Учебное пособие Москва, 2007 удк 50 Утверждено Ученым советом мгупи
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие уфа-2007 удк 330. 01 (075. 8) Ббк 65. 02., 836.31kb.
- Утверждено Ученым Советом факультета психологии Санкт-Петербургского госуниверситета, 618.84kb.
- Учебное пособие для вузов Составитель Т. А. Тернова, 165.31kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2007 удк алексеева С. Ф., Большаков В. И. Информационные, 1372.56kb.
- Учебное пособие Кемерово 2007 удк, 1748.31kb.
- Учебное пособие Казань кгту 2007 удк 31 (075) 502/ 504 ббк 60., 1553.23kb.
- Учебное пособие Рекомендовано учебно-методическим советом угаэс уфа-2005 удк 330., 1365.17kb.
- Учебное пособие Москва Издательство Российского университета дружбы народов удк 811., 4061.47kb.
- М. К. Аммосова Институт физической культуры и спорта рабочая программа, 137.47kb.
- Базовый курс Учебное пособие Третье издание, исправленное и дополненное Томск 2007, 1615.15kb.
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Московский государственный университет
приборостроения и информатики»
Л.И. Аладинская
КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
учебное пособие
Москва, 2007
УДК 50
Утверждено Ученым советом МГУПИ
Рецензент – доцент, к.ф. – м.н. В.М. Ратьков
доцент, к.т.н. Б.Я. Шпиченецкий
Учебное пособие предназначено для студентов МГУПИ,
изучающих дисциплину «Концепции современного естествознания»
Издательство МГУПИ
Содержание
Введение ………………………………………………………………… 4
- Панорама современного естествознания ………………………………. 4
- Измерения и эксперимент в точном естествознании ………………… 11
- Структурные уровни организации материи: микромир и макромир…. 14
- Структурные уровни организации материи:
мегамир, ближайший космос …………………………………………… 20
- Пространство. Время. Движение ……………………………………. 24
- Силы в природе ………………………………………………………… 28
- Концепция физического поля ……………………………………. 32
- Фундаментальные законы сохранения и
симметрия пространства-времени ……………………………………. 36
- Колебательные процессы …………………………………………… 40
- Волновые процессы ………………………………………………….. 42
- Элементы физики микромира. Квантовая механика ………………… 45
- Радиоактивность ………………………………………………….. 50
- Динамические и статистические закономерности ……………….... 52
- Закон сохранения энергии в макроскопических процессах ………….. 55
- Порядок и беспорядок в природе. Фазовые переходы ……………….. 57
- Основные понятия химии ……………………………………………… 59
- Химические процессы ………………………………………………….. 62
- Планета Земля …………………………………………………………… 64
- Биосфера ………………………………………………………………… 67
- Феномен человека ………………………………………………………. 72
- Космические и биологические циклы …………………………………. 77
- Самоорганизация в неживой природе …………………………………. 79
- Самоорганизация в живой природе ……………………………………. 83
- Развитие социальных систем.
Принцип универсального эволюционизма …………………………..... 86
Вопросы для подготовки к экзамену ………………………………….. 91
Рекомендуемая литература ………………………………………………… 92
Введение
В современном обществе, где каждый человек, а тем более специалист, оказывается вовлечённым в многообразную технологическую и информационную деятельность, повышается роль и значение фундаментальных научных знаний. Освоить их на концептуальном уровне, представить себе процесс развития науки и культуры, осознать сложные нюансы их взаимодействия жизненно необходимо и специалистам гуманитарных направлений. Невозможно понять развитие человеческой цивилизации в отрыве от развития научных и особенно естественнонаучных идей. Без достижений естествознания, прежде всего физики, химии и биологии, невозможен не только дальнейший прогресс человечества, но и решение глобальных проблем –– экологической, энергетической, демографической и других. Человечество в начале нового тысячелетия находится в состоянии выбора путей развития. Поэтому люди, которые будут в скором времени руководить общественными и экономическими процессами, должны обладать научным мировоззрением, широким кругозором, владеть новейшими методами и подходами к деятельности, характерными для разносторонне развитого высокообразованного человека. Лишь в этом случае принимаемые ими решения будут грамотными и взвешенными, будут направлены на пользу человеку, обществу, природе. Задачу подготовки такого специалиста призван решать широкий круг учебных дисциплин, среди которых одно из важных мест занимает курс «Концепции современного естествознания».
Лекция 1
Панорама современного естествознания
1. Наука в системе человеческой культуры. Научный метод.
На протяжении многих веков развития цивилизации передовая мысль неоднократно ставила и пыталась решать вопросы о сущности процесса познания, о его соотношении с человеческим бытием и сознанием. Возникновение и развитие науки подняло процесс познания мира на новый уровень, поэтому вопрос о том, что представляет собой наука, каковы её структура и роль в обществе, занял одно из центральных мест в философских системах последних столетий. Науку как сложнейшее и многогранное понятие необходимо рассматривать в контексте общечеловеческой культуры.
Культура – это социально-прогрессивная творческая деятельность человечества во всех сферах бытия и сознания, направленная на позитивное преобразование действительности, на превращение исторически сформировавшихся ценностей во внутреннее богатство личности, на всемерное выявление и развитие сущностных сил человека. В отличие от природных объектов и процессов культура возникает и развивается в процессе человеческой деятельности при направляющем влиянии сознания, мышления, чувств, воли, а также знаний о мире. Культура обеспечивает воспроизводство и изменение социальной жизни во всех её проявлениях, т.к. включает в свою структуру практический опыт человечества (ремёсла, технику, технологии, производство) и сферу его духовной жизни (философию, науку, искусство, религию, традиции, экономику, политику, право, образование и т.д.). Выполняя в социальном отношении аксиологическую и деятельностную функции, культура в личностном аспекте является способом и результатом саморазвития личности.
Культура есть единство материальных и духовных элементов, однако принято рассматривать отдельно две области – материальную и духовную культуру. Анализ системы духовной культуры позволяет выделить следующие основные её компоненты: политическое и правовое сознание, мораль, искусство, религия, философия и, наконец, наука. Каждому из них в той или иной мере присущи ценностный и познавательный аспект, однако, наука как способ получения новых знаний о мире наиболее выраженно осуществляет познавательную функцию культуры. Достижения науки являются почвой для изменения мировоззрения (на общественном и индивидуальном уровне), а также для развития материальной стороны культуры (развитие техносферы, повышение уровня жизни и т.д.).
Таким образом, с одной стороны наука является отраслью духовного производства (создаются, накапливаются и передаются идеи, понятия, теории, системы знаний); с другой стороны наука превращается в производительную силу общества, мощный социальный институт. Это позволяет говорить, что влияние науки распространяется и на материальную область культуры. Наука как сфера деятельности включает в себя учёных с их знаниями, квалификацией, разделением и кооперацией научного труда; научные учреждения с их материально-технической и экспериментальной базой; систему научной информации; методологию научного познания и всю сумму наличных знаний.
В чём же состоят особенности научного знания? Если донаучное и вненаучное (обыденное) знание позволяет лишь констатировать и поверхностно описывать различные факты, то научное знание предполагает не только описание, но и объяснение, выявление комплексов причин, порождающих явления. Научная деятельность направлена на получение такого нового знания, истинность которого не просто утверждается, но и доказывается, обосновывается. При этом происходит строгая, последовательная организация и систематизация знаний, применяются научные методы исследования, осуществляются достоверные предсказания. Наука стремится получить объективное знание, не зависящее от особенностей личности исследователя. Объектом исследования в науке является не только то, что непосредственно используется и преобразуется в сегодняшней практике, но и то, что может стать предметом практического освоения в будущем. Научное знание выражается в форме понятий, законов, категорий, гипотез и теорий, а также в сформированной на их основе научной картине мира. Условно науку разделяют на фундаментальную (направленность на получение нового знания «в чистом виде) и прикладную (направленность на конкретный результат в практической деятельности).
Процесс научного познания характеризуется особым научным методом. Научный метод – это способ организации приёмов и средств познания, предметных и теоретических операций для достижения научной истины, которая проверяется на практике. В соответствии с двумя уровнями научного познания (эмпирическим и теоретическим) научные методы условно делятся на эмпирические и теоретические. К эмпирическим относятся методы, связанные с непосредственным отображением объекта, материально-чувственным взаимодействием с ним человека. На этом этапе происходит фиксация, накопление, группировка и обобщение исходного материала, складываются такие формы знания как научный факт и закон. К эмпирическим методам относятся наблюдение и эксперимент, моделирование, измерение и т.д. На теоретическом уровне решается задача объяснения, почему именно эти, а не другие закономерности, характеризуют данный процесс или объект. Теоретические методы обеспечивают логическую организацию знаний о законах, связях и отношениях, полученных на эмпирическом уровне. Высшим результатом теоретического уровня познания является научная теория.
В философском аспекте научный метод является диалектическим, поскольку рассматривает все процессы и явления в их органической взаимосвязи и развитии, объединяет теорию и практику, аккумулирует обобщённый практикой исторический опыт познания мира. В соответствии с особенностями познавательного процесса, выделяемыми в философии и психологии, к общим методам научного познания относятся сравнение, анализ и синтез, абстрагирование, идеализация, обобщение, а также моделирование, индукция и дедукция. В аспекте конкретной исследовательской деятельности ведущим методом является эксперимент.
Систематизацию методов, изучение их происхождения, сущности и эффективности осуществляет особая отрасль науки – методология. На основе выявляемых этой наукой закономерностей осуществляется выбор конкретных методов познания, а также методологических установок – представлений об общих свойствах объекта и процесса познания, о том, каким по форме должен быть результат познания. Методологические установки соединяют познавательный и ценностный аспекты познания, и через них конкретная наука включается в систему культуры в целом.
2. Естественнонаучная и гуманитарная культура.
Естествознание в системе науки.
Накопление количества и изменение качества информации об окружающем мире, её классификация и систематизация способствовали выделению природы, человека и общества как самостоятельных объектов познания и разделению единого поля науки на отдельные области. Этот процесс получил название дифференциации (разделения) научных дисциплин, которых насчитывается в настоящее время около пятнадцати тысяч. В современной науке чётко выделяются три области:
Система знаний о человеке, обществе и различных формах общественной жизни – гуманитарные науки;
Система знаний о природе – естествознание;
Система знаний о технике и технологии – технические науки.
На основе выявления общих оснований этих областей знания произошло формирование общего научного языка, системы понятий, специфических методов исследования, стереотипов (стилей) познания, традиций в понимании действительности. В этом процессе особая роль принадлежит философии и математике, пронизывающих и связывающих между собой все три названные области науки.
Внутри каждой из областей выделяются более узкие направления. Например, естествознание – это комплекс взаимосвязанных наук о живой и неживой природе и человеке как её части. Оно включает физику, астрономию, химию, биологию, медицину, геологию и др. Ход истории человечества объясняет, почему приоритет отдавался развитию естественных наук. В частности, это вызвано и тем, что естественные науки являются базисом технических наук, имеющих прикладной характер и включающих различные инженерные направления. Гуманитарные науки – это науки о человеке и его внутреннем духовном мире, о функционировании и развитии общества и всех его подсистем – культуры, науки, экономики, образования. К ним относятся культурология, социология, педагогика, право, языкознание, этнография, история и др. Каждая из выделенных наук в своём развитии превращается в сложнопостроенный комплекс знаний (этот процесс называется диверсификацией). Например, в химии выделяют неорганическую и органическую, аналитическую и физическую химию и т.д.
В связи с особенностями названных групп наук принято выделять два стиля мышления: гуманитарное и естественнонаучное. Для гуманитарного стиля характерна неразделимость познавательного и ценностного аспектов знания, объективного и субъективного, а также образное и эмоциональное восприятие мира, множественность путей решения проблемы. Естественнонаучное мышление отражает логику природы, причинно-следственные связи и законы их проявления, не зависящие от наблюдателя, восприятие мира здесь более рациональное, чем эмоциональное.
Сферы естественнонаучного, технического и гуманитарного знания взаимосвязаны и взаимодействуют друг с другом. Прогресс естественных и технических наук привёл к появлению крупных достижений в гуманитарных областях – экономике, политике, в решении глобальных проблем человечества, а развитие естественных наук даёт возможность человеку лучше понять свой потенциал, направить в нужное русло свои возможности. В настоящее время актуальной является проблема интеграции разнопредметных знаний и разных способов познания и освоения окружающей действительности. Само научное знание является по своей природе интегративным, а разбиение его на отдельные части чисто условно. Например, изучение феномена человека как био-психо-социального существа требует объединения усилий гуманитарных, естественных и технических наук. Процессы дифференциации и интеграции наук, идущие постоянно, отражают материальное единство мира, практические потребности развивающегося общества и всех его подсистем; эти процессы отражают объективные особенности процесса познания, являются характеристиками его развития. В настоящее время процесс интеграции является преобладающим, о чём будет сказано ниже.
3. Структура естествознания. Физика как основа естествознания.
Естествознание как комплекс наук о природе является основой научной картины мира, теоретической базой промышленного и сельскохозяйственного производства, техники, технологии, медицины и др. По содержанию оно условно разделяется на эмпирическое (направлено непосредственно на объект, на наблюдение и эксперимент) и теоретическое (направлено на выявление связей и закономерностей, развитие понятийного аппарата науки). Современное естествознание опирается на научный эксперимент и характеризуется высокоразвитой теоретической базой. По характеру объекта исследования естествознание разделяется на неорганическое (исследование неживой природы) и органическое ( изучение явлений жизни).
В первой классификации естественных наук (А. Ампер, 19 век) было около 200 дисциплин. В процессе развития внутренняя структура естествознания значительно усложнилась за счёт появления (особенно в последние десятилетия) новых дисциплин. В весьма упрощённом виде иерархию естественных наук можно представить следующим образом: в основе естествознания лежит физика как наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные свойства материи; к ней примыкает химия, имеющая с физикой во многом общее поле исследования; далее следует биология, изучающая живую природу от доклеточного уровня до биосферы и использующая как физико-химические знания, так и свои специфические законы. Существует множество так называемых пограничных наук, возникших на стыке различных направлений физики, химии и биологии, а также при пересечении проблем естествознания с проблемами гуманитарных и технических наук. Например, география изучает процессы и явления, протекающие в геосфере, одним из элементов которой является социум, поэтому физическую географию можно отнести к естественным наукам, а экономическую к гуманитарным (существуют и другие разделы географии, такие как медицинская, зоогеография и т.д.).
В структуре современной науки появилось и набирает силу такое новое направление как экология, которая в своём классическом виде изучает взаимосвязи живых организмов со средой их обитания. Однако проекция достижений классической экологии на различные сферы социоприродной среды делает её практически общенаучным подходом, используемым во многих областях знания. Трансдисциплинарной научной теорией является и синергетика, изучающая процессы самоорганизации и эволюции систем различной природы и дающая новый образ мира с точки зрения единого механизма развития.
Особое место среди всех наук занимает математика, которая выступает в качестве исторически развивающегося метода научного познания, обладающего исключительной мощью и эффективностью. Появление математических моделей в какой-либо отрасли науки свидетельствует о том, что система понятий этой отрасли значительно уточнилась и может быть подвергнута строгому и абстрактному, т.е. математическому изучению; это особенно важно при взаимодействии естественнонаучного и гуманитарного знания. Отношения математики и естествознания можно раскрыть следующим образом: естественнонаучные открытия обнаруживают ранее неизвестные свойства мира, а математика раскрывает свойства моделей мира, построенных естествознанием. Нередко революционные открытия в математике оказываются почвой для создания новых естественнонаучных моделей (этот факт сам по себе является важной проблемой науковедения и философии). Во всех случаях математическое кодирование явлений природы позволяет их лучше понимать, управлять ими и предсказывать ход процессов.
Основой и лидером естествознания по праву считают физику – науку о наиболее общих, фундаментальных закономерностях, управляющих явлениями природы на всех уровнях, описывающих свойства материи и особенности её движения. Физика изучает весьма сложные явления и объекты, основываясь на конечном количестве законов. Эти законы являются универсальными, т.е. справедливыми не только в условиях Земли, но, как предполагается. и во всей Вселенной. Для установления причин и описания механизмов всех природных процессов на самом первичном уровне необходимо привлекать именно физические законы. Этого уже достаточно для определения статуса физики как фундаментальной науки. В естествознании (и вообще в науке) физика задаёт стиль научного мышления, отличающийся высоким совершенством и сбалансированностью качественного и количественного описания явлений. Общепризнано, что степень развития других наук (химии, биологии, геологии и др.) оценивается тем, насколько им удаётся подойти к уровню, характерному для физики. Следует особо отметить связь физики с техникой и техническими науками, что прослеживается от механики древних греков до создания космических аппаратов и электронной техники наших дней. Техника во многом определяет направление физических исследований, а достижения физики становятся базой для создания новых и совершенствования старых отраслей техники. Физика определяет технический и технологический уровень производства, от её успехов зависит решение энергетической, экологической и других проблем человечества.
Физика играет особую роль в формировании естественнонаучной картины мира (ЕНКМ). ЕНКМ – это целостная система научных знаний и представлений об общих свойствах и закономерностях природы, возникающая на базе обобщения и синтеза основных естественнонаучных понятий, принципов, методологических установок и включающая в себя также систему моделей и методов познания. История науки показывает, что изменение ЕНКМ происходит со сменой физических представлений , создающих предпосылки для появления новых подходов в других областях знания и позволяющих дать более глубокое и полное описание накопленных эмпирических фактов. Связи, которые вскрывает и обосновывает физика, в дальнейшем получают отражение в других науках и философии. С 17 по 20 век физика прошла через этапы механистической, тепловой, электромагнитной и квантово-релятивистской картин мира, явившихся основой ЕНКМ в каждую эпоху. Другие науки только в 20 веке смогли поставить перед собой задачу построения научной картины мира. Сейчас в науке вызревает новый подход к созданию ЕНКМ –синергетический, во многом черпающий идеи также из достижений физики.
Основными отраслями современной теоретической физики являются: механика твёрдого тела и материальной точки, механика сплошных сред, термодинамика и статистическая механика, электродинамика, оптика, теория тяготения, квантовая механика, квантовая теория поля. Конкретное содержание физики как науки может быть раскрыто лишь при систематическом её изучении, однако идеи, лежащие в основе фундаментальных теорий, будут далее изложены на концептуальном уровне.
4. Исторические периоды развития естествознания.
По мнению историков науки, развитие познания природы прошло три стадии и в конце 20 века вступило в четвёртую.
Первая стадия , которую условно можно назвать натурфилософией, корнями уходит в древнегреческую науку и окончательно оформилась в позднем средневековье (15-16 века). Древнегреческая натурфилософия пыталась решать мировоззренческие вопросы средствами разума, опирающегося на чувственное наблюдение, интуицию, эмпирическое знание, систему понятий и суждений, связанных определёнными логическими законами. Античные учёные создали логику и диалектику - учения о способах доказательства и опровержения, которые стали важнейшими методами познания мира. Натурфилософия носила созерцательный характер, догадки и выводы поверялись целостностью и непротиворечивостью построенных на их основе научных картин мира. Среди научных программ античности выделяются три: математическая (Пифагор и Платон), атомистическая (Демокрит) и континуальная (Аристотель). В 16 веке появились картины мира Дж.Бруно и Н.Коперника, благодаря трудам И.Кеплера , Г.Галилея и др. были заложены основы аналитического естествознания.
Характерными для первой стадии можно считать следующие тенденции: абсолютизация научных идей; синтез естествознания и философии, присутствующий в научных картинах мира в каждую историческую эпоху.
Вторая стадия связана с формированием и систематическим развитием экспериментально-теоретических исследований и называется аналитическим или точным естествознанием. Исторически она связана с периодом Реформации в Европе, перетекающим в Новое время (17 век- первая половина 19 века). Это начало зарождения техногенной цивилизации, связанное с укреплением позиций классической науки. В философии выделяются основоположники классического рационализма Ф.Бэкон и Р.Декарт. Особых успехов достигла механика, прежде всего благодаря работам И.Ньютона. Это способствовало закреплению механистического подхода к объяснению всех природных явлений, т.е. проявилась тенденция абсолютизации одной научной идеи. Среди других особенностей второй стадии выделяются следующие:
Происходит разделение наук, превращение науки в мощную производительную силу, укрепляется вера во всесильность науки, абсолютную истинность знания, зарождается философское течение сциентизм.
Наука занимается прежде всего исследованием предметов, а не процессов, природа рассматривается вне эволюции и внутренних взаимосвязей. В рамках классического рационализма оформляется идея редукционизма - сведение исследования сложной системы к изучению её отдельных элементов, на основе чего делается вывод о свойствах всей системы. Эта идея хотя и ограничена, но имела большое значение для накопления знаний.
Причинная обусловленность явлений выражается в форме классического детерминизма, исключается случайность как фундаментальное свойство природы.
Третья стадия может быть названа синтетическим естествознанием (конец 19-середина 20 в.). Для неё характерно построение картины природы в её всесторонности, целостности и конкретности. Важнейшие тенденции этой стадии:
Синтез наук, внешней причиной которого является невозможность объяснить сложные явления в рамках одной науки, а внутренней – многообразие проявлений единства природы.
Ведущая роль физики в формировании ЕНКМ (электромагнитная, релятивистская, квантово-полевая картины мира).
Кризис классической науки и его преодоление, что особенно ярко проявилось в развитии физики. Именно в этот период произошёл переход от так называемой классической науки к неклассической, что определило направление развития научной мысли почти на весь 20 век.
Четвёртая стадия – интегральное естествознание, когда «малый» синтез двух-трёх смежных дисциплин сменяется масштабным объединением различных направлений науки. Примерами такого объединения могут служить кибернетика, изучающая процессы управления в живых и неживых системах, синергетика, претендующая на роль всеобщей теории эволюции, экология и др. В целом современная наука вступила в постнеклассический период развития, для которого характерно выдвижение на первый план междисциплинарных, комплексных и проблемно ориентированных форм исследований, в которых важная роль принадлежит естествознанию. В этой связи можно выделить в числе других следующие проблемы:
Наука – это социальный институт, теснейшим образом связанный с развитием всего человечества, в связи с чем должна повышаться роль науки, особенно естествознания, в современном мире. Противоречивость ситуации в том, что наука, безусловно, причастна к возникновению глобальных проблем человечества, особенно экологической, однако без науки, без её дальнейшего развития сегодня принципиально невозможен и выход из кризиса. При этом необходимо развивать не только прикладные, но и фундаментальные направления науки, т.к. они не только важны в плане постижения мироустройства, но и позволяют поддерживать высокий уровень прикладных исследований.
Человечество должно осознанно увидеть свою зависимость от окружающего мира, для чего необходимо повышать роль фундаментальной базы образования на основе органического единства его естественнонаучной и гуманитарной составляющих. Человек, обладающий хотя бы общими, но концептуальными естественнонаучными знаниями и высоким уровнем гуманитарной культуры будет производить свои действия так, чтобы не нанести урон ни природе, ни обществу.
Назрела необходимость смены обыденного мышления широких слоёв населения в сторону понимания вклада каждого члена общества в решение экологических, энергетических и других проблем, что возможно опять таки на основе хотя бы элементарных естественнонаучных знаний.