2. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА

2.1 СТРУКТУРА ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА

Цели и задачи раздела:

1.Представить естественнонаучную картину мира как совокупность взаимосвязанных частнонаучных картин - физики, химии, биоло- гии и др.

2.Познакомить с некоторыми основополагающими принципами естествознания.

3.Отработать понятия: материя, пространство, время, отражение, вещество, поле, заряд, энергия, энтропия и др.

План

1.Составляющие естественнонаучной картины мира

2.Фундаментальные понятия естествознания

∙Материя и формы ее существования: вещество и поле

∙Атрибуты материи: отражение и движение

∙Пространство и время

3.Основополагающие принципы естествознания

∙Основополагающие принципы естествознания

∙Фундаментальные законы природы

2.1.1СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА

Естественнонаучная картина мира (ЕНКМ) является всего лишь частью научной картины мира. Она позволяет более или менее непротиворечиво описать свойства материального мира. В процессе дифференциации и систе- матизации естественных наук были выработаны общие идеи и принципы, от- ражающие закономерности развития той стороны природы, которую изучает отдельная естественнонаучная дисциплина.

Естественнонаучная картина мира

космолог

физич химич

биол

геол экол

Рис.3 Естественнонаучная картина мира

Сформировалась определенная система понятий, специфический язык, методы исследования, были построены научные теории, на базе которых соз-

67

даны частнонаучные картины мира - физическая, химическая, биологическая, космологическая, геологическая, экологическая и др. (рис.3)

ЕНКМ - это определенная система научных знаний и представлений о мире, познавательных моделей и методов, которые сформировались на том или ином этапе культурно-исторического развития общества.

Сравнительно продолжительное время ЕНКМ остается неизменной, но открытие новых фактов и закономерностей, появление новых методов иссле- дования, расширение понятийного аппарата, углубление и расширение сферы познания существенно изменяет ее. Как показывает социально-культурная практика, каждый новый этап развития ЕНКМ начинается со смены физиче- ских представлений. Именно они создают предпосылки для появления нового в других областях познания, позволяют дать более глубокое и полное описа- ние накопленных ими эмпирических фактов. Те глубокие диалектические связи, которые вскрывает и обосновывает физика в дальнейшем получают отражение в других науках и философии. Например, только благодаря дос-

тижениям физики стало возможным теоретически обосновать периодический закон химических элементов, открыть строение молекулы ДНК, поставить на более высокий уровень исследования в геологии и метеорологии, развивать космонавтику и.т.д. Вместе с тем, даже в рамках отдельной науки одновре- менно сосуществует множество научных концепций, теорий и картин.

Как правило, смена ЕНКМ происходит на фоне глубоких социальных преобразований общества. С одной стороны потребности общества мотиви- руют развитие естественных наук, а с другой - развивающееся естествознание

создает условия для перехода общества на более высокий уровень развития социальной жизни, который в свою очередь обеспечивает развитие экспери- ментальной базы науки и подготавливает ее к переходу на новую ступень. В единой и непрерывной цепи эволюции общества их взаимное влияние высту- пает как благоприятный фактор, роль которого в эволюции научного позна- ния трудно переоценить.

Исторически самым первым началось построение физической картины мира. И это было закономерно. Физика как основа научно-технического про- гресса была востребована обществом значительно раньше других естествен- ных наук. С XYII по ХХ век она занимала лидирующую позицию и последо- вательно прошла через этапы становления механической, тепловой, электро- магнитной и квантово-релятивистской картин мира. Другие естественные науки только в XX веке смогли поставить перед собой задачу построения на- учной картины. Поэтому в методологии науки наиболее детально изучены закономерности процесса смены физических картин мира (ФКМ). Хотя место

лидера в естествознании физика сегодня передает синтетической химии и молекулярной биологии.

Смена научных картин влечет за собой и изменение представлений о на- учной рациональности. Выделение естественных наук в самостоятельную об- ласть, бурное их развитие накануне промышленной революции XYIII века и

становление техносферы способствовали формированию классического рационализма. Классический рационализм - это относительно устойчивая со-

68

вокупность правил, норм, стандартов, алгоритмов и эталонов материальной и духовной деятельности, базирующихся на жестких логических и причинно- следственных связях и отношениях. Категория истины в этом подходе един- ственна и однозначна, ее относительность обусловлена лишь динамикой раз- вития самой науки, сменой аксиоматического аппарата, теоретических моде- лей и картин мира. Исследователь в этой системе является как бы наблюда- телем со стороны, от него ничто не зависит. Он выделяет исследуемый объ- ект, отсекая, на его взгляд, «несущественные» связи объекта с окружающим миром и самим исследователем, строит такое его «усеченное» подобие в сво- ем воображении и изучает его внутреннюю структуру. Эти представления

были заложены в фундамент классического детерминизма в виде учения о жесткой причинной обусловленности всех явлений, в основе которой лежат линейность и однозначность. Классический тип научной рациональности, сформированный в условиях механической картины мира, базируется на иде- ях механики И.Ньютона.

Внаиболее ярком виде научный рационализм и классический детерми- низм проявились в осмыслении законов механики и стали основой механи- цизма, который в XYIII веке проник во все сферы жизни общества, стал ми- ровоззрением эпохи и почти триста лет господствовал в умах человечества. Классический рационализм, как образец мышления, и все его проявления, несмотря на успехи естественных и технических наук, с самого начала под- вергались жесткой критике и в теории познания, и в философии. В процессе развития науки представления о научной рациональности видоизменялись, появлялись новые течения, пытавшиеся выявить новые качества рационализ- ма, обосновать его важнейшие признаки, увязать их с природой мышления человека.

Вконце XIX века классическая физика оказалась в состоянии кризиса, суть которого заключалась в том, что классическая наука не смогла обосно- вать и построить непротиворечивую теорию таких явлений, как излучение нагретых тел, фотоэффект, радиоактивный распад и другие. Его исходом ста- ло рождение квантово-релятивистской картины мира, разработанной в трудах А.Эйнштейна, М.Планка, Н.Бора и др. в начале ХХ в. Она стала основой тео- рии строения вещества и ядерной энергетики, космологии и космонавтики, стимулировала развитие молекулярной биологии и генетики. Именно ее кон- цепции стали основой неклассического типа научной рациональности. В нем познающий субъект и познаваемый объект представляются как единая систе- ма, при этом результаты исследования зависят и от исследователя, и от ха- рактера используемых средств, и совершаемых операций. Происходят прин- ципиальные изменения взглядов на причинно-следственные отношения. Бла- годаря исследованиям в квантовой механике обосновывается их вероятност- ный характер. Этот тип рациональности лежит в основе неклассической нау- ки. К ним относятся такие разделы физики как теория относительности и квантовая механика.

Однако неклассическая физика, несмотря на колоссальные открытия, на пороге XXI века оказалась в состоянии кризиса, связанного с пределом

69

делимости материи и поиском первокирпичиков Мироздания (атомы, эле- ментарные частицы, кварки) и пределами познаваемости мира. Сегодня в науке вызревает новый подход, связанный с переходом от изучения строения объектов к изучению их взаимосвязей и взаимодействий, ибо различные формы собираются не только из частей, но и из их отношений. Истоки его лежат в идеях синергетики.

Становление новых познавательных моделей в ХХ веке, главным обра- зом квантово-релятивистской и синергетической, привело к переосмыслению идей и постулатов классического рационализма, и прежде всего, пониманию неоднозначности, многовариантности, нелинейности и стохастичности разви- тия мира и всех его подсистем.

Современная синергетическая картина мира основывается на идеях универсального эволюционизма и рисует мир как иерархию взаимосвязанных развивающихся систем. В рамках этой картины, возможно, описать механиз- мы развития природных, социальных, культурных, научных, абстрактных и других систем, исходя из единых позиций. Ее идеи составляют базис пост-

неклассической науки.

Новые понятия и термины: классический, неклассический, постне- классический.

Ведущие идеи:

-естественнонаучная картина мира как система научных знаний и пред- ставлений о мире, познавательных моделей и методов, которые сформи- ровались на том или ином этапе культурно-исторического развития об- щества;

-физическая картина мира как базис ЕНКМ;

-эволюция ФКМ и ее влияние на другие области естествознания.

2.1.2 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Впроцессе развития естествознания и взаимодействия его с философией

ииными областями познания сложился ряд понятий, которые считаются фундаментальными: материя, отражение, взаимодействие, движение, про- странство, время и другие.

1.Материя и формы ее существования: вещество и поле

Врамках современных научных представлений материя (лат. materia),

есть основа всего множества существующих в мире объектов и систем, всех их свойств, связей и форм. Через нее проявляется родство всего сущего. В философии - это одна из основополагающих категорий, которая используется для обозначения «объективной реальности, которая .... отображается нашими ощущениями, существует независимо от них» (В.Ленин)

Материя - это объективная реальность, данная нам в ощущениях и существующая независимо от нашего сознания.

Важнейшими свойствами материи, которые появились на определен- ном этапе ее эволюции и которые проявляется лишь у самой высокооргани- зованной ее части - человека являются разум и сознание. На протяжении все-

70

го культурно-исторического развития не утихают споры о том, что первично: материя или сознание. Наука считает первичной материю, как первопричину всего сущеcтвующего.

Материя пребывает в виде прерывных (вещества) и непрерывных (полей разной природы) объектов. Из вещества сложены все тела природы. Оно представляет совокупность дискретных (лат. discretus - разделенный, преры- вистый) образований, сосредоточенных в определенной области пространст- ва. Их элементарными структурными единицами являются атомы и молеку- лы, которые представляют системы взаимодействующих электронов, прото- нов, нейтронов и других элементарных частиц.

Современной наукой достаточно хорошо изучены три агрегатных со- стояния (фазы) вещества - твердое, жидкое и газообразное. При определен- ных условиях (температура, давление, напряженность электрического поля) одно состояние может переходить в другое. В результате фазового перехода изменяются механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические и другие свойства вещества. Это связано с изменением характера взаимодей- ствия и движения атомов, молекул и других частиц, из которых состоит ве- щество. Особое состояние вещества представляет плазма - ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны. В плазменном состоянии находится бо′льшая часть вещества Вселенной (звез- ды, туманности, межзвездная среда).

Сами тела или их части являются источником фундаментальных полей - непрерывных и безграничных объектов, которые пронизывают все про- странство Вселенной и способны воздействовать на другие, идентичные им объекты (или передавать взаимодействие тел на расстоянии). Слово «поле» широко используется в разных отраслях знаний и понимается как совокуп- ность точек реального или воображаемого пространства, объединенных в це- лое на основе какого-либо их общего свойства. Например, поле рациональ- ных чисел в математике, семантические поля в языке, поля температур, де- формаций, скоростей - в физике. К фундаментальным физическим полям, проявляющимся в той или иной степени во всех явлениях и процессах приро- ды, относят гравитационное, электромагнитное, сильное (ядерное) и слабое (распадное).

Наличие поля связывают со свойством материи, которое называют заряд. Каждый носитель материи в общем случае является обладателем (источ- ником) нескольких типов зарядов. В качестве таковых выступают хорошо из- вестные из школьного курса физики масса и электрический заряд. Масса яв- ляется эквивалентом (лат. aequivalens - равноценный) гравитационного заря- да. С одной стороны она проявляется в способности тел создавать вокруг се- бя гравитационное поле и через него воздействовать на другие тела, притяги- вать их к себе, а с другой - проявляется в инерции - стремлении тел сохранять свое состояние. Электрический заряд создает вокруг себя электромагнитное поле и через него взаимодействует с другими электрическими зарядами, при- тягивая или отталкивая их в зависимости от знака последних. Каждый из ви- дов заряда является источником соответствующего поля. Но при этом взаи-

71

модействуют между собой только однотипные заряды. Поля имеют волновую природу. Их носителями являются элементарные кванты энергии и соответ- ствующие им элементарные частицы. Само взаимодействие материальных объектов представляет собой процесс обмена элементарными квантами.

Гравитационное поле является определяющим во всех явлениях мегами- ра. Его носителем является гравитон (который ввиду его малости и несовер- шенства измерительной аппаратуры пока не удалось обнаружить). Благодаря гравитации Вселенная, галактики, планетарные системы существуют как единое целое, планеты Солнечной системы удерживаются на своих орбитах, воздушная оболочка Земли сосредотачивается вблизи ее поверхности. Грави- тационное сжатие звезд обеспечивает повышение температуры их поверхно- сти до нескольких тысяч градусов и выше. При таких температурах активно протекают термоядерные реакции, благодаря которым в околозвездное про- странство поступают огромные потоки энергии.

Электромагнитное поле является определяющим в молекулярных и атомных системах, обеспечивая их целостность, химические и физические свойства. Это поле является основным переносчиком энергии и информации в мега- и макромире. Его носителем является фотон. Сильное поле удержива- ет нуклоны в ядрах атомов и обеспечивает целостность этих систем, а также протекание сильных внутриядерных процессов, которые могут сопровож- даться выделением огромных энергий. Слабые поля проявляются на микро- уровне при протекании таких слабых процессов, как β- распад. Их носителя- ми являются глюоны, которые в свободном виде пока не удалось обнаружить,

однако есть косвенные доказательства их существования на промежуточных стадиях превращения тяжелых элементарных частиц.

Деление материи на вещество и поле чрезвычайно важно. Это помогает

при изучении одной из форм абстрагироваться от другой и более детально изучить их свойства по отдельности. Но это деление весьма условно, особен- но, если это касается мира элементарных частиц, где наиболее ярко проявля- ется их взаимопревращаемость, а разделение вещества и поля вообще теряет смысл. Кроме того, во всем пространстве существования материи на долю поля приходится гораздо больший объем, чем на собственно вещество. Сего- дня ученые выдвигают гипотезу о существовании физического (или динами- ческого) вакуума - как некой праматерии, в которой вещество и поле состав- ляют единство, из которого рождаются как частицы, так и поля.

2. Атрибуты материи: отражение и движение

Важнейшим свойством материи является отражение. Это ее атрибут (лат. atributio - придаю, наделяю) неотъемлемое и всеобщее свойство.

Отражение проявляется в способности материальных явлений, пред- метов и систем взаимодействовать друг с другом, каким-то образом проявлять себя по отношению к другим, вступать с ними в определен- ные отношения, воспроизводить в себе особенности объектов, с кото- рыми осуществляется взаимодействие и сохранять их «следы».

Объекты разной структурной организации по-разному отражают явления окружающего мира. Неживым объектам присуще простое отражение. Напри-

72

мер, при столкновении пластилиновых шариков происходит их деформация, исследуя которую можно сделать вывод о параметрах (греч. parametron - от- меривающий) столкновения. Живые объекты обладают «опережающим» от- ражением, то есть способны запоминать следы былых взаимодействий и при

аналогично складывающихся обстоятельствах как бы заранее готовится к ожидаемым воздействиям и адаптироваться (лат. adaptatio - приспособле- ние) к ним. Например, деревья и животные заранее готовятся к холодному времени года. В мышлении человека опережающее отражение проявляется в способности моделировать ситуацию, прогнозировать возможные ее исходы

ипринимать оптимальные решения.

Вокружающем мире все взаимодействует со всем. Классическая наука акцентирует внимание на двух механизмах взаимодействия: дальнодействие, которое осуществляется мгновенно посредством некой упругой среды - эфи- ра между удаленными телами (Ньютон); близкодействие, которое передается полем от точки к точке, непрерывно, с конечной скоростью (Фарадей).

Современной науке известно четыре типа фундаментальных взаимодей- ствий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Для двух прото-

нов в ядре атома интенсивности этих взаимодействий относятся соответст-

венно как: 1: 10-2: 10-10: 10-38.

Сила гравитационного взаимодействия определяется законом всемирно- го тяготения. Оно является универсальным, ему подвержены все без исклю- чения тела природы, в том числе и микрочастицы. Но, так как последние имеют ничтожно малые массы, гравитационные взаимодействия в микромире существенной роли не играют. Несмотря на то, что это взаимодействие изу- чается давно, до сих пор нет однозначного ответа на вопрос, какова природа гравитации? Каков «передаточный» механизм тяготения.

Электромагнитное взаимодействие описывают закон Кулона, закон взаимодействия токов, закон электромагнитной индукции. В электромагнит- ных взаимодействиях участвуют все объекты, имеющие электрический заряд. Переносчиком этих взаимодействий являются фотоны - кванты электромаг- нитного поля. Это взаимодействие в 1036 раз мощнее гравитационных и в явлениях микромира уже играет существенную роль. Радиус действия как гравитационных так и электромагнитных взаимодействий бесконечно боль- шой, силы взаимодействия обратнопропорциональны квадратам расстояний между взаимодействующими объектами.

Сильное или ядерное взаимодействие обуславливает связь нуклонов в ядре. Это взаимодействие короткоживущее, проявляется на расстояниях 10-15 м. Энергия его в 137 раз больше энергии кулоновского взаимодействия.

В слабом или распадном взаимодействии участвуют все элементарные частицы кроме фотонов. Радиус действия слабых взаимодействий - 10-18м.

Взаимодействие - это процесс взаимного влияния объектов или систем друг на друга путем передачи (переноса) вещества, энергии и информации, это то, что заставляет мир и отдельные его объекты изменяться, обуславли- вает взаимосвязь процессов и явлений, определяет существование и струк- турную организацию любой материальной системы, выступает как объектив-

73

ная и универсальная причина движения материи. Количественной мерой

взаимодействия является сила.

Окружающий нас мир динамичен, в нем нет ничего неизменного. Вся- кий раз во всем мы замечаем что-то новое - неповторимо каждое мгновение нашей жизни, нельзя вернуться в прошлое и точно также повторить свой жизненный путь. Все необратимо. Любое изменение - перемещение ли тел в пространстве, изменение ли внутренней структуры систем, рост или развитие организмов и есть движение. Оно, как и отражение, - атрибут материи. Дви- жение абсолютно (лат. absolutus- неограниченный, существующий всегда) и

вечно, покой относителен.

И в то же время в изменяющемся мире наряду с появлением нового по- вторяется что-то старое. В этом большом круговороте событий небесные све- тила периодически занимают отведенные им на небосводе места, чередуются времена года, из года в год весной все живое просыпается от зимней спячки, каждый день, по известному распорядку, восходит и заходит Солнце, на сме- ну ночи приходит день, на смену отмершим деревьям вырастают молодые, дети заменяют своих родителей. Но это постоянство относительно, оно явля- ется лишь частью или каким-то этапом изменения.

Но что движет миром? Должны же быть причины этих изменений. Что заставляет Землю вращаться вокруг своей оси, планеты -вокруг Солнца, про- текать химические реакции, расти кристаллы или организмы? - Это энергия (греч. еnergeia- действие, деятельность). Источник ее сама материя. Она явля- ется свойством материи, отражает степень воздействия одних тел на другие и проявляется в их способности совершать работу. Переданная телу энергия,

совершаемая над ним работа или приложенная к нему сила определяют такие важные показатели движения как ускорение и скорость.

Взаимодействие и движение обуславливают изменчивость мира, его подвижность и процессуальность. (лат. processus- продвижение).

Следует выделить еще два понятия, которые мы будем использовать в дальнейшем - энтропия и информация.

Исследуя поведение термодинамических систем немецкий физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории Р.Клаузиус (1822-1888) для описания протекающих в них процессов ввел специальную функцию, характеризующую состояние системы, и назвал ее энтропией (S) (греч. entropia- поворот, превращение). Она является мерой беспорядка в системе. Энтропия всегда положительная величина/ Иногда ис- пользуют термин негэнтропия - энтропия, взятая со знаком минус; она отра- жает степень упорядоченности системы.

Информация в обыденном смысле - это совокупность сведений о чем- либо. Но как оказалось, информация - это всеобщее свойство материи, за-

ключающееся в способности материальных объектов сохранять следы былых взаимодействий. Информация проявляется через отражение и может быть оценена количественно.

К числу фундаментальных свойств материального мира относятся его структурность (лат. structura - строение, расположение, порядок) и сис-

74

темность. Структурность мира проявляется в существовании бесконечного множества иерархических взаимосвязанных систем, начиная от элементарных частиц и заканчивая Вселенной.

3. Пространство и время

Все процессы и события - исторические, геологические, физические, хи- мические, биологические, социальные - протекают в пространстве и времени.

Материя не существует вне пространства и вне времени.

Без пространственных представлений невозможны ориентация и любой вид деятельности. Развитие техники, архитектуры; воплощение инженерной мысли идет через ее пространственное представление - чертеж. С понятием пространства связаны наши представления о протяженности объектов. Его мы ощущаем как непрерывную совокупность точек - континуум (лат. continuum - непрерывное). Пространство трехмерно. Трехмерная система коорди- нат и связанная с ней система отсчета была введена французским математи- ком, физиком и философом Р.Декартом (1596-1650), которому современная наука обязана представлением о переменной величине и функции, формули- ровкой закона сохранения количества движения. Свойства пространства во всех направлениях одинаковы, оно изотропно. При параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел ее физические свойства и законы дви- жения не зависят от выбора начала координат системы отсчета, пространство

однородно.

Пространство, заряд и взаимодействие - глубоко взаимосвязанные

свойства материи

Эта взаимосвязь отражается в математических выражениях фундамен- тальных законов природы - всемирного тяготения, взаимодействия электри- ческих зарядов и токов:

F (m1 m2)/ r2 , F (q1q2)/ r2, F I1 I2/ r2

Все их отличие лишь в том, что в одном случае в формуле стоят массы взаимодействующих тел, а в другом - электрические заряды или токи.

То, что характеризует длительность событий называют временем. Время не изучает никакая специальная наука, оно всего лишь один из объектов изу- чения физики. Его невозможно увидеть, но мы его чувствуем по ритмам при- роды (смена времен года, дня и ночи), связанным с движением небесных тел в пространстве, по своим собственным ритмам (ритмы в работе наших орга- нов - сердца, мозга, отдельной клетки), созвучным природным. Если про- странство можно обозревать полностью и любоваться им по частям, то время мы ощущаем отдельными мгновениями. Если в пространстве мы можем пе- ремещаться в разных направлениях, то во времени это сделать невозможно -

мы не можем совершить путешествие в будущее или прошлое и вернуться обратно в настоящий момент (если только не пофантазировать, не обратиться к историческому трактату, кинофильму, литературному произведению).

Время однородно, однонаправленно и необратимо.

Его однонаправленность и необратимость наглядно иллюстрируется хо- дом культурно-исторического развития цивилизации. Еще античные мысли-

75