Семинарское занятие

Цели занятия:

1. Сформировать представления о методах научного познания и структуре научного знания.

2. Выявить особенности эмпирического и теоретического уровней научного познания.

3. Раскрыть специфику методологии научных исследований и влияние методов познания на процесс исследовательской деятельности ученого.

4. Сформировать представления об этапах развития науки и сменах научных парадигм.

5. Раскрыть основные положения исторических типов научной рациональности.

Вопросы, выносимые на обсуждение

1. Определение метода. Что такое научный метод? Его роль в познании.

2. Различия между всеобщими, общенаучными и конкретно-научными методами.

3. Научный метод в естествознании как образец научной методологии.

4. Характеристика методов познания и их применение в современном естествознании.

5. Этапы развития науки по Т. Куну. Что такое «нормальная наука»?

6. Определение парадигмы и исследовательской программы.

7. Определение понятия «научная революция».

8. Научные революции в космологии, физике, биологии и антропологии. Влияние внешних и внутренних факторов на ход научной революции.

План семинарского занятия:

1. Уровни естественнонаучного познания.

2. Методы научного познания.

3. Развитие научных представлений в древности.

4. Научные революции и типы рациональности.

5. Внутренняя логика и динамика развития естествознания.

ЛИТЕРАТУРА

1. Васильев В.Г. Накануне рождения естествознания XXI века. – М.: Белые альвы, 2002.

2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. – М.: Высшее образование, 2005.

3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник. – Новосибирск: ЮКЭА, 2003.

4. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Основной курс в вопросах и ответах. – Новосибирск: Сибирское университетское изд-во, 2005.

5. Концепции современного естествознания: Учебное пособие / Н.И. Якимова, А.М. Сычева, М.М. Байдарашвили, В.Д. Мартынова, М.Абу-Хасан. – СПб: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2004.

6. Лобачев А.И. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.

7. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2006.

8. Нерсесянц В.С. Сократ. – М.: Наука, 1977.

9. Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания. Курс лекций. – Ростов н/Д: Феникс, 2000.

Раздел II. Основные концепции современного естествознания

Тема 2.1. Релятивистская физика. Микромир. Макромир. Мегамир. Фундаментальные взаимодействия.

МАТЕРИЯ. ВСЕОБЩИЕ АТРИБУТЫ МАТЕРИИ

Слово «материя» многозначно. В быту им пользуются для обозначения той или иной ткани. Иногда придают иронический смысл, говоря о «высокой материи». Человека окружает множество различных вещей и процессов: животные и растения, машины и инструменты, химические соединения, произведения искусства, явления природы и т.д. Современная астрономия сообщает, что видимая Вселенная насчитывает сотни тысяч звезд, звездных туманностей и других небесных тел. У всех предметов и явлений, несмотря на их разнообразие, есть общая черта: все они существуют вне сознания человека и независимо от него, т.е. являются материальными. Люди открывают все новые и новые свойства природных тел и процессов, производят бесконечное множество несуществующих в природе вещей, следовательно, материя, как уже отмечалось выше, неисчерпаема.

Из свойств материальных объектов можно выделить всеобщие, универсальные, называемые атрибутами. К всеобщим атрибутам материи относятся: связь, взаимодействие, движение, пространство и время, структурность, системная организация, вечность во времени, структурная и пространственная бесконечность, способность к саморазвитию, отражение, единство прерывности и непрерывности, о котором говорилось выше.

Материя и ее атрибуты несотворимы и неуничтожимы, существуют вечно и бесконечно разнообразны по форме своих проявлений. Все явления в мире обусловлены естественными материальными связями и взаимодействиями, причинными отношениями и законами природы. В этом смысле в мире нет ничего сверхъестественного и противостоящего материи. Человеческая психика и сознание тоже определяются материальными процессами в мозгу человека и являются высшей формой отражения внешнего мира.

СТРУКТУРА И СИСТЕМНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МАТЕРИИ

Структурность и системная организация материи относятся к числу ее важнейших атрибутов, выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется.

Структура материи

Под структурой материи обычно понимают ее строение в макромире, т.е. существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.д. Это связано с тем, что человек является макроскопическим существом и для него привычными являются макроскопические масштабы, поэтому понятие структуры ассоциируется обычно с различными микрообъектами.

Но если рассматривать материю в целом, то понятие структуры материи будет охватывать также макроскопические тела, все космические системы мегамира, причем в любых сколь угодно больших пространственно-временных масштабах. С этой точки зрения, понятие «структура» проявляется в том, что она существует в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно взаимосвязанных между собой, а также в упорядоченности строения каждой системы. Такая структура бесконечна в количественном и качественном отношениях.

Структурная бесконечность материи

Проявлениями структурной бесконечности материи выступают:

• неисчерпаемость объектов и процессов микромира;

• бесконечность пространства и времени;

• бесконечность изменений и развития процессов.

Из всего многообразия форм объективной реальности эмпирически доступной всегда остается лишь конечная область материального мира, которая ныне простирается в масштабах от 10^-15 до 10²⁸ см, а во времени — до 2х10⁹ лет.

СИСТЕМНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ КАК АТРИБУТ МАТЕРИИ

Структурность и системная организация материи относятся к числу важнейших ее атрибутов. Они выражают упорядоченность существования материи и те ее конкретные формы, в которых она проявляется.

Материальный мир един: мы подразумеваем, что все его части — от неодушевленных предметов до живых существ, от небесных тел до человека как члена общества — так или иначе связаны.

Системой является то, что определенным образом связано между собой и подчинено соответствующим законам.

Системы бывают объективно существующие и теоретические, или концептуальные, т.е. существующие лишь в сознании человека.

Система — это внутреннее или внешнее упорядоченное множество взаимосвязанных и взаимодействующих элементов.

Упорядоченность множества подразумевает наличие закономерных отношений между элементами системы, которое проявляется в виде законов структурной организации. Внутренняя упорядоченность имеется у всех природных систем, возникающих в результате взаимодействия тел и естественного саморазвития материи. Внешняя характерна для созданных человеком искусственных систем: технических, производственных, концептуальных и т.п.

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо класса и характеризуются особым типом взаимодействия между составляющими их элементами.

Критерием для выделения различных структурных уровней служат следующие признаки:

• пространственно-временные масштабы;

• совокупность важнейших свойств;

• специфические законы движения;

• степень относительной сложности, возникающей в процессе исторического развития материи в данной области мира;

• некоторые другие признаки.

Микро-, макро- и мегамиры

Известные в настоящее время структурные уровни материи могут быть выделены по вышеперечисленным признакам в следующие области.

1. Микромир. Сюда относятся:

• частицы элементарные и ядра атомов — область порядка 10^-15 см;

• атомы и молекулы 10^-8—10^-7 см.

2. Макромир: макроскопические тела 10^-6—10⁷ см.

2. Мегамир: космические системы и неограниченные масштабы до 10²⁸ см.

Разные уровни материи характеризуются разными типами связей.

1. В масштабах 10^-13 см — сильные взаимодействия, целостность ядра обеспечивается ядерными силами.

2. Целостность атомов, молекул, макротел обеспечивают электромагнитные силы.

3. В космических масштабах — гравитационные силы. С увеличением размеров объектов уменьшается энергия взаимодействия. Если принять энергию гравитационного взаимодействия за единицу, то электромагнитное взаимодействие в атоме будет в 10³⁹ больше, а взаимодействие между нуклонами — составляющими ядрочастицами — в 10⁴¹ раз больше. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.

Деление материи на структурные уровни носит относительный характер. В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимодействующих систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой.

Говоря о структурности — внутренней расчлененности материального бытия, можно отметить, что сколь бы ни был широк диапазон мировидения науки, он тесно связан с обнаружением все новых и новых структурных образований. Например, если раньше взгляд на Вселенную замыкался Галактикой, затем расширился до системы галактик, то теперь изучается Метагалактика как особая система со специфическими законами, внутренними и внешними взаимодействиями.

Структурные уровни различных сфер

В современной науке широко используется метод структурного анализа, при котором учитывается системность исследуемых объектов. Ведь структурность — это внутренняя расчлененность материального бытия, способ существования материи. Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо вида и характеризуются особым способом взаимодействия между составляющими их элементами, применительно к трем основным сферам объективной действительности эти уровни выглядят следующим образом.

	СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ МАТЕРИИ
№ п/п	Неорганическая природа	Живая природа	Общество
1	Субмикроэлементарный	Биологический макромоле- кулярный	Индивид
2	Микроэлементарный	Клеточный	Семья
3	Ядерный	Микроорганический	Коллективы
4	Атомарный	Органы и ткани	Большие социальные группы (классы, нации)
5	Молекулярный	Организм в целом	Государство (гражданское общество)
6.	Макроуровень	Популяции	Системы государств
7	Мегауровень (планеты, звездно-планетные системы, галактики)	Биоценоз	Человечество в целом
8	Метауровень (метагалактики)	Биосфера	Ноосфера

Каждая из сфер объективной действительности включает в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Внутри этих уровней доминирующими являются координационные отношения, а между уровнями — субординационные.

Системное исследование материальных объектов предполагает не только установление способов описания отношений, связей и структуры множества элементов, но и выделение тех из них, которые являются системообразующими, т.е. обеспечивают обособленное функционирование и развитие системы. Системный подход к материальным образованиям предполагает возможность понимания рассматриваемой системы более высокого уровня. Для системы обычно характерна иерархичность строения, т.е. последовательное включение системы более низкого уровня в систему более высокого уровня.

Таким образом, в структуру материи на уровне неживой природы (неорганической) входят элементарные частицы, атомы, молекулы (объекты микромира, макротела и объекты мегамира: планеты, галактики, системы метагалактик и т.д.). Метагалактику часто отождествляют со всей Вселенной, но Вселенная понимается в предельно широком смысле этого слова, она тождественна всему материальному миру и движущейся материи, которая может включать в себя множество метагалактик и других космических систем.

Живая природа также структурирована. В ней выделены уровень биологический и уровень социальный. Биологический уровень включает подуровни:

• макромолекул (нуклеиновые кислоты, ДНК, РНК, белки);

• клеточный уровень;

• микроорганический (одноклеточные организмы);

• органов и тканей организма в целом;

• популяционный;

• биоценозный;

• биосферный.

Основными понятиями данного уровня на последних трех подуровнях являются понятия биотоп, биоценоз, биосфера, требующие пояснения.

Биотоп — совокупность (сообщество) особей одного и того же вида (например, стая волков), которые могут скрещиваться и воспроизводить себе подобных (популяции).

Биоценоз — совокупность популяций организмов, при которых продукты жизнедеятельности одних являются условиями существования других организмов, населяющих участок суши или воды.

Биосфера — глобальная система жизни, та часть географической среды (нижняя часть атмосферы, верхняя часть литосферы и гидросферы), которая является средой обитания живых организмов, обеспечивая необходимые для их выживания условия (температуру, почву и т.п.), образованная в результате взаимодействия биоценозов (см. ТЕМУ 17.2).

Общая основа жизни на биологическом уровне — органический метаболизм (обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой) — проявляется на любом из выделенных подуровней:

• на уровне организмов обмен веществ означает ассимиляцию и диссимиляцию при посредстве внутриклеточных превращений;

• на уровне экосистем (биоценоза) он состоит из цепи превращений вещества, первоначально ассимилированного организмами-производителями при посредстве организмов-потребителей и организмов-разрушителей, относящихся к разным видам;

• на уровне биосферы происходит глобальный круговорот вещества и энергии при непосредственном участи факторов космического масштаба.

На определенном этапе развития биосферы возникают особые популяции живых существ, которые, благодаря своей способности к труду образовали своеобразный уровень — социальный. Социальная действительность в структурном аспекте разделяется на подуровни: индивидов, семьи, различных коллективов (производственных), социальных групп и т.д.

Структурный уровень социальной деятельности находится в неоднозначно-линейных связях между собой (например, уровень наций и уровень государств). Переплетение разных уровней в рамках общества порождает представление о господстве случайности и хаотичности в социальной деятельности. Но внимательный анализ обнаруживает наличие в нем фундаментальных структур — главных сфер общественной жизни, которыми являются материально-производственная, социальная, политическая, духовная сферы, имеющие свои законы и структуры. Все они в определенном смысле субординированы в составе общественно-экономической формации, глубоко структурированы и обуславливают генетическое единство общественного развития в целом.

Таким образом, любая из трех областей материальной действительности образуется из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой упорядоченности в составе той или иной области действительности.

Переход от одной области к другой связан с усложнением и увеличением множества образованных факторов, обеспечивающих целостность систем. Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации (молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот). Закономерности новых уровней несводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникли, и являются ведущими для данного уровня организации материи. Структурная организация, т.е. системность, является способом существования материи.

ПРИНЦИПЫ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Значительное влияние на развитие научной мысли оказал известный итальянский физик Г. Галилей, которому человечество обязано принципом относительности, сыгравшим большую роль не только в, механике, но и во всей физике.

Принцип относительности Галилея

Принцип относительности Галилея гласит: «Никакими механическими опытами, произведенными в инерциаль-ной системе отсчета, невозможно определить, движется ли эта система равномерно и прямолинейно, или находится в покое».

Иными словами: все законы механики инвариантны (неизменны, т.е. имеют один и тот же вид) во всех инер-циальных системах отсчета, ни одна не имеет преимущества перед другой.

Принцип относительности Эйнштейна

Эйнштейн обобщил принцип относительности Галилея на все явления природы. Принцип относительности Эйнштейна гласит: «Никакими физическими опытами, произведенными в инерциальной системе отсчета, невозможно определить, движется ли эта система равномерно и прямолинейно, или находится в покое». Не только механические, но и все физические законы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Теория относительности Эйнштейна

Принцип относительности явился первым постулатом, который Эйнштейн положил в основу созданной им теории относительности. Второй постулат — принцип постоянства скорости света (ППСС): скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета, по всем направлениям. Она не зависит от движения источника света и наблюдателя. При сложении любых скоростей результат не может превысить скорость света в вакууме, т.е. эта скорость — предельная.

Теория, созданная А. Эйнштейном для описания явлений в инерциальных системах отсчета, основанная на приведенных выше двух постулатах, называется специальной теорией относительности (СТО). В СТО протяженность и длительность меняются в движущихся системах отсчета, одновременность событий не абсолютна и зависит от выбора системы отсчета. Механика больших скоростей, где скорость приближается к скорости света, называется релятивистской механикой. Она опирается на два постулата Эйнштейна и не отменяет классическую механику, а лишь устанавливает границы ее применимости СТО подтверждена обширной совокупностью фактов и лежит в основе всех современных теорий, рассматривающих явления при релятивистских, т.е. близких к скорости света, скоростях.

А. Эйнштейн:

1. Создал современную научную картину мира и современный стиль физического мышления.

2. Разработал физическую теорию пространства и времени, основываясь на философских идеях.

3. Пересмотрел казавшуюся незыблемой механическую картину мира.

4. Пытался построить единую теорию поля, которая свела бы в одно целое гравитацию и электромагнетизм, а в перспективе объяснила бы и многообразный мир элементарных частиц.

Парадоксы не были для Эйнштейна самоцелью. Они вытекали из простых и прозрачных исходных принципов и были логически неизбежны. Вместе с тем, по Эйнштейну, понятия и теории не вытекают непосредственно из опыта и не сводятся к нему. Когда теория построена, ее следствия сравнивают с опытом и в случае совпадения говорят об оправдании теории.

Но не меньшее значение имеет критерий внутреннего совершенства и простоты теории, который может выбрать из бесконечного множества теоретических возможностей единственно адекватную и тем самым отобразить гармонию мира. В основе СТО лежат простота математического аппарата, прозрачность и немногочисленность физических идей и принципов.

Фундаментальные взаимодействия

Все структурные объекты мира объединяются в системы вследствие взаимодействий между собой. Под взаимодействием в более узком смысле понимают такие процессы, в ходе которых между взаимодействующими структурами и системами происходит обмен квантами определенных полей, энергией, а иногда и информацией.

В природе существуют качественно различные системы связанных объектов. Ядра — связанные системы протонов и нейтронов; атомы — связанные ядра и электроны; макротела — совокупность атомов и молекул; Солнечная система — "связка" планет и массивной звезды; галактика — "связка" звезд. Наличие связанных систем объектов говорит о том, что должно существовать нечто такое, что скрепляет части системы в целое. Чтобы "разрушить" систему частично или полностью, нужно затратить энергию. Взаимное влияние частей системы или структурных единиц происходит посредством полей (гравитационного, электрического, магнитного и других) и характеризуется энергией взаимодействия. В настоящее время принято считать, что любые взаимодействия каких угодно объектов могут быть сведены к ограниченному классу четырех основных видов фундаментальных взаимодействий: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемой константы взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий. Кратко охарактеризуем каждый из этих четырех видов взаимодействий.

Сильные (ядерные) взаимодействия. Наличие в ядрах одинаково заряженных протонов и нейтральных частиц говорит о том, что должны существовать взаимодействия, которые гораздо интенсивнее электромагнитных, ибо иначе ядро не могло образоваться. Эти взаимодействия (их называют сильными) проявляются лишь в пределах ядра. Этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 1. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия ), составляет примерно 10^-13 см.

Электромагнитные взаимодействия. Ими обусловлены связи в атомах, молекулах и обычных макротелах. Энергия ионизации атома, т. е. энергия отрыва электрона от ядра, определяет значение электромагнитного взаимодействия, существующего в атоме. Теплота парообразования, т. е. энергия перехода жидкость — пар (при атмосферном давлении), определит, правда довольно грубо, значение межмолекулярных взаимодействий в теле. Последние же имеют электромагнитное происхождение. Константа взаимодействия равна 10^-3. Радиус действия не ограничен ( ).

Слабое взаимодействие. Это взаимодействие ответственно за все виды Р-распада ядер (включая е-захват), за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Константа взаимодействия равна по порядку величины 10^-15. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим. Как отмечалось, из большого списка элементарных частиц только электрон, протон, фотон и нейтрино всех типов являются стабильными. Под влиянием "внутренних причин" нестабильные свободные частицы за те или иные характерные времена превращаются в другие частицы. Медленные распады с характерным временем 10^-10—10^_6 с происходят за счет так называемого слабого взаимодействия, тогда как быстрый распад (10^-16 с) происходит под влиянием электромагнитных взаимодействий.

Гравитационные взаимодействия (тяготения). Притяжение тел к Земле, существование Солнечной системы, звездных систем (галактик) обусловлено взаимодействием сил тяготения, или иначе — гравитационными взаимодействиями. Эти взаимодействия универсальны, т. е. применимы к любым микро- и макрообъектам. Однако они существенны лишь для тел огромных астрономических масс и для формирования структуры и эволюции Вселенной как целого. Гравитационные взаимодействия очень быстро ослабевают для объектов с малыми массами и практически не играют роли для ядерных и атомных систем. Проявления гравитации количественно были изучены одними из первых. Это не случайно, ибо источником гравитации являются массы тел, а дальность гравитационного взаимодействия не ограничена. Константа взаимодействия имеет значение порядка 10^-39. Радиус действия не ограничен (r = °°). Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. В вопросах строения и развития мира как целого роль гравитации становится определяющей. Исследование же конкретных небесных объектов (звезд, пульсаров, квазаров и др.) невозможно без привлечения всех видов фундаментальных взаимодействий.

Несомненно, приведенная классификация взаимодействий отражает современный уровень развития науки. В будущем, возможно, взаимодействия будут либо объединены, либо их останется меньше, если обнаружатся связи между константами взаимодействия. Например, уже удалось описать в рамках единой теории электромагнитное и слабое взаимодействия. Между константами взаимодействия и характеристиками Вселенной существует какая-то удивительная зависимость. Например, отношение радиуса Метагалактики (R = 5 10²⁷ см) к размерам атома равно отношению электромагнитных и гравитационных сил, действующих между элементарными частицами.

Концепции близкодействия и дальнодействия

Близкодействие и дальнодействие—это взаимно противоположные взгляды для объяснения взаимодействия материальных структур. По концепции близко действия любое взаимодействие на материальные объекты может быть передано только между соседними точками пространства за конечный промежуток времени. Дальнодействие допускает действие на расстоянии мгновенно с бесконечной скоростью, т. е. фактически вне времени и пространства. После Ньютона эта концепция получает широкое распространение в физике, хотя он сам понимал, что введенные им силы дальнодействия (например, силы тяготения) являются лишь формальным приближенным приемом, позволяющим дать верное в некоторых пределах описание наблюдаемых явлений. Окончательное утверждение принципа близкодействия пришло с выработкой концепции физического поля как материальной среды. Уравнения поля описывают состояние системы в данной точке в данный момент времени как зависящее от состояния в ближайший предшествующий момент в ближайшей соседней точке. Если электромагнитное поле может существовать независимо от материального носителя, то электрическое взаимодействие нельзя объяснить мгновенным действием на расстоянии. Поэтому дальнодействие Ньютона уступило место близкодействию, полям, распространяющимся в пространстве с конечной скоростью. Таким образом, согласно современной науке, взаимодействия между структурами передаются посредством соответствующего поля с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.