шредингер), «различные аспекты тождественной реальности сознания материи». В современном естествознании эта тенденция еще более усиливается. Один из основоположников квантовой механики В.Хейзенберг отмечал, что уже в его время можно говорить не об узаконенной в естественных науках природной картине, а о картине отношения человека к природе. Поэтому с одной стороны, объективные события, протекающие в пространстве и во времени, с другой стороны деление на существующие аспекты субъективного отражения этих событий не может считаться опорой в понимании науки ХХ века. Результат умозаключений Хейзенберга заключается в том, что в центре внимания современного естествознания должна находиться не сама природа, а «сеть взаимовлияния человека с природой». Природа – как отсутствие автомата, который бы говорил только те слова, которые хотел бы услышать ученый; так же и научное исследование не является монологом, это прежде всего диалог ученого с природой. А это значит, активное познание природы человеком, в лучшем случае является частью внутренней деятельности.

8. Современное естествознание также характеризуется глубоким проникновением во все его области идеи развития, а также «историзацией», «диалектизированием» (как разновидности развития). И.Пригожин писал по этому поводу: «Существует не только история жизни, но и история всей Вселенной и это может привести к важным заключениям». Самое главное из этих заключений - необходимость перехода к высшей форме мышления – к диалектике, включающей теорию логики познания. Видный ученый нашего времени, лауреат нобелевской премии И.Пригожин уверен, что мы на пути к новой концепции, ведущей к единой панораме мира.

Характеризуя в общем научное мышление, известный физик и научный методолог К. Фон Вайцзеккер пишет, что одной из основных тендеций современной науки является превращение ее в науку о развитии. Тем самым современное естествознание подтверждает идею Гегеля и Энгельса о том, что представителям естествознания необходимо овладеть методом диалектики.

9. Отличительной особенностью современного естествознания также является увеличение математизирования естественных наук, особенно физики, повышения уровня абстрактности и сложности этих наук.

В науке ХХ века резко увеличилась роль математических вычислений, так в различных областях естествознания ответы на задания, требующие решения, в большинстве случаев необходимо представить в словесной форме. Математическое моделирование в настоящее время превратилось в существенный признак научно-технического процесса. Сущность этого вида моделирования состоит в замене исследуемого объекта соответствующими математическими моделями и в проведении специальных экспериментов по их исследованию посредством вычислительно-логических алгоритмов в ЭВМ. В связи с последними достижениями синергетики моделирование в современной науке приобрело новую форму.

10. Другая особенность современного естествознания – способность зарождаться на основе принципов глобального эволюционирования.

Установление эволюционных идей имеет длинную историю. Уже в XIX веке эти идеи нашли применение в геологии, биологии. Однако вплоть до современного периода эволюционный принцип не стал господствующим принципом в естествознании. Причиной этому послужило проникновение выполняющего долгое время в естествознании лидирующую функцию принципа развития в значительную часть истории физики, в ряд ее постулатов.

Представления об универсальности эволюционных процессов, происходящих во Вселенной, реализовались в науке в концепции глобального эволюционирования.

Эта концепция, основываясь на биологию, астрологию, геологию экстраполировала идеи эволюционирования во все сферы реальности и рассматривала все живое, неживое, социальную материю как единый универсальный процесс эволюции. Идея глобального эволюционирования продемонстрировала переход главного принципа естествознания – принципа историзма в диалектический способ мышления.

Каждая из естественных наук отдала свою дань обоснованию универсального эволюционирования. Однако, в результате обоснования этой концепции в ХХ веке три важных концептуальных направления науки приобрели определенную важность: первое – не стационарная теория Вселенной, второе – синергетика, третье – теория биологической эволюции и развивающиеся на основе этой теории концепции биосферы и ноосферы.

Концепция глобального эволюционирования выполняет следующие функции:

1) объясняет взаимосвязь самоформирующихся систем различной степени сложности и генезис новых структур;

2) рассматривает живое, неживое и социальную материю в диалектической взаимосвязи;

3) создает базу для рассмотрения человека как объекта космической эволюции, как закономерную ступень развития Вселенной;

4) формирует основу синтеза современных научных знаний;

5) формирует важный принцип исследования объектов нового типа - самоформирующихся систем.

В настоящее время ученые пытаются создать единую физическую теорию мира, которая содержала бы в себе все взаимовлияния и которая бы основывалась на синтезе релятивистских и квантовых идей. Аналогичное явление наблюдается и в других науках. Например, математики пытаются объяснить устройство математики на основе теории единства множеств. Биологи же на основе принципов теории эволюционного синтеза генетики и современной молекулярной биологии пытаются создать единую теоретическую биологию.

11. Знаменательной особенностью современного естествознания является также понимание его как природного организма. В настоящее время природу рассматривают не как совокупность изолированных друг от друга объектов или как их механическую систему, а как целое, в котором в определенных границах происходят изменения, и как живой организм. Нарушение этих границ может стать причиной изменения системы, перехода ее в качественно новое состояние. Постепенно укрепляются гармонические связи и взаимовлияние между людьми, между людьми и природой. В рамках такого подхода к природе человек уже чувствует себя не хозяином и не работ природы, а ее органической частью. В настоящее время формируется новая наука под названием «Этика биосферы». Эта наука будет изучать не только этические отношения между людьми, но и взаимные этические отношения между человеком и природой.

12. И наконец, характерной особенностью современного естествознания является также то, что эта форма мышления понимает мир не только как систему гармонии, благозвучности, закономерности, но и как систему нестабильности, неустойчивости, транссизма, хаоса, неопределенности.

Все сказанное показывает, что в развивающемся изучении мира необходимо обязательно принять во внимание его два взаимосвязанных аспекта: стабильность и нестабильность, порядок и хаос, определенность и неопределенность.

Принятие же неустойчивости и нестабильности как фундаментальных характеристик устройства мира безусловно требует применения в процессе познания новых методов и способов, являющихся по своей сути диалектическими.

Литература

1. Борн М. Размышления и воспоминая физика. М., 1977.

2. Борн М. Физика в жизни моего поколения. М., 1973

3. Вернадский В.И. О науке. Дубна, 1997.

4. Гейзенберг В. Шаги за горизонт. М., 1987.

5. Дажо Р. Основы экологии. М., 1975.

6. Князева Е.Н. Синергетика как новое мировидение: диалог с Пригожиным // Вопросы философии, 1992, №12.

7. Князева Е.Н., Курдюмов С.И. Синергетика как новое мировидение: диалог с Пригожиным // Вопросы философии, 1992, № 2.

8. Мамедалиева С. Химия и экология. Баку, «Элм», 1993.

9. Мамедов Б.А. Научное познание и диалектика его развития. Баку, 1998.

10. Одум М. Основы экологии. В двух томах. М.,1986.

11. Париев Е.И. На перекрестке бесконечностей. М., 1967.

12. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. М., 1986.

13. Проблемы методологии постклассической науки. М., 1992.

14. Стапин В.С., Кузнецова Л.Ф. Научная картина мира в культуре техногенной цивилизации. М., 1994.

15. Фейерабенд П. Избранные труды по методологии науки. М., 1986.

16. Фейнберг Е.Л. Эволюция метологии в ХХ веке // Вопросы философии, 1996, № 7.

17. Философия природы. Коэволюционная стратегия. М., 1985; Родин С.Н. Идея коэволюции. Новосибирск, 1991.

18. Эйнштейн А, Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.

1. Роль естествознания в развитие общества. Наука, техника, гуманизация

Современная наука возникла в Европе в период 15-17 вв. в период становления капиталистического способа производства. Наука - это форма духовной деятельности человека по получению нового знания о природе, обществе и самом знании. Наука разделена на множество отраслей знания (частных наук), которые различаются между собой тем, какую сторону действительности.

По предмету и методу познания можно выделить науки о природе - естествознание, и обществе - обществознание (гуманитарные, социаль­ные науки), о познание, мышлении (логика, гносеология и др.). От­дельную группу составляют технические науки. В свою очередь каждая группа наук может быть подвергнута более подробному членению. Так, в состав естественных наук входят механика, физика, химия, биология и др., каждая из которых подразделяется на научные дисциплины - физи­ческая химия, молекулярная химия и т.д. Могут быть и другие критерии для классификации наук. Так, по своей удаленности от практики науки можно разделить на два крупных типа: фундаментальные, где нет прямой ориентации на практику, и прикладные - непосредственно решающие практические задачи.

С развитием новой науки возникла необходимость более глубокого разделения ее на специальные дисциплины, для более тщательного и глубокого изучения отдельных явлений и процессов определенной об­ласти действительности. Естественные науки, получившие свое граждан­ство с 18 в., - это совокупность всех наук, занимающихся иссле­дованием природы. Главные сферы естественных наук - материя, жизнь, человек, Земля, Вселенная.

Взаимодействие естествознания и общества всегда было непростым. Сначала науку рассматривали как средство покорения природы. Использование достижений науки меняло само общество и его жизнь, прежде всего его экономику. Но начиная со второй половины 20 в. в связи с угрозой ядерной и биологической войны появилось негативное отношение к науке.

Наука, и в том числе естествознание становиться для общества основой для практической деятельности. Со временем она становится производительной силой общества. От развития науки зависит развитие техники - орудий труда, мастерства, умения. Для современного общества характерна все более крепнущая связь науки, техники и производства.

В настоящее время все большее значение приобретает гуманистический аспект науки, складывается особая дисциплина - этика науки. В условиях научно-технического прогресса особенно актуальны нравственные оценки научных открытий - можно ли вмешиваться в генное строение человека, совершенствовать биотехнологию и даже конструировать новые формы жизни?

2. Основные этапы развития естествознания. Революция в науке

Наука представляет собой продукт развития мысли древних греков. Наука в древнегреческой культуре представляла собой целостную науку. Зачатки мышления, идущие в плане частных наук, появились под влия­нием Аристотеля и его школы, таких великих врачей, как Гиппократ, Гален. Но это не нарушало целостность науки и картины мира. В эпоху христианского средневековья наука так же разрабатывалась как гармо­ническое целое. Только в конце средних веков произошла подмена поня­тия «наука» понятием «естествознание» Эта новая наука начала свое триумфальное шествие с эпохи Возрождения, когда была признана воз­можность математического описания результатов, полученных экспери­ментальным путем. Эта новая форма приобрела столь большое значение, что Кант оценивал частные науки в зависимости от степени применения в них математики. Под влиянием экспериментально-математической науки коренным образом изменилось мировоззрение европейца и усилилось его влияние на духовную жизнь остального мира. В особенности оно воз­росло благодаря подведению строгого строго научного фундамента под возникшую из медицины технику, которая базировалась до этого исклю­чительно на ремесленном опыте.

Дифференциация научного знания была необходимым этапом в разви­тии науки. Частные науки классифицировались с точки зрения их пред­мета или метода. В результате, в какой-то степени, утрачивалось по­нимание истинной цели науки о мире в целом, а действительности - как единого целого.

Революция в науке - это переворот. Развитие науки долго шло постепенного, непрерывного накопления знаний, но развитие не сводится только к простому накоплению знаний. Наиболее радикальные изменения в науке связаны с научными революциями, которые сопровождаются пересмотром, уточнением и критикой прежних идей, программ и методов, т.е. всего, что называется парадигмой науки. В последние десятилетия началась кардинальная революция, принципиально изменяющая отношение мира человека и мира природы. В марксистской терминологии - это «научно-техническая революция», по цивилизационной типологии Тоффлера - это «социо-техническая революция». Иногда ее называют информационно-компьютерной революцией. Основой этой революции является создание и развертывание электронно-компьютерной и биотехнологической технологий. Ее результатом может стать новая информационная цивилизация.

3. Фундаментальное единство естественных наук. Наблюдение, эксперимент, теория

Если окружающий нас мир един и образует единое и целостное образование, то и знание о нем имеет фундаментальное единство. И хотя наука разделена на дисциплины, но существуют фундаментальные законы отображающие единство и целостность природы, законы составляющие фундаментальное единство естественных наук.

Наблюдение - это первоначальный источник информации, но в основе наблюдений лежит теория, идея.

Эксперимент - важнейший метод эмпирического исследования, для наблюдения процессов в условиях, меньше всего подверженных воздействию посторонних факторов. Измерения являются дополнением любого эксперимента.

На теоретической стадии строят гипотезы и теории, открывают законы науки. Затем гипотезу проверяют экспериментом. Если результаты эксперимента не совпадают с гипотезой, то опровергается сама гипотеза. Но это возможно поспешный вывод, проводятся разнообразные эксперименты и их достоверность зависит от уровня развития науки и техники.

Единство естественных наук подтверждает и междисциплинарные методы исследования, например системный метод. Хотя системы, встречающиеся в природе имеют разное строение и разные признаки, но все они самоорганизующиеся системы, и нельзя противопоставлять живые и неживые системы, новые результаты проливают свет на проблему возникновения живого из неживого.

4. Разделение естествознания на научные дисциплины. Структурные уровни организации материи. Микро, макро, мега мир. Их основные характеристики

В конце средних веков возникло поня­тия «естествознание» Эта новая наука начала свое триумфальное шествие с эпохи Возрождения, когда была признана воз­можность математического описания результатов, полученных экспери­ментальным путем.

С развитием новой науки возникла необходимость более глубокого разделения ее на специальные дисциплины, для более тщательного и глубокого изучения отдельных явлений и процессов определенной об­ласти действительности. Естественные науки, получившие свое граждан­ство с 18 в., - это совокупность всех наук, занимающихся иссле­дованием природы. Главные сферы естественных наук - материя, жизнь, человек, Земля, Вселенная - позволили сгруппировать их следующим об­разом:

1. физика, химия, физическая химия

2. биология, ботаника, зоология

3. анатомия, физиология, учение о происхождении и развитии, учение о наследственности

4. геология, минералогия, палеонтология, метеорология, география

5. астрономия вместе с астрофизикой и астрохимией.

Математика, по мнению ряда натурфилософов, не относится к естествен­ным наукам, но является решающим инструментом их мышления.

В наше время стало модой говорить о законах природы и общества. Применительно к природе это, строго говоря, неверно. Природа не знает законов. Это мы придумываем их, пытаясь хотя бы как-то систематизировать происходящее. Термин “закон природы” следует понимать в том смысле, что природные явления повторяемы и, следовательно, предсказуемы. Как бы-то ни было, повторяемость природных явлений дает возможность науке формулировать законы, которые принято называть законами природы. В их исследовании человечество руководствуется некоторыми чрезвычайно общими принципами, облегчающими процесс изучения природных явлений.

Один из наиболее общих естественнонаучных принципов - принцип причинности , утверждающий, что одно природное явление порождает другое, являясь его причиной.

Существование цепочки причинно-следственных связей позволяет иногда сделать выводы общего характера. Так, опираясь только на непрерывность цепочки причин и следствий, немецкий судовой врач Роберт Майер сумел сформулировать закон сохранения и превращения энергии, являющийся фундаментальным законом современного естествознания.

Обратите внимание на то, что вопрос “почему”, строго говоря, неправомерен. Мы не знаем и, по-видимому, никогда не узнаем конечной причины ни одного природного явления. Правильнее было бы спрашивать “как”. Какой закономерностью описывается данное явление?

Наука в своем развитии работает над выявлением все более и более глубоких причин природных явлений. Этот процесс дает теологам основание утверждать, что в конечном итоге научный процесс должен привести к определению конечной причины, т. е. Бога, и в этом пункте наука и религия сольются.

Другим общим принципом является принцип Кюр и. Он назван по имени того самого Пьера Кюри, который вместе со своей женой Марией Склодовской — Кюри открыл химический элемент радий. Кроме этого Пьер Кюри за свою недолгую жизнь сделал еще довольно много научных открытий. По-видимому, важнейшим из них является принцип Кюри.

Представьте себе некоторое качество А. Например, электрический заряд или, скажем, рыжий цвет волос, или еще какое-нибудь качество. Вряд ли оно будет равномерно распределено в пространстве. Вероятнее всего в пространстве будет существовать градиент (Градиентом скалярной функции называют вектор, направленный в сторону скорейшего возрастания этой функции. Величина градиента равна производной от этой функции, взятой по направлению ее скорейшего возрастания) этого качества.

Принцип Кюри утверждает, что если существует градиент некоторого качества А, то неизбежно возникнет перенос этого качества в сторону его недостачи, причем поток качества А, т. е. его количество, переносимое через единичную площадку в единицу времени, пропорционален величине этого градиента.

Представьте себе пространственное распределение товара под названием лавровый лист в нашей стране. Максимум его приходится, конечно же, на субтропические зоны Кавказа, а минимум его, что вполне естественно, приходится на районы Крайнего Севера. Налицо градиент лаврового листа. Согласно принципу Кюри существование такого градиента приведет к возникновению переноса лаврового листа с районов Кавказа на Север.

Существует огромное число эмпирических законов из области физической и химической кинетики от закона Ома и до классического уравнения диффузии, являющихся следствиями принципа Кюри. Мне кажется, что экономистам следует очень внимательно отнестись к этому принципу. Ясное его понимание позволит избежать массы ошибок.

Чрезвычайно продуктивным в научном отношении является уже упоминавшийся ранее принцип двойственности (дополнительности) . Он основан на двойственной природе познания. Вы, наверное, уже обратили внимание на существование парных понятий, совместно определяющих взаимоисключающие стороны целого. Выделение таких частей является существенной частью процесса познания.

Описывая что бы то ни было, мы прибегаем к абстракции — выделению сторон изучаемого, важных в данном отношении. Несущественные стороны обычно опускаются из рассмотрения. В дальнейшем, если выбранная абстракция оказывается плодотворной, она замещает исходное представление об изучаемом явлении. При этом отброшенные стороны явления опускаются из рассмотрения, даже если они являются весьма существенными.

Принцип двойственности

Принцип двойственности предписывает нам при описании чего бы то ни было одновременно рассматривать две взаимоисключающие стороны. В зависимости от обстоятельств более существенной может оказаться одна из них. В других обстоятельствах важнее окажется другая. Если, пытаясь решить какую-нибудь задачу, вы встретились с непреодолимыми трудностями — попробуйте подход, основанный на альтернативных представлениях. Весьма вероятно, что он окажется удачным.

Кто из вас скажет, что такое свет? В школе вам объясняли, что это электромагнитная волна. Это представление принято в классической парадигме и в общем неплохо описывает свойство света. Однако, как вы знаете, свет состоит из отдельных частиц — фотонов. Без этого представления невозможно объяснить фотоэффект, эффект Комптона и многое другое. Так что же такое свет — это волна или поток частиц? При изучении свойств света допустима и та и другая абстракция. Согласно принципу двойственности избежать ошибок в описании возможно, проводя и то и другое описание параллельно

Принцип суперпозиции

Принцип суперпозиции утверждает, что результат воздействия на материальную систему двух факторов может быть представлен в виде суперпозиции (наложения) воздействия каждого из этих факторов, действующих независимо друг от друга. В этом принципе неявно предполагается, что при наложении факторы не возмущают друг друга. Принцип обладает меньшей степенью общности, чем принцип Кюри. Однако во многих случаях оказывается весьма полезным.

Принцип симметрии

Принцип симметрии основан на изначальных представлениях об однородности и изотропности пространства. Предполагает инвариантность природных процессов к преобразованиям симметрии. Основываясь на принципе симметрии, Эмми Нетер показала, что основополагающие физические законы сохранения энергии и импульса (количества движения) являются следствием однородности и изотропности пространства.

Принцип симметрии использует интуитивное представление о полном равноправии правого и левого. Тем более удивительной должна показаться вам “левая” ориентированность живой природы. Вам, по-видимому, известно, что молекулы многих природных соединений закручены наподобие пружины. Такую закрученную структуру имеет, например, сахар или входящий в ваши организмы холестерин. Спиральную структуру имеют многие ферменты растительного и животного происхождения. Если получать такие соединения путем химического синтеза, то в полном соответствии с принципом симметрии получается примерно одинаковое количество молекул, закрученных по правой и по левой спирали. Так вот, все живое на нашей планете состоит из молекул, закрученных по левой спирали. Обратите внимание, что и сердце у вас смещено влево, а не вправо. Почему это так, науке еще предстоит выяснить. Пока же отметим, что принцип симметрии, сколь бы соблазнительно очевидным он ни выглядел, является весьма и весьма ограниченным.

Еще более ограниченным, хотя от того и не менее плодотворным является принцип подобия. Согласно этому принципу после известного преобразования уравнения, описывающие подобные системы, оказываются одинаковыми.

Возьмем, к примеру, так называемые малые колебания. Оказывается, что после некоторых математических преобразований колебание груза, подвешенного на ниточке, и электрического тока в колебательном контуре могут быть описаны одним и тем же уравнением. Принцип подобия удается применить, увы, не всегда. Однако, если в процессе своей практической деятельности вы сумели обнаружить подобие между какими-то группами явлений, — считайте, что успех вам обеспечен.

Принцип относительности

Согласно принципу относительности не существует абсолютного движения. А следовательно, не существует и абсолютного пространства, абсолютного времени и т. п. Этот принцип подразумевает, что протекание природных процессов не зависит от того, какую точку зрения занимает наблюдатель, их описывающий. Был выдвинут Альбертом Эйнштейном в качестве одной из основ частной теории относительности. Оспаривался многими учеными. В настоящее время прочно вошел в инертное ядро современной научной парадигмы.

Прямым следствием принципа относительности является принцип инвариантности законов природы к преобразованиям системы отсчета, в которой они были сформулированы. Принцип инвариантности утверждает, что вид основных уравнений, описывающих природные явления, не зависит от преобразования координат и времени, входящих в эти уравнения.

Краткий курс лекций по предмету

«Основы современного естествознания»

Предмет и содержание современного естествознания

Естествознание – наука о природе; совокупность естественных наук, взятая как целое. Земля, на которой мы живем. Вселенная, простирающаяся вокруг нас, живая и неживая материя, которую мы познаем в своих ощущениях, и, наконец, сам человек – вот то, что изучает естествознание.

Другими словами, предметом естествознания являются различные виды материи и формы их движения, проявляющиеся в природе, их связи и закономерности. Современное естествознание образуется из таких областей научного знания, как:

· Физика, взятая как совокупность дисциплин;

· Химия органических и неорганических соединений;

· География, геология, минералогия, метеорология;

· Астрономия, астрофизика, астрохимия;

· Биология – от систематики до молекулярной биологии

· Науки о человеке

В обобщенном виде можно сказать, что естествознание состоит из таких последовательно вложенных друг в друга основных частей как физика, химия, биология и психология.

· Все эти науки в отдельности и все естествознание в целом основывается на логически обоснованной и общеупотребительной математике.

Математика во всем многообразии дисциплин является универсальным инструментом для научного познания. Необходимая для всего точного естествознания математика начинается с простейшего счета (арифметики) и со всевозможных простейших измерений (простейшей геометрии Евклида). По мере своего развития естествознание использует все более совершенную математику, вплоть до высшей.

Естествознание изучает мир, как он есть, в его естественном состоянии, взятом как единое целое. Естествознание изучает нашу планету, ближний и дальний Космос, твердое вещество, жидкости и газы, живое вещество и человека, как продукт природы.

Естествознание – неотъемлемая и важнейшая часть духовной культуры человечества. Необходимо знать современные фундаментальные научные положения, наиболее общие мировоззренческие и методологические представления о естествознании, так как отдельные отрасли знания – естественные, технические, социальные, гуманитарные в отрыве одна от другой не могут дать целостную картину природы, общества и человека.

В наше время происходит всемирная гуманитарно-экологическая революция, сменяющая научно-техническую, или проще технический взрыв, базировавшийся на накопленном знании в XIX–XX вв. В 1687 г, когда в свет вышла основная работа И. Ньютона «Математические начала натуральной философии» физический мир представлялся ученым цельным и взаимосвязанным. Казалось, что его можно описать с помощью небольшого числа компактных формул. Так Ньютон в своей работе описывает три закона движения – закон инерции, закон пропорциональности силы и ускорения, закон равенства действия и противодействия, из которых выводиться большое число следствий, образующих фундамент классической механики и классической физики. В этом же произведении, из взаимного тяготения тел, пропорционального их массам и обратно пропорционального квадрату расстояния между ними, Ньютон вывел установленные И. Кеплером законы движения планет. Вряд ли Ньютон либо кто-нибудь другой мог предполагать, как разовьется в будущем фундаментальная наука.


Еще сравнительно недавно физика казалась химикам и биологам закрытой сектой, члены которой смотрят на непосвященных свысока и общаются между собой на непонятном языке. Это было время бурного развития теории элементарных частиц, первых экспериментов на больших ускорителях (синхрофазотронах), уверенности в скором решении проблемы получения термоядерной энергии, популярных изложений теории относительности и квантовой механики. Позже появились научно-популярные статьи, и широкая публика смогла получить хоть какое-то представление обо всем этом. Наступила пора узкой специализации, когда даже специалисты, работающие в смежных областях физики или другой науки, перестали понимать друг друга. Чтобы оценить сделанное соседом по смежной теме, требовались специальные знания. Ушли в прошлое времена, когда универсалы могли заниматься то электричеством, то теплотой, то разрабатывать математические методы. И вот, через 300 лет после Ньютона из-за обилия новейших специальных знаний возникла острая потребность в универсальности.

Тенденция, обратная специализации, существовала всегда. Сейчас она возобладала, появились смежные дисциплины, такие как кибернетика, биофизика, биохимия, радиобиология, геохимия, геофизика и др. В объединении усилий специалистов разных отраслей знаний очень часто кроется путь к решению проблем, которые раньше не могли быть решены методами одной науки. Ярким примером может служить расшифровка генетического кода: при его раскрытии использовали и сугубо биологические (генетические) достижения, и методы экспериментальной физики (рентгено-структурный анализ), методы биохимии и математические расчеты.

Современная наука переживает фазу синтеза и наведения мостов между еще недавно весьма далекими друг от друга областями. Учитывая тенденции к объединению идей самых различных отраслей знаний, отмечая аналогии в окружающем нас мире, исходя из способности систем самой различной природы к самоорганизации можно, в общем, рассматривать Вселенную, нашу планету, неживую и живую материю, человека и его воздействие на природу. Это даст возможность прогнозировать будущее планеты и человечества, корректировать его техногенную деятельность.

Последнее десятилетие в естествознании характеризуется интенсивным развитием таких наук, как социобиология, этология, экологическая этика, биополитика.

Социобиология (от социо- и биология) - междисциплинарная наука (научное направление), сформировавшаяся в середине 70-х годов на стыке нескольких научных дисциплин – эволюционной биологии, этологии и социологии. Изучает генетические основы социального поведения животных и человека. Другими словами, социобиология пытается объяснять поведение живых существ набором определенных преимуществ, выработавшихся в ходе эволюции. Эта наука часто рассматривается как ответвление биологии и социологии. В то же время исследовательское поле социобиологии пересекается с изучением эволюционных теорий, зоологией, генетикой, археологией и другими дисциплинами.

Социобиология оказалась одной из самых неоднозначных и противоречивых научных дисциплин второй половины 20 века. Всё началось в 1975 с публикации книги энтомолога Эдварда Уилсона Sociobiology: The New Synthesis. Книга была первой попыткой объяснить такие типы социального поведения животных (в основном, муравьев, так как это была специализации Уилсона) как альтруизм, агрессия и т. п. при помощи эволюционных механизмов. В этой книге лишь последняя глава касалась поведения людей. Позднее Уилсон напишет книгу On Human Nature (социобиология о поведении людей). Эта книга принесёт автору Пулитцеровскую премию.

Этология - полевая дисциплина зоологии, изучающая поведение животных (изначально - людей). Тесно связана с зоологией, эволюционной теорией, физиологией, генетикой, сравнительной психологией, зоопсихологией. Основоположник этологии, лауреат Нобелевской премии Конрад Лоренц, называл этологию «морфологией поведения животного». Термин «этология» взят из греческого языка, слово этос- в греческом языке означает нравы, характер, привычка, обычай .

Этологию можно противопоставить сравнительной психологии , которая также изучает поведение животных, но объясняет его с точки зрения психологии. Сравнительная психология рассматривает изучение поведения в сравнении с психологией человека, этология же рассматривает поведение животных в контексте того, что мы знаем о анатомии и физиологии животного. Кроме того, ранние работы по сравнительной психологии в основном были устремлены на изучение обучения и соответственно тяготели к исследованию поведения в искусственных ситуациях, а ранняя этология изучала поведение в естественных условиях, уделяя внимание описанию инстинктивного поведения.

Экологическая этика - это междисциплинарная комплексная область исследования, сформировавшаяся на стыке экологии и классической этики. Экологическую этику еще иногда называют природоохранной, зеленой, энвайроментальной. Предметом экологической этики является обоснование и разработка этических принципов и правил, регулирующих моральные отношения человека к природе и отдельным ее представителям. Методами экологической этики являются: диалектический метод, системный метод, эволюционный метод, экстраполяция, наблюдение, [эксперимент] и другие общенаучные и частнонаучные теоретические и эмпирические методы, в зависимости от конкретных ситуаций. Экологическая этика мотивирует природоохранные действия в двух направлениях:

Люди действуют или избегают действий из соображений и ради блага самой природы, охраняют природу ради нее самой;

Эти действия совершаются из морального принципа, без каких-либо корыстных интересов человека, а то и ему во вред.

Биополитика – отрасль науки, представляет своего рода "кентавра" с биологическим туловищем и политической головой. На базе биологических данных и концепций и, в особенности, исследований биосоциальных систем на разных уровнях эволюции она стремится подойти к анализу проблем политики. Это направление исторически родилось в недрах американской политологии – науки об управлении государством в самом широком смысле, т.е. науки о политической системе общества. Политологи были озабочены недостаточностью теоретической базы своей науки и, в частности, явно недостаточным вниманием к природе человека как единственного действующего лица на политической арене.

Биополитика - одно из основных научно-философских направлений социобиологии, целью которого является раскрытие и изучение биологических законов, лежащих в основе поведения людей. В настоящей работе под этим термином понимаются политические коллизии и конфликты, связанные с социальным контролем психологических функций человека. То, что XXI век станет «веком биологии» уже никто не сомневается. Достаточно напомнить появившиеся новые термины: «биологизация социальных и гуманитарных наук», «геном человека» (недавно расшифрован учеными), «биоинформатика», «биокультурология», «биотехнология», «биоэтика», а также «биотерроризм». Одним словом, биология за последние годы вносит существенный вклад в разработку сложных концепций культурного и экономического развития человечества. Новые ее достижения, например, генные технологии (клонирование организмов, стволовые клетки), помогают избавиться от многих неизлечимых ранее болезней у человека. Достижения генной инженерии дают возможность решить глобальную для человечества проблему - нехватка продуктов питания. При этом возникают проблемы биоэтики и биополитологии.

Для чего же нужно изучать современное естествознание? Во-первых, культурный, образованный человек должен знать, что такое теория относительности, генетика, социобиология, экология, и другие науки, общие принципы построения и эволюции Вселенной, Земли и всего живого. Во-вторых, это важно потому, что многое в нашей жизни строится в соответствии с научной методологией. Хотя человечеству далеко до совершенной научной организации труда, тем не менее, научные принципы лежат в основе многих видов деятельности, и их нужно уметь использовать. В-третьих, знания, необходимые любому специалисту, так или иначе, связаны и в какой-то степени основаны на научных данных. И, наконец, целью естествознания является подготовка специалистов, или, по крайней мере, людей, которые могли бы отличить шарлатанов от специалистов.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Московский государственный университет

Приборостроения и информатики

Е.А.Коломийцева

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Краткий курс лекций

Рецензенты:

к.т.н., проф. Фигуровский Е.Н., к.ф.-м.н., доц. Шпиченецкий Б.Я.

Е.А.Коломийцева . КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.

Краткий курс лекций. М., 2006, 80 с.

Учебное пособие предназначено для студентов МГУПИ, изучающих дисциплину «Концепции современного естествознания»

МГУПИ, 2006

Вступление ............................................................................................................................

4

Лекция 1. Предмет и методы естествознания……………………………………………

4

Лекция 2. Практические методы физических исследований. Физические величины и измерения…………………………………………………………………………………..

7

Лекция 3. Макромир. Движение в классической механике……………………………..

9

Лекция 4. Силы в природе. Фундаментальные взаимодействия………………………..

13

Лекция 5. Меры движения – импульс и энергия. Законы сохранения и симметрия пространства - времени……………………………………………………………………

15

Лекция 6. Физические поля. Концепции близкодействия и дальнодействия………….

18

Лекция 7. Мегамир. Элементы частной теории относительности. Релятивистская концепция…………………………………………………………………………………..

19

Лекция 8. Проблемы пространства и времени…………………………………………...

21

Лекция 9. Волновые процессы…………………………………………………………….

25

Лекция 10. Законы микромира. Корпускулярно-волновой дуализм материи. Принцип дополнительности и проблемы причинности………………………………...

29

Лекция 11. Элементарные частицы. Кварки……………………………………………..

32

Лекция 12. Радиоактивность………………………………………………………………

34

Лекция 13. Динамические и статистические закономерности………………………….

36

Лекция 14. Энергия в термодинамических процессах…………………………………..

39

Лекция 15. Порядок и беспорядок в природе. Фазовые переходы. Энтропия. Второе начало термодинамики и «стрела времени»……………………………………………..

41

Лекция 16. Синергетика. Соотношение порядка и хаоса в открытых неравновесных системах…………………………………………………………………………………….

44

Лекция 17. Происхождение и эволюция Вселенной…………………………………….

47

Лекция 18. Планета Земля…………………………………………………………………

53

Лекция 19. Элементы химии………………………………………………………………

57

Лекция 20. Вода и гипотезы о происхождении жизни на Земле. Самоорганизация в живой природе……………………………………………………………………………..

60

Лекция 21. Биосфера и проблемы экологии. Понятие о ноосфере……………………..

63

Лекция 22. Молекулярные основы жизни. ДНК и информация………………………..

67

Лекция 23. Феномен человека…………………………………………………………….

70

Лекция 24. Теория эволюции в биологии. Принципы универсального эволюционизма. Путь к единой культуре..........................................................................

74

Вопросы для подготовки к экзамену ……………………………………………………..

77

Задачи для самостоятельного решения ………………………………………………….

79

80

Вступление

Дисциплина «Концепции современного естествознания» входит в государственный образовательный стандарт для гуманитарных и обществоведческих специальностей. Целью данного курса является ознакомление студентов с современными представлениями о природе и месте человека в ней. Не секрет, что у многих из них существует перекос в сторону чисто гуманитарных знаний. Между тем современному специалисту необходим широкий кругозор. Возможно, самой заманчивой перспективой было бы показать студентам жизнь человека в ее единстве с природой, целостность и уникальность окружающего, дать почувствовать красоту и мощь человеческой мысли, которая способна охватить весь мир от Вселенной до элементарной частицы, развить вкус к получению знаний, подтолкнуть к чтению научно-популярной литературы и самообразованию. В конечном счете это – необходимое условие формирования гармоничной личности.

Лекция 1.

Предмет и методы естествознания

1. Предмет естествознания. Естественнонаучная и гуманитарная культуры.

Естествознание – это комплекс знаний о природе, которые составляют одну из важнейших частей человеческой культуры.

Культура – широкое, многогранное понятие, которое можно определять по-разному. Существует большое количество различных определений культуры (около 170), из которых приведем одно, вполне удовлетворительно отражающее ее наиболее важные признаки:

Культура – это система средств человеческой деятельности, благодаря которой планируется, осуществляется, стимулируется активность индивида, групп, всего человечества в их взаимодействии с природой и между собой.

Таким образом, культуру в целом можно подразделить на три основные ветви:

    культура материальная (орудия труда, жилища, одежда, транспорт) – вся сфера материальной деятельности и ее результаты;

    культура социальная – основные правила поведения в обществе;

    культура духовная (знания, воспитание, мораль, право, мировоззрение, наука, искусство).

Соответственно и знания человечества можно подразделить на

    систему знаний о природе – естественные науки и

    систему знаний о позитивно значимых ценностях бытия индивидуума, групп, государства, человечества в целом – гуманитарные науки.

Каждый из этих разделов человеческих знаний обладает своей спецификой:

    Естественнонаучные знания глубоко специализированы, они постоянно совершенствуются, отличаются объективностью, достоверностью, имеют большое значение для существования человека и общества.

    Гуманитарные знания активизируются, исходя из принадлежности индивида к определенной социальной группе. Они характеризуются субъективностью, т.е. допускают возможность толкований, идеализаций, противоречащих реальным свойствам объектов.

Тем не менее естественнонаучные и гуманитарные знания взаимосвязаны, будучи самостоятельными частями единой системы знаний науки:

    они опираются на единую основу: потребности и интересы человека и человечества в создании оптимальных условий для самосохранения и совершенствования своей жизни;

    между ними существует взаимообмен достигнутыми результатами.

2. Наука и научный метод.

Наука - термин, обозначающий обобщаемые и систематизированные знания в любой области.

С древнейших времен люди пытались понять сущность наблюдаемых явлений природы и их закономерности. Причем первым побудительным мотивом для этого служил практический интерес – возможность использовать полученные знания. Так изначально сосуществовали два аспекта естествознания – познавательный и прикладной. В современной науке также присутствуют оба указанных аспекта.

Познание законов природы и создание на этой основе картины мира – непосредственная, ближайшая цель естествознания. Конечная задача – содействие практическому использованию этих законов. Не всегда перспектива практического применения того или иного открытия очевидна с самого начала, теория, как правило, развивается с некоторым опережением.

Итак, в системе естествознания мы выявили два уровня – уровень теоретический и уровень практический (экспериментальный).

Использующиеся при теоретическом и практическом освоении действительности приемы составляют научный метод. Таким образом, наука отвечает на вопрос: «Что такое реальность?», а научный метод указывает, как с этой реальностью обращаться.

Научные методы бывают различного уровня:

    Единые (всеобщие): диалектический, метафизический;

    Общенаучные (используемые во всех науках): практические (эмпирические) – наблюдение, описание, измерение, эксперимент, и теоретические - сравнение, аналогтя, анализ и синтез, идеализация, обобщение, восхождение от абстрактного к конкретному, индукция и дедукция;

    Специально-научные (применяемые в конкретных дисциплинах).

Особенностью современного естествознания является его конструктивная направленность, т.е. реальность не только изучается, но и проектируется с определенными целями. Это выражается в широком применении методов математического моделирования процессов и явлений с помощью ЭВМ.

Начальным этапом исследования является, как правило, практика, она же служит и окончательным критерием истинности (адекватности) любой теории, а также целью исследования.

3. Исторические аспекты развития естествознания.

Процесс формирования естествознания не был равномерным. Развитие научной мысли можно обобщенно разделить на этапы. На каждом этапе господствовал определенный стиль мышления, который базировался на имевшихся к тому времени достижениях науки. Тем самым задавался круг задач, подлежащих исследованию, и методология исследования. Такие общепризнанные научные достижения и господствующий стиль научного мышления называются парадигмой . Смена, зачастую коренная ломка существующей парадигмы означает переход к следующему этапу развития естествознания и называется научно-технической революцией .

Первый этап , расцвет которого происходил в античный период, характеризуется преобладанием чисто умозрительных рассуждений о природе вещей и явлений. Естествознание на этой стадии еще не отделено от философии и по сути они составляют одну науку натурфилософию, в которой отражены представления древних о мире как едином целом. Несмотря на поразительные озарения Демокрита, Архимеда и др., натурфилософию еще нельзя считать наукой в современном понимании.

Первую научно-техническую революцию многие историки науки связывают с деятельностью Аристотеля. Именно тогда наука стала отличаться от других форм познания мира. Была высказана идея о шарообразности Земли, построена геоцентрическая модель мира.

Идеи Аристотеля определили состояние науки вплоть до эпохи Возрождения.

Вторая научно-техническая революция связана с введением в научную практику эксперимента как способа проверки гипотез. В этот период происходило накопление фактического материала и его обобщение, естествознание обрело более привычную для нас форму. В трудах ученых Нового времени – Галилея, Кеплера, Ньютона – были заложены основы классической науки.

Второй этап развития естествознания длился до конца Х1Х века, это время полного расцвета классической науки. Установлен закон сохранения и превращения энергии. оптики, электродинамики, термодинамики, построена теоретическая механика (Гамильтон, Лагранж, Максвелл, Френель, Больцман). В химии установлено строгое понятие элемента (Лавуазье), изучаются химические реакции, соединения, открыт периодический закон Менделеева, возникла структурная химия (Бутлеров). В биологии побеждают важнейшие идеи об эволюции всего живого (Ламарк, Дарвин); открыта клетка (Шлейден и Шванн) и материальный носитель наследственности – ген (Мендель).

Таким образом, подготовлялись условия для новой научно-технической революции, которая захватила весь ХХ век и продолжается поныне.

Для третьей научно-технической революции характерно:

    Тесное взаимодействие различных областей науки, развитие междисциплинарных связей. Подавляющее большинство открытий происходит на стыках наук.

    Переход от классических представлений к неклассическим: создание общей и специальной теории относительности, квантовой теории поля (квантовая механика).

    Исследование сложнейших неравновесных нелинейных процессов, происходящих в сложных системах. Оказывается, что эти процессы, которые приводят к самоорганизации системы, к возникновению новых структур, протекают сходно в различных областях естествознания. Это позволяет рассматривать с единых позиций такие дисциплины, как физика, космология, геология, химия, биология и даже традиционно гуманитарные дисциплины, такие как история, этнология, социология, экономика. Такой подход получил название синергетика . Это наиболее перспективное направление современного естествознания.

    Бурное развитие информационных технологий, позволяющих проводить громадный объем вычислений с большой скоростью и исследовать сложнейшие процессы. Информация становится в один ряд с материей.

    Во главу угла современного естествознания ставится человек, его интересы и цели. Наука приобретает этическую окраску.

4. Основные разделы современного естествознания.

В настоящее время в мире насчитывается около 15 тысяч научных дисциплин, и их число непрерывно растет. Считается, что за каждые 10-15 лет количество научной информации удваивается. Имеется большое количество междисциплинарных наук.

Разумеется, произвести классификацию всех естественных наук практически невозможно. Можно лишь выстроить цепочки, руководствуясь каким-либо принципом. Например, по сложности изучаемого объекта: физика  химия (неорганическая, органическая)  биология  медицина. По масштабу изучаемого объекта: астрономия (в частности, астрофизика)  геология (включая геологию отдельных планет)  география  экология биология. По используемому методу: логика  математика  физика. Как видно, ключевой наукой в каждой из этих цепочек является физика. Именно эта наука изучает самые фундаментальные, основополагающие законы природы. Поэтому знание основных физических понятий и законов является обязательным компонентом любого образования.

5. Структурные уровни организации материи.

В основе современных представлений о строении материального мира лежит системный подход . Любой объект или явление в соответствии с этим подходом рассматривается как сложное образование, включающее в себя составные части, организованные в целостность. Дадим определения важнейших понятий:

    Система – совокупность элементов и связей между ними;

    Связи – отношения между элементами системы. Связи составляют структуру системы. Они могут быть горизонтальными (координация между однопорядковыми элементами) и вертикальными (отражающими субординацию, т.е. соподчинение, разнопорядковых элементов). Совокупность горизонтальных связей образует уровни организации системы, совокупность вертикальных связей отражает их иерархию.

Вся материя Вселенной также является колоссальной, сложнейшей системой. Можно выделить три уровня строения материи:

При изучении предмета «Концепции современного естествознания» мы, как и в любой науке, должны двигаться от простейших представлений и понятий к более сложным. Наиболее простыми и привычными для нас являются те явления, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни и наблюдаем непосредственно. Все они описываются в рамках классических представлений, которые и следует вспомнить в начале курса.

Лекция 2.

Практические методы физических исследований. Физические величины и измерения.

Первоначальное взаимодействие человека (исследователя) с объектом или явлением имеет место непосредственно на практике. Здесь происходит накопление и систематизация фактов, их описание. Все это – практический , или эмпирический , уровень познания. Он включает в себя наблюдения, измерения, эксперимент. Лишь на основе полученных данных строится гипотеза и происходит подъем на более высокий, теоретический уровень познания.

  1. Наблюдения.

Основным способом получения информации об окружающем мире и явлениях, которые в нем происходят, с древнейших времен было наблюдение. Наблюдение может проводиться как при помощи наших естественных органов чувств: зрения, слуха, обоняния, осязания и даже вкуса. Однако все эти чувства развиты у разных людей в разной степени, поэтому такие наблюдения достаточно несовершенны. Любые выводы, сделанные на основании таких наблюдений, будут в большой степени субъективны.

Существует огромное количество явлений, вообще недоступных непосредственному человеческому восприятию. Например, мы не видим электромагнитные волны, частоты которых лежат за пределами оптического диапазона, не воспринимаем ультразвук, не способны заглянуть в микромир.

Для более объективного, глубокого и разностороннего изучения действительности человеческому организму нужно «помочь» - требуется использование приборов. Однако система «прибор-объект» – это уже совсем не то же самое, что исходный объект.

    Измерения и измерительные приборы.

Наблюдение становится частью научного исследования, если на основании этого наблюдения делаются некоторые сравнения и выводы. Для того чтобы сравнивать какие-либо свойства материальных объектов, требуется дать этим свойствам количественные характеристики. Более того, в квантовой механике считается, что реально существуют лишь те объекты, которые можно измерить: «Принципиально неизмеримое – физически нереально» (Бор, Гейзенберг). Процедура получения количественной информации об объекте исследования называется измерением . Инструмент, с помощью которого проводится измерение, называют прибором . Теорией измерений занимается специальная наука – метрология . Простейший способ измерения (прямой ) заключается в том, что исследуемый объект сравнивается с эталоном , принятым за единицу. Самый известный эталон – это платино-иридиевый стержень длиной в 1метр, хранившийся в Париже, в Палате мер и весов. Очевидны неудобства таких измерений, связанные с хранением и воспроизведением копий эталона. В настоящее время (с 1983 г.) решено считать 1 метр как расстояние, проходимое светом в вакууме за время 1/299792458 секунд.

Для измерения времени также нужен эталон. В настоящее время считается, что 1 секунда – это время, за которое происходит 9192631830 периодов колебаний излучения, испускаемого изотопом цезия
.

Заметим, что для измерения величин, описывающих явления макромира, привлекаются явления микромира и мегамира.

В соответствии с последними договоренностями эталонная длина в 1 метр не измеряется непосредственно, а вычисляется по формуле
, где с – скорость света в вакууме. Такое измерение носит название косвенного . В подавляющем большинстве физические измерения являются косвенными. К косвенным измерениям можно также отнести метод экстраполяции , который основан на предположении о том, что в области, где измерения не проводились, поведение системы остается таким же. Экстраполяция далеко не всегда подтверждается экспериментом.

  1. Физические размерности. Международная система СИ.

При измерении исследователь получает количественные характеристики какого-либо свойства данного объекта. Каждая величина имеет свой физический смысл и свою единицу измерения - размерность. Величины разной размерности нельзя сравнивать, складывать или вычитать друг из друга, т.к. они описывают разные свойства объектов.

Единицы измерения оказалось удобно согласовать между всеми странами. Это было вызвано прежде всего экономическими интересами. В настоящее время мировым сообществом принята единая метрическая система мер, называемая Международной Системой (СИ). Ее основные единицы (требующие определения с помощью эталона):

    Длина – 1 метр;

    Время – 1 секунда;

    Масса – 1 килограмм;

    Термодинамическая температура – 1 Кельвин;

    Количество вещества – 1 моль;

    Сила электрического тока – 1 Ампер;

    Сила света – 1 кандела;

Остальные физические величины получаются из перечисленных и называются производными, например, Н, Дж, Вт, В, Ом.

4. Погрешности измерений.

Любое измерение может быть проведено только с некоторой точностью. Получить абсолютно точное значение физической величины принципиально невозможно по целому ряду причин. Первая из них состоит в том, что измерение есть результат взаимодействия прибора и объекта. В свою очередь приборы сами являются техническими устройствами и имеют ограниченные возможности. Кроме того, любой физической величине присущи вероятностные свойства, и это фундаментальное свойство всей материи, о чем мы будем говорить особо в специальной лекции. Говорят, что измерение величины х 0 произведено с определенной точностью
, а само значение называют абсолютной ошибкой или абсолютной погрешностью измерений. Естествоиспытатель может только утверждать, что истинное значение измеряемой величины лежит в интервале от (
) до (
):
.

Иногда удобнее говорить об относительной ошибке или относительной погрешности измерений:
. Эта величина, особенно будучи выражена в процентах, дает очень наглядное представление о точности проведенных измерений.

Перечислим основные факторы неточности эксперимента. Помимо грубых промахов самого экспериментатора, их можно разделить на две группы:

1) систематические , которые определяются классом точности прибора (1/2 цены деления) и, возможно, какой-то постоянной ошибкой прибора;

2) статистические , обусловленные случайными отклонениями от истинного значения в каждом конкретном опыте. За истинное значение величины часто приходится принимать среднее
, где N – число опытов. Чем больше опытов было сделано, тем ближе к истинному значению.

    Эксперимент.

Как правило, исследователь заранее планирует свои наблюдения и измерения, руководствуясь некоторой гипотезой , т.е. предположениями об ожидаемом результате. А.Эйнштейн указывал, что “только теория определяет, что можно наблюдать”. Для более глубокого проникновения в суть явления требуется менять условия опыта, вмешиваясь тем самым в объект исследования.

Целенаправленные действия, связанные с изменениями в самом объекте исследования, называют экспериментом . Эксперимент позволяет выявить такие свойства и закономерности внутри объекта, которые в обычных условиях скрыты.

Особая форма эксперимента – мысленный эксперимент . В последнее время все большее значение приобретает численный эксперимент , в котором ученый имеет дело с математическими моделями явлений природы.

  1. Использование результатов эксперимента. Теория. Критерии научности и истинности теории.

Результаты эксперимента следует истолковать. Если первоначальная гипотеза исследователя подтвердилась, то исследования переходят на новый уровень – теоретический , т.е. строится научная теория в рамках существующей парадигмы. Если же удовлетворительной теории, описывающей наблюдаемое явление, не удается построить, это может привести к революционной смене парадигмы.


Рабочая программа