4.Панорама современного естествознания, тенденции развития.
Пространство и время. По сравнению с ньютоновскими представлениями о пространстве как пустоте (абсолютное пространство) и времени как абсолютном потоке длительности (абсолютное время) современное естествознание использует понятия пространственно-временного континуума, в котором есть не отдельные вещество, пустота и длительность, а взаимосвязанные вещество, энергия, пространство и время, формирующие единое поле, с определенной точкой отсчета. Следствием такого понимания пространства и времени является признание того, что скорость времени зависит от системы отсчета, скорости и направления ее движения по отношению к внешней системе отсчета (станционный смотритель, фонарь и пассажиры поезда), что на время влияют масса тела и что масса тела в состоянии покоя больше массы того же движущегося тела и т. д.
Материя и энергия. А. Эйнштейн показал, что масса тела и энергия связаны уравнением
где Е – энергия, m – масса тела, c – скорость света в вакууме
Из этого выражения следует возможность преобразования вещества в энергию и наоборот. В какой бы форме энергия ни выступала, она сама по себе обладает пропорциональной ей по величине массой, и наоборот, если «нечто» обладает тяжестью, то в этом «нечто» обязательно сосредоточена энергия (потенциальная и кинетическая). Переход энергии из одной формы в другую подчиняется закону сохранения энергии. Изучение свойств и строения вещества на микроуровне вместе с изучением преобразований энергии привело к созданию квантовой теории, объяснившей многие свойства света и элементарных частиц.
Энтропия и информация. Энтропия - это мера хаоса, показывающая способность энергии к превращениям. Чем больше энтропия системы, тем меньше заключенная в системе энергия способна к превращениям. Согласно второму началу термодинамики в замкнутой системе энтропия возрастает, достигая максимума в состоянии равновесия, когда вся энергия превращается в теплоту.
В понимании Н. Винера информация есть прямая противоположность энтропии. Количество информации в системе есть мера организованности системы точно так же, как энтропия системы есть мера ее дезорганизованное™. Чем больше информации в системе, тем менее вероятно ее внутреннее состояние. Более подробно взаимосвязь энтропии и информации будет рассмотрена в последующих лекциях.
Хаос, организация и самоорганизация. Изучение хаоса, организации и самоорганизации на базе идей энтропии и информации позволяет подойти к исследованию проблем возникновения жизни и вообще проблем возникновения нового. Между состояниями абсолютной случайности и абсолютного порядка существуют промежуточные состояния диссипативного хаоса, порождающие элемент «неожиданности» поведения, который, в свою очередь, порождает при определенных условиях и ограничениях новую информацию и организацию. Таким образом, возможно случайное появление порядка из хаоса, что приводит к выводу об одинаковой вероятности перехода системы как от порядка к беспорядку (нарастанию энтропии), так и наоборот - от беспорядка к порядку (снижению энтропии).
Рассмотрим теперь основные прикладные проблемы естествознания. Прежде всего это новые материалы и новые источники энергии. На смену традиционным материалам – железу, стали, меди -приходят новые металлы и принципиально новые материалы, не существовавшие на Земле. По различным оценкам химики и материаловеды создали от 100 тыс. до 600 тыс. новых химических компонентов и соединений.
Биотехнология. Новые методы молекулярной биологии позволили «вскрыть» генетический набор клетки и проводить работу с информацией, определяющей развитие любого организма. Первый этап - выращивание клонов, т. е. клеток с одним и тем же генетическим наследием; второй этап – выращивание эмбрионов в пробирках; третий – создание трансгенетических организмов с заданными свойствами.
Искусственный интеллект, роботизация и киборгизация. Соединение способностей мозга к размышлению и вычислительных способностей компьютера ведет к формированию человекома-шинных систем принятия решений и созданию заводов-автоматов. Развитие компьютеров идет по пути увеличения объема памяти, количества счетных операций, а также развития периферии и дополнительных функций (например, связь с другими компьютерами). Робототехника развивается в направлении замены все большего количества функций человеческого тела, повышения точности перемещений и расширения параметров среды, в которой робот может функционировать.
Внедрение искусственных компонентов в тело и мозг человека приводит к киборгизации человека, превращению человеческого тела в человекомашинную систему.
Передача сигналов и транспортировка. Достижения в науке позволили создать планетарную систему связи, в которой оптические волокна, спутники и приемопередающие устройства являются ключевыми элементами. Первая трансатлантическая линия оптико-волоконной связи была проложена между США и Францией в 1988 г.
Освоение космоса. Создание новых жаропрочных материалов, новых видов топлива, двигателей и систем жизнеобеспечения, новых средств связи и вычислительной техники привело к освоению околоземного космического пространства. Ближайшими целями мирового сообщества являются создание постоянной базы на Луне (к 2012 г.) и предварительные полеты на Марс в 2016 г. с использованием лунного космодрома.
Охрана окружающей среды. Следствием научно-технической революции становятся такие изменения окружающей среды, которые ставят под сомнение само существование человечества. К ним относятся: загрязнение окружающей среды и истощение природных ресурсов; истощение озонового слоя; глобальное потепление климата; опустынивание и сокращение площади лесов; кислотные осадки; истощение ресурсов питьевой воды и др. Создание безопасных технологий и познание природы, новые подходы к решению социально-экономических проблем необходимы для решения экологических проблем.
В современном естествознании ключевыми понятиями являются: самоорганизация и организация, энтропия и информация, физическое поле и ряд других, составляющих язык науки.
Формировался этот язык в результате смены парадигм, когда используемые термины зачастую сохранялись без изменения, а понимание данных терминов изменялось. В связи с этим кратко рассмотрим, что же такое парадигма.
Современная макропарадигма включает математические и философские основания, эволюционно-системный подход, кибернетику, неравновесную термодинамику, синергетику и информационный подход, применяющиеся во всех без исключения отраслях современной науки.