Г. Р. Державина Академия непрерывного образования Головин Ю. И. Универсальные принципы естествознания (наука в общечеловеческом измерении) Учебное пособие

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Вопросы и темы к семинару Анри Пуанкаре Б. Пастернак Структура естествознания. Рис. 2.5. Чем слон кажется исследователям, изучающим его по частям в полной темноте.

Подобный материал:

• Г. Р. Державина академия непрерывного образования в. О. Алексеева ораторское искусство, 4496.13kb.
• Г. Р. Державина академия управления и сервиса кафедра менеджмента и маркетинга учебное, 1147.35kb.
• Г. Р. Державина академия непрерывного образования кузнецов и. А. Основы маркетинга, 857.54kb.
• Г. Р. Державина академия непрерывного образования о. Ю. Тарасова, Т. Н. Толстых основы, 1318.05kb.
• Налоги и налогообложение, 2486.36kb.
• Учебное пособие Часть1 Тамбов 2004 удк, 1372.4kb.
• Н. И. Константинова концепции современного естествознания учебное пособие, 2191.08kb.
• В. И. Александров Учебное пособие. Российская медицинская академия последиплом, 207.44kb.
• Учебное пособие Москва, 2007 удк 50 Утверждено Ученым советом мгупи, 1951kb.
• В. Н. Савченко в. П. Смагин начала современного естествознания концепция и принципы, 7481.88kb.

Вопросы и темы к семинару

1. Что такое наука? Каковы ее функции, черты и отличия от других отраслей культуры?
   
2. Каково место естествознания в науке? Каково его общекультурное значение?
   
3. Наука – это благо или зло для человечества?
   
4. В каких отношениях наука и религия близки и в каких - несовместимы?
   
5. Что общего и что несхожего в подходах науки и искусства к действительности?
   
6. Взаимоотношения естествознания и философии.
   
7. История взаимоотношений науки и религии.
   
8. Согласны ли Вы, что существует два уровня культуры: элитарный и массовый? Обоснуйте свою точку зрения.
   
9. Как Вы считаете, целесообразно ли тратить государственные средства на поддержание и развитие фундаментальной науки, т. е. на поиски Истины в чистом виде?
   
10. Каково соотношение между фундаментальной и прикладной наукой?
    
11. Чем может быть полезно знание фундаментальных принципов естествознания в выбранной Вами профессии? В Вашей жизни вообще?
    

Литература

1. Т. Г. Грушевицкая, А. П. Садохин. Концепции современного естествознания. М., Высшая школа, 1998.
   
2. А. А. Горелов. Концепции современного естествознания. М., Центр, 1997.
   
3. С. Х. Карпенков. Основные концепции естествознания. М., ЮНИТИ, 1998.
   
4. В. А. Лось. Основы современного естествознания. М., ИНФРА-М, 2000.
   
5. В. К. Воронов, М. В. Гречнева, Р. З. Сагдеев. Основы современного естествознания. М., Высшая школа, 1999.
   
6. Т. И. Рузавин. Концепции современного естествознания. М., ЮНИТИ, 1997.
   
7. Культурология. Под ред. Н. Г. Багдасарьян. М., Высшая школа, 1999.
   
8. Концепции современного естествознания. (под ред. С. И. Самыгина). Ростов-на-Дону, Феникс, 1999.
   
9. Ч. Сноу. Две культуры. М., Прогресс, 1973.
   
10. Дж. Бернал. Наука в истории общества. М., 1956.
    
11. Философия и методология науки. М., 1996.
    
12. Зинченко В. П. Наука – неотъемлемая часть культуры? // Вопросы философии, 1990, №1.
    
13. Н. Н.Моисеев. Идеи обществознания и общественные науки. М., 1991.
    
14. Е. Л. Фейнберг. Две культуры. интуиция и логика в искусстве и науке. М., Наука, 1992.
    
15. В. И.Аршанов, В. Г.Буданов, А. Д.Суханов. Естественно-научное образование гуманитариев: на пути к единой культуре // Общественные науки и современность. 1994, №5.
    
16. Б. Рассел. Человеческое познание. М., 1997.
    
17. К. Ясперс. Смысл и назначение истории. М., 1994.
    
18. К. Поппер. Открытое общество и его враги. М., 1992.
    
19. Социокультурный контекст науки. М., 1998.
    
20. Ценностные аспекты развития науки. М., 1990.
    
21. Философские и религиозные истоки науки. М., 1997.
    
22. Наука и ее место в культуре. Новосибирск. 1990.
    
23. Наука и культура. 1984.
    
24. Философский энциклопедический словарь. М. 1987.
    
25. Физическая энциклопедия. М., 1988-1998.
    

Большая советская энциклопедия. М., 1970-1978.


Ученый должен систематизировать факты. Наука состоит из них, подобно тому, как здание состоит из кирпичей. Однако простое нагромождение фактов похоже на науку не более, чем груда кирпичей на дом.

Анри Пуанкаре

В родстве со всем, что есть, уверясь

И знаясь с будущим в быту,

Нельзя не впасть к концу, как в ересь,

В неслыханную простоту

Б. Пастернак

Модуль 2

Структурные уровни организации материи и структура естествознания

Подразделение естествознания на отдельные дисциплины как отражение структурных уровней организации материи. Пространственно-временные масштабы в естествознании. Микро-, макро-, мегамиры. Взаимодействие как важнейший фактор существования любых объектов в природе. Фундаментальные взаимодействия и поля.


Важнейшими свойствами материи являются структурность и системность. Материя структурирована определенным образом на всех масштабно-временных уровнях: от элементарных частиц до Вселенной в целом. Системность означает упорядоченность множества связанных друг с другом элементов, обладающих целостностью по отношению к другим объектам или внешним условиям. Таким образом, система характеризуется внутренними связями более сильными, чем связи с окружающей средой (Рис. 2.1).

Отсюда вытекает необходимость не просто классифицировать различные объекты природы, но и изучать связи между ними, или взаимодействия. Наиболее интересными с принципиальной точки зрения являются так называемые фундаментальные взаимодействия, лежащие в основе всего многообразия видимых и известных науке сил действия одного тела на другое.

Каждому из них соответствует свое физическое поле. Их число невелико (в настоящее время три: гравитационное, электрослабое и сильное), и есть надежда, что в результате создания общей теории (суперобъединения) их можно будет свести к одной Универсальной Силе Природы. Эта глобальная проблема стоит на повестке дня со времен А. Эйнштейна, гения которого не хватило для ее решения, хотя он и потратил на это около 30 последних лет жизни. Надежды на такую возможность связаны с тем, что уже существует один универсальный подход к описанию всех видов фундаментальных взаимодействий, а именно, квантово-полевой. Схематически любое взаимодействие двух частиц (тел) в вакууме (т. е. без каких-либо передающих сред) можно описать как обмен этих частиц квантами соответствующего поля, испускаемых одной из них и поглощаемой другой (Рис. 2.2). При этом кванты поля, распространяясь с конечной скоростью (в вакууме со скоростью света), переносят энергию и импульс, что ощущается частицами, поглощающими их, как действие силы. В связи с конечной скоростью распространения квантов поля в пространстве утвердилась концепция «близкодействия». Это означает, что любое действие, любая информация передается от одного тела к другому не мгновенно, а последовательно от одной точки в пространстве - к другой с конечной скоростью. Господствовавшая до этого противоположная точка зрения – «дальнодействие» – интуитивно, a priori предполагавшая, что информация о положении любой частицы и ее движении распространяется по всей Вселенной мгновенно, не выдержала испытаний опытом и представляет сейчас только исторический интерес.






Рис. 2.1. Схема, отражающая структурность и системность материи






Рис. 2.2. Фундаментальный квантово-полевой механизм действия одной частицы на другую путем обмена квантами поля, которые распространяются в вакууме со скоростью v, равной скорости света.


Частицам присуща масса покоя, в то время как кванты поля ее не имеют. Частицы локализованы в той или иной области пространства, а поля распределены в нем. Но при этом и те и другие одновременно обладают и свойствами волн и свойствами частиц (так называемый «корпускулярно-волновой дуализм»). Отмечавшаяся в модуле 1 возможность превращений вещество – поле - вещество в мире элементарных частиц отражает внутреннее единство материи.

Структура естествознания. Наиболее важные структурные единицы материи можно выстроить в ряд согласно их характерным размерам. Здесь важно понять, что речь идет лишь о порядках величин, характеризующих протяженность типичного представителя в пространстве и продолжительность типичных процессов в нем. Несмотря на общеметодологическое единство естествознания (см. следующий модуль) при изменении характерных размеров и времен на колоссальное число порядков величин возникает необходимость вырабатывать специфические приемы исследования и анализа. Укрупненно и очень условно (в смысле положения границ) природу можно разбить на три «царства» (или «мира»): микро-, макро- и мега- (Рис. 2.3).

Первый – это мир элементарных частиц, фундаментальных полей и систем, содержащих небольшое число таких частиц. Это - корни естествознания, и в них сосредоточены наиболее принципиальные проблемы мироздания. Макро-мир – это привычный нам уровень окружающих нас предметов и явлений. Даже он кажется огромным и чрезвычайно разнообразным, хотя это всего лишь небольшая часть природы. Наконец, мегамир составляют объекты, сопоставимые по размерам с Вселенной, размеры которой пока не установлены даже по порядку величины.

Более детальное и тоже весьма условное дробление этих уровней (Рис. 2.4) привело к появлению соответствующих наук в естествознании: физика, химия, биология и т. д., обосновавшихся в своих «зонах ответственности». Каждая из них содержит около сотни еще более узких конкретных дисциплин (например, механика, термодинамика, органическая химия, зоология, ботаника, физиология растений и т. д.). Существуют и междисциплинарные разделы науки, например, синергетика (от греческого слова совместный, согласованно действующий) – теория самоорганизации в открытых неравновесных





Рис. 2.3.Три масштабных уровня событий и объектов в едином организме природы


cистемах, охватывающая все уровни структуры материи и рассматривающая природу как комплексную самоорганизующуюся систему.

Макромир доступен прямому наблюдению, события в нем привычны нам, мы контактируем и взаимодействуем с ним каждый

момент времени. Он изучается человеком много тысячелетий, и знания о нем имеют прямую практическую полезность. Тем не менее, и в нем существует множество не разгаданных загадок природы. В этой области науки продолжает трудиться подавляющая часть современных ученых.

Как видно из рис. 2.4, характерные размеры в макромире сопоставимы с размерами человека (~1м), характерные времена – с периодом сердечных сокращений (~1с), а скорости – со скоростью перемещения живых существ (~1 м/с). Разумеется, не следует понимать эти цифры буквально. В окружающем нас макромире они могут быть меньше и больше на несколько порядков величины. По отношению к процессам в этих условиях у человека накоплен большой бытовой опыт, выработались интуитивные представления об их течении и последствиях. Первая универсальная количественная теория природы – механика Ньютона – успешно объясняла и предсказывала события в этом мире не очень больших и не очень маленьких характерных размеров и не слишком высоких скоростей (по сравнению со скоростью света).

Явления в микро- и мега-мирах практически не проявляются на бытовом уровне, поэтому множество людей и не подозревают об их существовании. Другим кажется, что в практическом смысле они не имеют никакого значения. Отчасти эту точку зрения можно понять, поскольку действительно, не только влияние, но и само существование элементарных частиц или, скажем, черных дыр в глубинах Вселенной, невозможно установить без сложных приборов. Даже качественные представления о них невозможно вывести из бытового опыта, по аналогии с известными макроскопическими событиями. Тем не менее, мы сами, будучи макроскопическими объектами, состоим на 100% из совокупности элементарных частиц, организованных и связанных между собой определенным образом, и являемся частью гигантской Вселенной. Так что новые знания о микро- и мега-мирах важны не только в познавательном или мировоззренческом смысле, но и ведут к более глубокому и ясному пониманию сущности процессов, протекающих в привычном нам макромире.





Рис. 2.4. Структурные уровни строения материи и степень интереса к ним со стороны основных разделов естествознания





Представить себе различие каких-либо характеристик на 20 или 30 порядков величины весьма сложно, особенно лицам, не имеющим опыта в количественном анализе и обращении с большими числами. Так, например, человек состоит примерно из 10²⁵ атомов, а его средняя продолжительность жизни составляет ~210⁹ секунд. С другой стороны, характерные размеры человека (скажем, рост) в ~10²⁵ раз меньше размеров видимой Вселенной. Как себе представить столь большое число как 10²⁵ (но далеко не предельное для многих соотношений в природе)? Воображение отказывается воспринимать и сопоставлять такие числа. Так, если мы поставим 10²⁵ атомов в одну цепочку плотно друг к другу, то ее длина будет равна ~ 10¹⁵ м, что намного превышает размеры Солнечной системы. Свету потребуется около года, чтобы пробежать этот путь (от Луны до Земли свет распространяется примерно за 1 секунду, а от Солнца до Земли – за 8 минут).

Разница в 15-20 порядков величины между характерными временами и размерами макро- и мегамира с одной стороны и макро- и микромира – с другой лишает возможности судить о мега- и микромире на основе опыта и знаний, полученных в макромире. Экстраполяции на десятки порядков величин в обе стороны от изученной области не могут быть надежным источником представлений об объектах, столь отличающихся от ньютоновского яблока как Вселенная или элементарная частица. И действительно, сейчас мы знаем, что для этих миров пришлось создавать принципиально новые представления и теории, в то же время сохраняющие преемственность по отношению к механике Ньютона.

В заключение этой темы скажем несколько слов о математике. В буквальном переводе с греческого – это слово означает знание, науку вообще. В настоящее время под математикой понимают науку о количественных отношениях и пространственных формах объектов действительного мира в максимально абстрактной форме. Высокая степень абстрагирования от реальных объектов Природы придает математике колоссальную универсальность и востребованность в самых различных областях жизни, а не только в науке. Но, конечно, наиболее интенсивные отношения у математики существуют с естествознанием. Четыре века назад Галилео Галилей, выдающийся итальянский естествоиспытатель, сказал: «Тот, кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи математики, ставит неразрешимую задачу. Следует измерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является». В подобном духе высказывались многие известные мыслители, например, Карл Маркс: «Наука только тогда достигает совершенства, когда ей удается пользоваться математикой».

Однако абсолютизировать возможности и результаты, полученные чисто математическими методами не следует. Ими необходимо и полезно пользоваться, но с большой осторожностью и пониманием ряда тонких моментов. Во-первых, строгое, точное математическое решение может быть получено для очень ограниченного круга задач. В большинстве случаев доступны только приближенные решения. Известно, что многие физические системы и математические задачи имеют исключительно высокую чувствительность к внешним факторам, начальным условиям или точности вычислений в точках неустойчивого поведения. В результате бесконечно малого возмущения система может перейти в этой точке в то или иное новое состояние, но в какое именно предсказать невозможно.

Во-вторых, математическая постановка задачи для любых природных процессов возможна лишь после построения модели этого процесса, которая учитывает лишь наиболее существенные его свойства. Даже если интуитивно в модели действительно правильно учтены все наиболее важные свойства объекта (что часто граничит с искусством, т. к. никогда заранее не известно, что же является более существенным, а что менее), то все равно это всего лишь схема явления (или карикатура, шарж), а не само явление во всей его сложности. В этих обстоятельствах «абсолютно точные» решения теряют смысл. Правильнее ставить условие, чтобы точность расчетов была не ниже погрешностей, вносимых при конструировании модели и связанных с игнорированием многих характеристик и свойств реального объекта.

Любая модель должна иметь количественные характеристики, константы и т. д., взятые из опыта. Но абсолютно точно измерить ничего нельзя по совокупности действия нескольких принципиальных причин. Во-первых, существует соотношение неопределенности В. Гейзенберга (см. модуль 6), исключающее возможность измерить абсолютно точно положение и скорость частицы одновременно. Во-вторых, никакое измерение не может быть осуществлено без вмешательства в состояние объекта измерения, т. е. без изменения этого состояния. Можно лишь ставить задачу свести это вмешательство к допустимому, заранее заданному малому уровню. В-третьих, ни одно измерительное средство не может быть абсолютно точным. Оно всегда обладает конечной (хотя иногда и фантастически высокой) точностью.

Заметим также, что построить логически безупречную математику как дедуктивную систему в принципе невозможно: согласно теореме Геделя (первая половина 20-го века) при построении такой системы мы неизбежно придем к утверждениям, относительно которых нельзя будет доказать ни то, что они ложны, ни то, что они истинны. Выбрав интуитивно (а фактически - произвольно) тот или иной ответ, мы дополним аксиоматический базис и сможем строить свою систему дальше. Причем такие ситуации могут возникать неограниченное число раз. В итоге математику можно считать дедуктивной системой только на интервалах между точками, в которых необходимо высказывать интуитивные суждения. Так что термины «точное», «строгое» по отношению к естествознанию, или «точные науки», которые являются практически его синонимом, не следует воспринимать буквально.

Завершая этот модуль, отметим, что дифференциация наук на крупные и далее на более частные дисциплины вызвана лишь большим объемом накопленных знаний и, возможно, несовершенством человеческого мозга, который не способен сразу ухватить суть того или иного природного объекта, явления во всей его полноте и вынужден анализировать его с разных сторон по отдельности. В результате каждой группе исследователей один и тот же объект представляется в совершенно разном свете. В шутливой форме эта ситуация изображена на рис. 2.5, где несколько человек, ощупывая в темноте разные части тела слона, высказывают суждения о том, что они исследуют и на что похож исследуемый объект. Все они, конечно, правы по-своему, но очень далеки от истины. Так что в результате дифференциации наук, увлечения редукционизмом (сведением сложных явлений к более простым), аналитическими методами исследования легко может потеряться общность, целостность видения природы и в конечном итоге многогранная истина.

В борьбе с лавинным ростом фактической информации об окружающем мире наука давно выработала свой рецепт: необходимо искать и находить подходы и законы как можно более универсальные





Рис. 2.5. Чем слон кажется исследователям, изучающим его по частям в полной темноте.


т. е. охватывающие как можно больший круг явлений. Это позволяет, во-первых, сильно сжать имеющуюся информацию, во-вторых, более глубоко и всесторонне познать сущность изучаемого явления и, в-третьих, (что ценнее всего) предсказать и помочь найти еще неизвестные явления, объекты, исходя из более общих представлений о них. Существует множество примеров, подтверждающих плодотворность такого подхода (законы сохранения энергии, импульса, принципы термодинамики и т. д.). Нет никаких сомнений, что обобщающие теории и законы – будущее естествознания.


Вопросы и темы к семинару

1. Структурность и системность как атрибуты материи.
   
2. Сущность двух форм материи – вещества и поля и их взаимоотношения.
   
3. Фундаментальные взаимодействия.
   
4. Особенности микромира.
   
5. Особенности макромира.
   
6. Особенности мега-мира.
   
7. Единство природы и дифференциация естествознания на дисциплины.
   
8. Что по Вашему мнению должен знать образованный человек о микро- и мега-мире?
   

Литература

1. А. И. Ахиезер, М. П. Рекало. Современная физическая картина мира. М., 1980
   
2. Н. Д. Новиков. Куда течет река времени? М., 1990
   
3. К. Поппер. Логика и рост научного знания. М., 1983
   
4. В. Гейзенберг. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989
   
5. А. Пуанкаре. О науке. М., Наука, 1993
   
6. Б. Рассел. Человеческое познание. М., 1997
   
7. Л. М. Косарева. Предмет науки. М., 1977
   
8. Естествознание: системность и динамика. М., 1990
   

А. И. Огурцов. Дисциплинарная структура науки. М., 1989


Таким образом, мы находимся в положении человека, который может рассматривать интересующий его предмет только через стекла очков, оптические свойства которых он не знает.