Концепция современного естествознания

Вопросы к зачёту

1. Какие науки и почему объединяют термином “science”?

• называется естественными науками, т.е. науками о природе. Астрономия, Биология, География, Геология, Физика, Химия.

2. Какова роль естественных наук в развитии критических технологий?

Критические технологии – это технологии, которые прямо или косвенно влияют на процессы устойчивого развития общества и государства. Они напрямую связаны с решением основных глобальных проблем человечества. Математика, физика, химия и биология учат

думать и рассуждать,

отличать правильное суждение от неправильного.

3. Высокие технологии, нанотехнологии. Почему эти технологии стали развиваться именно сейчас?

Нанотехноло́гия — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомарной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

4. Какие факторы и почему определяют наступление лженауки?

• Чернобыльская катастрофа (страх перед «атомной энергетикой», поэтому «запретить», а не разобраться и не устранить негативные причины); • экономический и политический кризис в стране (нищета во всем - в том числе и в духовной области, - поэтому, проще разрушить образование); •крушение идеологии;

• кризис власти и общества;

• «особый» менталитет большинства законодателей и членов правительства (огромное число малограмотных или безграмотных людей, которые не смогли овладеть научным подходом, и поэтому считают, что науку развивать не следует); • люмпенизация интеллигенции.

5. Каковы основные принципы взаимодействия науки и религии?

Наука отвечает на вопросы – «Как?», «Каким образом?». Как устроен мир? Каким путем идет эволюция живого? 2. Но есть вопросы – «Зачем?», «Почему?» -, на которые наука не может дать ответа. Ответ пытается дать религия. Зачем существует Человек? Почему действует закон всемирного тяготения?

Рациональное и религиозное мышление – не противоречат друг другу (многие ученые занимались и богословским проблемами).

Рациональный подход – порожден практикой человека, религиозные чувства связаны с духовным миром человека.

6. В чём суть научного подхода к познанию мира?

1) Рационализм – система взглядов, основанная на представлениях и логических заключениях, формирующихся в сознании людей. Современный рационализм связан с революцией Коперника – Галилея – Ньютона.

Мир – очень сложный механизм, но Человек способен познать Абсолютную Истину.

2) Редукционизм – изучение сложной системы с помощью анализа ее отдельных составляющих и упрощающих представлений об их взаимодействиях (моделирование, объяснение «на пальцах»).

3) Принцип дуализма

а) Кант – рациональность Мира, и иррациональность Человека.

б) Русский космизм - влияние Высших космических сил через человеческий разум на развитие планеты Земля, на организацию биосферы, околоземного пространства и Вселенной в целом.

4) Современный рационализм

а) Вселенная – единая система, все элементы которой связаны между собой.

б) Существует лишь то, что наблюдаемо (принцип Бора).

Наблюдатель – часть системы (Иными словами, человек может изучать Вселенную только изнутри и только то, что доступно ему в некоторой части).

7. Почему язык науки имеет свою специфику?

Любой язык - это не просто набор слов, каждое из которых имеет определенное значение, а набор слов, имеющих определенную конструкцию и сочетающихся друг с другом по определенным правилам, придающим языку в целом смысловую структуру.

Природа тоже "говорит на своем языке", но в нем роль слов выполняют различные материальные объекты, взаимодействующие друг с другом по правилам, которые мы называем законами. Эти законы и позволяют передавать языком науки смысл того, что говорит природа, несмотря на то, что ни одно из ее слов не поддается буквальному переводу на человеческий язык.

8. Охарактеризуйте основные особенности динамической концепции познания мира; дайте определения динамическому объекту и сложной динамической системе.

Динамическая концепция основана на простых правилах:

1. В основе хаотического многообразия нашего чувственного опыта лежит действие универсальных законов.

2. Закон - это программа, которой следует природа. Закон описывает устойчивое, регулярное, воспроизводимое явление. Законы должны быть просты. Простота научного знания диктуется простотой природы. Любая задача начинается с изучения простейшего элемента.

3. Знание законов, действующих на элементарный объект, доступный наблюдению, позволит экстраполировать законы макромира, в область мега- и микромира, не доступные наблюдениям (принцип экстраполяции).

4. Объектом динамики является простейший объект.

5. Простейший объект - это элемент, внутренней структурой которого можно пренебречь. Это макрообъект. Он легко выделяется из окружающего мира и допускает за собой внешнее наблюдение.

6. Динамический объект может обладать любым значением энергии или покоится.

Сложная динамическая система - это система жестко связанных элементов, внутренней структурой которых можно пренебречь. Сложный объект состоит из простых неделимых неизменных элементарных частей (молекула состоит из атомов).

1. Любое превращение в системе - это соединение и разъединение элементарных частей.

9. В чём смысл существования человека с точки зрения науки и каковы основные формы этого существования?

Cуть человеческого существования - овладение миром в процессе деятельностного, познавательного, осмысленного существования в нем.

10. Модельный подход и основные принципы научного моделирования объектов и процессов.

Закон выявляется с помощью моделей.

Основа моделирования - упрощение и идеализация ситуации.

Модели - это ступеньки на пути к реальной действительности.

Любое сложное явление упрощается: выделяют значимые факторы и пренебрегают незначимыми. В одной задаче пренебрегают формой объекта, в другой - размерами, в третьей структурой и т. д. Практически создается абстрактный объект, информация о котором сжимается, интегрируется. Сжатие информации приводит к потере незначимых факторов и выделению значимых.

Наука намеренно подчеркивает и преувеличивает определенные стороны действительности.

11. Каковы основные цели и основные этапы научного моделирования?

Фундаментом моделирования, отсекающим неверные пути, служат законы сохранения, интуиция и здравый смысл.

Экспериментатор

1. Прежде чем ставить эксперимент или производить какие-то вычисления, человек создает в своем уме некую модель тех явлений, которые он хочет изучить, исследовать.

2. Анализируя модель, учёный делает вывод, каким должен быть результат эксперимента. Он ожидает, что если собрать такой-то прибор, то стрелки будут показывать то-то и то-то. Он собирает такой прибор, ставит эксперимент и убеждается, что стрелки ведут себя нужным образом. Он с удовлетворением говорит, что его модель достаточно точно отражает исследуемое явление.

Теоретик, имея запас некоторых законов природы, - или придумывая новый закон, - делает из него выводы и смотрит, согласуются ли эти выводы с тем, что получает экспериментатор.

    Таким образом, основное в деятельности естествоиспытателей - это исследование окружающего мира, через его моделирование.

Слово "модель" употребляется в максимально широком смысле (любое словесное описание - это уже модель).

Первые попытки моделирования: моделями были процедуры (схемы) счета конкретных вещей (следы обнаруживаются в японском языке. В этом языке существуют специальные группы числительных для круглых предметов, для длинных предметов, для живых предметов и так далее. Можно сделать вывод, что система японских числительных представляет собой некоторый рудимент хода мыслей, в котором люди пришли к абстрактному понятию числа. Только на очень высокой ступени развития они пришли к той мысли, что вообще конкретная суть предметов роли не играет, и счет можно производить в совершенно абстрактной форме.)

Модели должны быть не слишком просты - иначе можно не уловить существенных черт явления - но и не слишком сложны - иначе модель нельзя будет исследовать.

Экспериментально установленный факт № 1: природу мы познаем с помощью моделей. (Возможны, конечно, подходы в рамках религиозного или мистического опыта, но это полностью выходит за пределы нашей темы).

   Экспериментально установленный факт № 2:  рассматривая модели в разных науках, мы вдруг обнаруживаем группы чрезвычайно сходных моделей и результаты, полученные в одной модели, могут быть применены в другой.

Целью процесса моделирования являются: - анализ наблюдаемых явлений;

- поиск физико-химических закономерностей, которым это явление подчиняется, а также связей, присущих его частям;

- построение на их основе физико-химических моделей - «эквивалентов» объекта изучения («идеализация» объекта – отбрасывание несущественных деталей – при построении моделей материального баланса не учитывают дефекта массы из-за радиоактивного распада);

- подбор подходящего математического аппарата для описания физико-химических процессов (построение математической модели);

- выбор подходящего алгоритма для реализации математической модели (последовательность математических и логических операций для вычисления заданных величин с заданной степенью точности);

-создание компьютерных программ (перевод модели и алгоритма на доступный компьютеру язык);

- проверка гипотез и теорий

а) эксперимент

б) численный эксперимент – вычисления на компьютере– это моделирование работы системы для некоторого набора параметров системы. Как правило, этим методом пользуются, когда экспериментальные данные о поведении системы ограничены.

- прогноз временного поведения процесса при различных условиях.

Верификация и идентификация моделей. Верификация – это проверка прогнозирующей способности модели.

Идентификация – определение параметров модели.

Модификация моделей. Упрощенные модели иногда называют минимальными.

12. Какова роль математики в процессе познания мира?

Математикой называется наука, изучающая все возможные - хотя бы мысленные - схемы, их взаимосвязи, методы их конструирования, иерархии схем (схемы схем).

Математика не есть наука о моделях окружающего мира, а есть наука о схемах этих моделей. Математики детально изучают имеющиеся схемы моделей и обобщают опыт их применения.

Многочисленность разнообразных схем моделей, накопленных в математике, не позволяет практику (скажем, инженеру) их все знать. Поэтому задача математиков - помочь практике в создании моделей по еще не получившим широкой известности схемам.

Величайшее открытие всех времен то, что информацию можно записать с помощью математического кода.

Формулы - это обозначения слов знаками, что ведет к огромной экономии времени, места, символов. Формула компактна, наглядна, проста, ритмична.

Математика потенциально одинакова для всех миров. Орбита Луны и траектория падения камня на Земле - частные случаи одного и того же математического объекта - эллипса. Универсальность дифференциальных уравнений позволяет применить их к объектам разной природы: колебания струны, процесс распространения электромагнитной волны и т.д.

В математике нужно постоянно придумывать принципиально новые схемы моделей. Иногда - при редкой удаче - это удается сделать, так сказать, "из головы". Но, как правило, эти схемы приходится с большим трудом извлекать из реальных моделей. Каждый раз это - крупный успех, знаменующий скачок в развитии математики, открывающий новое поле работы. Поэтому для развития математики необходимо постоянное обращение к практике.

13. Охарактеризуйте основные этапы развития представлений об устройстве Вселенной.

Система Мира - это представления о расположении в пространстве и движении Земли, Солнца, Луны, звезд.

Очень простая и наглядная система мира в древнем Вавилоне:

Древнегреческий ученый Клавдий Птолемей (ок.90-ок.160 гг.) в своем труде “Альмагест” предложил геоцентрическую систему Мира. Однако трудно описать движение планет, приходится вводить много дополнительных предположений. (И поплыл Колумб в Индию, а открыл Америку.

Николай Коперник (1473-1543 гг.) провозгласил в своей книге “Об обращении небесных сфер” гелиоцентрическую систему мира. Огромный прорыв в описании Мира, но … звезды по-прежнему «прибиты гвоздями» к небосводу.

Вселенная Ньютона

Сэр Исаак Ньютон (1643-1727 гг.) в своем труде “Математические начала натуральной философии” (1687 г.) заложил основы классической физики:

1. Существует абсолютное пространство, которое однородно, изотропно и имеет бесконечную протяженность.

2. Существует абсолютное (истинное и математическое) время. Время бесконечно и имеет одно измерение.

14. Классическая физика. Основные представления о Вселенной и всемирных законах природы.

Законы классической физики:

1. Существует абсолютное пространство, которое однородно, изотропно и имеет бесконечную протяженность.

2. Существует абсолютное (истинное и математическое) время. Время бесконечно и имеет одно измерение.

если Вселенная - бесконечна, то произвольная точка в бесконечной Вселенной испытывает одинаковое притяжение в любом направлении и поэтому остается на месте.

Бесконечная и стационарная (т.е. неизменная во времени) Вселенная существовать может, но сам Ньютон понимал, что такая Вселенная очень неустойчива.

Строгое математическое решение сформулированной задачи показало нетривиальный результат:

Вселенная может быть стационарной, но только в том случае, если она (Вселенная) имеет конечные размеры, но неограниченна.

15. Инерциальные системы отсчёта.

Первый закон - закон инерции: всякое тело, на которое не действует внешняя сила, сохраняет по инерции (вследствие наличия инертной массы) состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Согласно современным представлениям под телом следует понимать материальную точку, а под движением – движение относительно инерционной системы координат.

Инерциа́льная систе́ма отсчёта (ИСО) — система отсчёта, в которой справедлив закон инерции (1 закон Ньютона): любое тело, на которое не действуют внешние силы (или сумма сил равно нулю), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Всякая система отсчёта, движущаяся относительно ИСО равномерно и прямолинейно, также является ИСО. Согласно принципу относительности, все ИСО равноправны, и все законы физики в них действуют одинаково.

Время – инерциально

16. Современные представления о Вселенной и всемирных законах природы.

Согласно современным представлениям под телом следует понимать материальную точку, а под движением – движение относительно инерционной системы координат.

Законы механики Ньютона строго инвариантны, неизменны относительно изменения знака времени: замена +t на -t ничего в них не меняет. Поэтому и говорят, что механика обратима, - если мы (теоретически) абсолютно точно зададим начальные координаты и импульсы частиц, то можем узнать сколь угодно далекое прошлое и сколь угодно далекое будущее системы.

В мире И.Ньютона все события раз и навсегда предопределены, это мир строгого детерминизма, в котором нет места случайностям.

Ньютоновские законы механики перестают быть справедливыми для движения объектов очень малых размеров (атомы) и при скоростях, близких к скорости света.