Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией финансового факультета для студентов ннгу, обучающихся по специальностям 080105 «Финансы и кредит», 080301 «Коммерция»
| Вид материала | Учебно-методическое пособие |
- Учебно-методический комплекс по отечественной истории составлен в соответствии с требованиями, 909.22kb.
- Учебно-методическое пособие для студентов, обучающихся по специальностям Финансы, 495.45kb.
- Учебно методическое пособие Рекомендовано методической комиссией финансового факультета, 610.38kb.
- А. Ю. Лукьянова И. В. Меркулова М. А. Герасименко Банковский маркетинг Учебно-методическое, 325.81kb.
- Учебно-методический комплекс Для студентов, обучающихся по специальностям: 080109 Бухгалтерский, 793.02kb.
- Учебно методическое пособие Рекомендовано методической комиссией факультета вычислительной, 269.62kb.
- А. Ю. Лукьянова И. В. Меркулова М. А. Герасименко международные валютно-кредитные отношения, 1361.85kb.
- Методические рекомендации по выполнению курсовых работ по дисциплине «Экономическая, 649.86kb.
- Пособие для преподавателей русского языка, ведущих занятия с иностранными студентами,, 4956.75kb.
- Алексеев Николай Евгеньевич, доцент, к э. н. Финансы, денежное обращение и кредит:, 1013.26kb.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
А.Л. Сочков
Концепции современного естествознания
Утверждение релятивистской исследовательской программы
Учебно-методическое пособие
Рекомендовано методической комиссией финансового факультета
для студентов ННГУ, обучающихся по специальностям
080105 «Финансы и кредит», 080301 «Коммерция»,
080107 «Налоги и налогообложение», 080115 «Таможенное дело»,
080109 «Бухгалтерский учет, анализ и аудит»
Нижний Новгород
2010
УДК 50(075.8)
ББК Бя73
С 69
С 69 Сочков А.Л. КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНА-НИЯ: утверждение релятивистской исследовательской программы: учебно-методическое пособие. – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2010. – 40 с.
Рецензенты: профессор К.Г. Мальцев
доцент С.М. Антаков
В настоящем учебно-методическом пособии изложены тезисы лекций по ключевым темам дисциплины «Концепции современного естествознания».
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов всех специальностей финансового факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского.
Ответственный за выпуск:
председатель методической комиссии финансового факультета ННГУ
Никулина Надежда Николаевна
УДК 50(075.8)
ББК Бя73
Нижегородский государственный
университет им. Н.И. Лобачевского, 2010
СОДЕРЖАНИЕ
Введение …………………………………………………………………………… 4
1. Предмет естествознания. Естественно-научная и гуманитарная культуры … 5
2. Научный метод ………………………………………………………………….10
3. История естествознания и естественно-научные картины мира ………….... 14
4. Утверждение релятивистской исследовательской программы. Современные концепции физики как основы естествознания ………………………………… 18
4.1. Специальная теория относительности. Новый взгляд на пространство и время .……………………………………………………………………... 18
4.2. Поле – особая форма материи. Дальнодействие и близкодействие .. 20
4.3. Общая теория относительности. Дальнейшая унификация физических явлений. Рождение научной космологии ………………………………… 22
4.4. Квантовая механика. Дуализм материи .…………………………….. 26
4.5. Квантовая теория поля. Синтез квантового и релятивистского подходов…………………………………………………………………….. 29
4.6. Виды физических взаимодействий, их поля и частицы. Перспективы создания единой теории поля ……………………………………………... 30
4.7. Строение микромира. Структура материи .………………………….. 31
Заключение или основные задачи Большого Адронного Коллайдера ………... 35
Словарь терминов ………………………………………………………………… 37
Список рекомендуемой литературы …………………………………………….. 38
ВВЕДЕНИЕ
Естествознанием называется раздел науки, который изучает мир как он есть, в его естественном состоянии, независимо от человека. Современное естествознание представляет собой сложную, разветвленную систему наук. Ведущими науками ХХ века по праву можно считать физику, астрономию, биологию, кибернетику (неразрывно связанную с вычислительной техникой и компьютеризацией). В рамках физики, в свою очередь, выделяются теория относительности, квантовая механика, ядерная физика, синергетика. Важнейшие составные части биологии: эволюционное учение, генетика, экология, этология, нашедшие свое продолжение в естественных науках о человеке – его происхождении, индивидуальном и видовом развитии.
Несомненно, изложить весь этот материал в рамках одного учебно-методического пособия очень сложно, поэтому основная задача, стоявшая при его разработке, заключалась в рассмотрении разделов, которые, с одной стороны, составляли бы основу современного естествознания, а, с другой стороны, являлись бы наиболее сложными для студентов финансового факультета.
Опыт преподавания дисциплины «Концепции современного естествознания» показал, что студенты знают основные идеи химии, биологии, геологии, естественных наук о человеке. Они также имеют серьезную подготовку в области компьютерных наук. В первом случае это связано с хорошим уровнем преподавания указанных предметов в средней школе, где разбирают эволюционное учение, основы генетики, понятие биосферы и другие важные концепции. Во втором случае – с изучением основополагающих специальных дисциплин уже в университете. Вместе с тем, студентам финансового факультета не преподают отдельным предметом основы современной физики, которую в средней школе излагают, в основном, на уровне девятнадцатого века. Видимо поэтому, физические концепции вызывают у студентов определенные трудности при подготовке к зачету, хотя именно они являются основой, ядром современного естествознания, и без их понимания невозможно постичь этот раздел науки в целом.
В соответствии с вышеизложенными причинами, основное внимание в учебно-методическом пособии уделено простому изложению физических концепций в рамках релятивистской исследовательской программы, которая оказала решающее влияние на становление современного естествознания. Материал изложен с учетом исторического контекста и проблем, которые возникали и решались на соответствующих этапах развития науки, что делает его более «живым» и доступным для понимания. Рассмотрены также и некоторые другие темы в соответствии с учебной программой курса. Для изучения прочих разделов дисциплины рекомендована специальная литература, приведенная в конце пособия.
1. ПРЕДМЕТ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРЫ
Естествознание – естественные науки, совокупность наук о природе в отличие от гуманитарных и технических наук.
Гуманитарные науки – науки, относящиеся к изучению общества, культуры и истории народов, например, филология – наука, изучающая культуру народа, выраженную в языке и литературном творчестве.
Технические науки – науки, изучающие технические, то есть рукотворные объекты в отличие от природных естественных, принципы их функционирования и проектирования, например, электропривод – наука, изучающая процессы и устройства преобразования электрической энергии в механическую, а также принципы функционирования и проектирования этих устройств.
Чтобы лучше представить и понять взаимосвязь, взаимозависимость и различие наук рассмотрим следующую схему.
Имеется объективный мир (природа), который функционирует по определенным законам. Имеется человек (общество) как часть этого мира, который также функционирует по определенным законам, и в этом смысле он объективен, однако у человека есть сознание и индивидуальный внутренний мир. Это совокупность взглядов человека, его знаний, умений и т.д., в том числе, и научных знаний. Этот внутренний мир человека (его сознание) сугубо индивидуален и в этом смысле субъективен. Человек, используя свои знания и умения, создает то, чего не было в природе (например, дома, произведения искусства, технические объекты). Эти его творения с одной стороны субъективны, так как они есть плоды сознания конкретного человека, субъекта, с другой стороны, они объективны, так как, будучи однажды созданными, отчуждаются от человека (субъекта), функционируют далее по своим объективным законам и переходят в объективный мир. Кроме этого, об их объективности говорит и тот факт, что все они созданы из материалов (веществ) объективного мира.
Человек, помимо прочих умений, имеет в голове некоторую систему знаний о закономерностях развития мира (объективного, субъективного и т.д.). Вот это и называется наукой (точнее, одно из значений этого понятия).
Наука – это система знаний о закономерностях развития природы, общества и мышления, а также, может быть, отдельная отрасль таких знаний.
С одной стороны, можно сказать, что наука субъективна, поскольку это система знаний о том или ином предмете (объекте) в голове субъекта.
С другой стороны, наука объективна по нескольким причинам:
1) эта система знаний существует вне зависимости от одного субъекта (система книг, библиотек, институтов и т.д., а это объективные вещи);
2) эта система знаний об объективном мире, определенное отражение объективного мира, пусть и относительное, и практика, использующая эту систему знаний, дает реальные объективные результаты, являясь определенным критерием.
Вся наука делится на отдельные разделы (отрасли) в зависимости от того, какой предмет (объект) она изучает. Эти разделы также называются науками, но имеют специальные названия (физика, биология и т.д.). Таким образом, каждая наука имеет предмет (объект), который она изучает, или, другими словами, каждая отдельная наука есть система знаний о каком-то конкретном предмете (объекте).
Отсюда понятна классификация наук.
Технические науки изучают технические рукотворные объекты, которые и составляют предмет (объект) этих наук, и отвечают на вопрос КАК работает то или иное устройство? КАК его создать?
Гуманитарные науки изучают общество, культуру, историю народов. Это их предметы (объекты), которые также представляют собой объективные продукты человеческой (субъективной) деятельности. Отвечают на вопрос, например, КАК живет общество? КАК оно развивается?
Это науки об объективных результатах субъективной (человеческой) деятельности.
Естественные науки изучают объективный мир как он есть, в его естественном состоянии, независимо от человека. Они отвечают на вопрос КАК функционирует и развивается объективный мир? Это их предмет (объект).
Все науки, при всем их различии, взаимосвязаны, и это понятно. Технические науки, например, опираются на фундаментальные законы естественных наук (прежде всего на законы физики, химии и т.д.), поскольку это следует из того, что технические объекты созданы из веществ, свойства которых определяются физическими и химическими законами. Гуманитарные науки также опираются на законы естествознания (например, на законы биологии, психологии), но вместе с тем, особенности предметов технических и гуманитарных наук обуславливают специфические закономерности только им присущие (действие системного эффекта). Это и определяет различие наук.
Итак, каждая наука изучает свой предмет (объект), «кусочек» объективного мира. В некоторых случаях это понятно и просто. Астрономия изучает звезды, химия изучает свойства веществ. Науки изучают объекты, а вот психология изучает сознание, изучает субъекта? Куда ее отнести? Этот пример уже подчеркивает относительность понятий субъекта и объекта, субъективного и объективного, ведь все в мире относительно. Это один из важных тезисов.
Прежде всего, мозг человека, его психика объективны в плане объективности самого человека как части природы. «Мой мозг», «моя психика» - сугубо субъективны – это мое «Я», а психики других людей – объективны, могут являться объектом моего исследования, поскольку видны общие закономерности функционирования и развития психики людей в целом. В этом соотношении «Я» (моя психика) – субъект изучающий, другая психика – объект исследования (при всей ее внутренней субъективности). Поэтому психология относится к естественным наукам и отвечает на вопрос КАК? (Как функционирует психика объективно?).
Все науки отвечают на вопрос КАК функционирует тот или иной объект, однако иногда хочется знать, ПОЧЕМУ происходит именно так? ЗАЧЕМ происходит именно так? Зачем светят звезды? Зачем живет человек?
Это философские вопросы. Этим занимается философия, и это не входит в предмет естествознания, но немного остановимся на этом, поскольку философские вопросы возникают в каждой из наук.
Все науки изучают либо объекты материального мира, либо субъекта, для которых он становится объектом, и только философия изучает взаимосвязь (взаимодействие) субъекта - исследователя и объекта исследования. Отсюда вопросы «ЗАЧЕМ? ПОЧЕМУ?», которые возникают в голове субъекта по отношению к внешнему миру и к себе.
Кроме чистой философии (Зачем живет человек?) в любой науке возникают философские вопросы, ответы на которые также пополняют знания ученых о мире. Это вопросы следующего типа. В какой мере достоверны результаты эксперимента? Насколько можно доверять органам чувств? Как влияет субъект на объект изучения в процессе исследования? Все эти вопросы и аналогичные им относят к философским вопросам науки, естествознания, поэтому всегда знания о мире относительны. В какой мере? Это, как раз, вопрос философский!
Выделим основные науки, относящиеся к естествознанию, и дадим их определения.
Физика – одна из основных областей естествознания – наука о свойствах и строении материи* (определения слов, помеченных «звездочкой», можно найти в Словаре терминов), о формах ее движения и изменения, об общих закономерностях явлений природы.
Химия – наука о составе, строении, свойствах веществ и их превращениях.
Астрономия – наука о космических телах, образуемых ими системах и о Вселенной в целом.
Геология – наука о строении, составе и истории планеты Земля.
Биология – наука о живой природе, о закономерностях органической жизни.
Далее, комплекс наук о человеке.
Антропология – наука о биологической природе человека.
Анатомия – наука о строении организма.
Физиология – наука о жизнедеятельности организма, его клеток, органов и функциональных систем.
Психология – наука, изучающая процессы и закономерности психической деятельности, психики* человека.
Комплекс наук о сложных системах:
Кибернетика – наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе.
Экология – наука об отношениях растительных и животных организмов друг к другу и к окружающей их среде.
Синергетика (в перев. с греч. – содружество, коллективное поведение) – наука, изучающая процессы самоорганизации в неравновесных открытых системах, причем системы рассматриваются разнообразные (от физических термодинамических до социальных).
Этот список, конечно, можно продолжить, но нам не хватит ни времени, ни места его завершить в полном объеме, поэтому остановимся, перечислив основные естественные науки, и обратимся к понятию «концепция».
Концепция – система взглядов на что-нибудь, основная мысль чего-нибудь.
Таким образом, концепции естествознания – это «основные мысли» естественных наук, которые позволяют представить мир в целом, создать картину мира, где мы живем.
Далее, современное естествознание.
Отметим, что к современному естествознанию относятся концепции, возникшие в ХХ веке, но не только последние научные данные можно считать современными, а и все те, которые образуют «краеугольные камни» современного естествознания, хотя и были открыты в прошлые века.
Итак, предмет курса КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ (далее по тексту КСЕ) – основные мысли (идеи) естественных наук, которые позволяют представить современную естественно-научную картину мира во взаимосвязи.
Для чего изучают КСЕ на финансовом факультете?
Во-первых, получая высшее образование человек должен разбираться в некоторых основополагающих вещах. Культурный человек должен знать, что такое теория относительности и другие основные теории и гипотезы естествознания, представлять картину мира и его основные проблемы.
Во-вторых, знания, необходимые любому специалисту, так или иначе связаны и в какой-то степени основаны на научных данных, поэтому эти самые научные данные надо представлять и понимать.
В-третьих, некоторые принципы, выработанные естествознанием и его историей, важны и в повседневной жизни. Далее, для примера, рассмотрим два из них.
Принцип относительности знаний. Имеющиеся теории и гипотезы всегда лишь относительно верны, лишь относительно отражают объективный мир. Они всегда могут и должны ставиться под сомнение. Об этом много говорил философ К. Поппер, провозглашая свой принцип фальсифицируемости научных теорий. Об этом напомнил и настоящий финансовый кризис, опровергая экономические теории, возведенные в ранг абсолюта. Даже Нобелевская премия не гарантирует абсолютную истинность той или иной теории. Любую теорию надо применять очень аккуратно, помня о том, что она скорее ложна, чем истинна.
Принцип «медали». Каждое научное достижение имеет, как и медаль, две стороны (положительную и отрицательную). Точнее, научные достижения нейтральны в морально-этическом плане, но их поляризуют люди, в зависимости от того, как их используют. Более того, даже если люди пытаются использовать научные достижения на благо, то все равно нужно готовиться к некоторым негативным последствиям таких действий (решений) и нужно правильно оценить все риски, например, при использовании достижений ядерной физики (бомба и АЭС).
2. НАУЧНЫЙ МЕТОД
Этот вопрос важен не только с точки зрения изучения естествознания, но и с точки зрения познания человеческого мышления.
С чего начинается научное познание, как, впрочем, и любое другое накопление знаний, даже обыденных? С того, что внимание человека сосредотачивается и выделяет из общей гущи любопытные и интересные факты. Следовательно, первый этап (шаг) в познании – фиксирование определенных фактов (явлений природы) органами чувств и их запоминание в сознании. Если этот факт – начало научного исследования (в отличие от получения обыденных знаний), то мы назовем его научным фактом.
Вспомним известную историю про И. Ньютона, который открыл закон всемирного тяготения после того, как ему на голову упало яблоко. Это и был первый факт, который положил начало научного исследования и явился первым научным фактом в теории тяготения.
Но ученому мало иметь только один факт. Для того чтобы вывести закон природы, сформулировать некоторые положения необходимо проанализировать много фактов. Ученому нужны множество одинаковых фактов, которые он мог бы единообразно объяснить. Следовательно, второй шаг в познании – собирание однотипных фактов.
Можно пассивно ждать, когда появится новый факт («упадет еще одно яблоко»). Такой способ называется наблюдение (простое или с помощью приборов) и в некоторых науках является единственным методом исследования. Можно начать активный сбор этих самых фактов, то есть ставить эксперимент. В нашем случае лезть на башню и кидать оттуда разные предметы, как делал Г. Галилей в г. Пизе.
Эксперимент можно выделить трех типов. Реальный эксперимент, который проводится с натуральным объектом исследования. Модельный эксперимент, который проводится на модели (физической или математической, аналоговой или цифровой и т.д.), когда невозможно провести реальный эксперимент из-за размеров объекта, его удаленности или условий работы вблизи него. Мысленный эксперимент, который проводят, оперируя идеальными абстракциями типа идеально гладкое тело на идеально гладкой поверхности. Так поступал Г. Галилей и другие ученые, когда невозможно реально найти или создать некоторые идеальные конструкции.
После проведения второго этапа необходимо зафиксировать результаты наблюдений и экспериментов или, говоря научным языком, сделать третий шаг в познании - фиксация результатов эмпирического* уровня исследований. Это нужно для того, чтобы каждый ученый мог проверить эти результаты и убедиться в их правильности.
На основании эмпирических исследований могут быть сделаны эмпирические обобщения. В науках, которые называют эмпирическими, или описательными, как, скажем, геология, эмпирические обобщения завершают исследование, в экспериментальных, теоретических науках это только начало. Таким образом, четвертый шаг в познании – эмпирические обобщения.
Чтобы двинуться дальше, нужно придумать гипотезу*, объясняющую (в нашем примере) падение тел. Самих по себе эмпирических фактов для этого недостаточно. Необходимо все предшествующее знание, касающееся данной проблемы, в нашем случае – знание принципов механики, то есть трех законов, которые сформулировал тот же И. Ньютон до закона всемирного тяготения.
На теоретическом* уровне помимо эмпирических фактов требуются понятия, которые создаются заново или берутся из других разделов науки. В данном случае это понятия массы и силы, которые были для И. Ньютона основными при выведении законов механики. Эти понятия должны быть определены и представлены в краткой форме в виде терминов или знаков (в том числе математических), которые имеют каждый строго фиксированное значение.
Непосредственно перед научным открытием (формулированием гипотезы) важно воображение, создание образов, а на самой стадии открытия – интуиция. Открытие нельзя логически вывести. Оно – откровение, «эврика» Архимеда. Таким образом, пятый шаг – формулирование гипотезы. Выдвижение гипотез – одна из основных целей науки.
После формулирования гипотезы исследование опять возвращается на эмпирический уровень для ее экспериментальной проверки, причем проверяется не гипотеза в целом, а ее следствия. По отношению к закону всемирного тяготения это будет вывод о существовании неизвестной прежде планеты (Нептун). Итак, шестой шаг – проверка гипотезы на опыте.
Если гипотеза выдерживает экспериментальную проверку, то она приобретает статус закона* природы. Если нет – считается опровергнутой, и поиски новой гипотезы продолжаются, то есть мы возвращаемся на пятый шаг исследования. Таким образом, седьмой шаг – формулирование закона.
Совокупность нескольких законов, относящихся к одной области познания, называется теорией, поэтому шаг номер восемь – создание теории.
Эксперименты в науке продолжаются всегда, поэтому девятый шаг – проверка теории на опыте. В случае, если теория не получает убедительного эмпирического подтверждения, она может быть дополнена новыми гипотезами, которых не должно быть слишком много, так как это подрывает доверие к теории, следовательно, десятый шаг - принятие дополнительных гипотез.
Любые гипотезы снова подвергаются экспериментальной проверке, и мы вновь возвращаемся на шаг номер шесть. Алгоритм научного исследования зацикливается сам на себя.
Подтвержденная на практике теория считается истинной до того момента, когда будет предложена новая теория, лучше объясняющая известные эмпирические факты, а также новые факты, которые стали известны после принятия данной теории и оказались противоречащими ей.
Если рассмотреть приведенный алгоритм естественно-научного познания (или структуру естественно-научного познания) «в разрезе» определенного момента времени, то можно отметить, что наука строится из наблюдений, экспериментов, гипотез и теорий. Наука в содержательном плане – это совокупность эмпирических обобщений, гипотез и теорий, подтверждаемых наблюдением и экспериментом. Это, своего рода, единство научной теории и практики.
Структура научного исследования, описанная выше, представляет собой в широком смысле способ научного познания, или научный метод как таковой.
Метод – это совокупность действий, призванных помочь достижению желаемого результата.
Способности людей различны, и для того чтобы добиваться успеха, требуется инструмент, который уравнивал бы шансы и давал возможность каждому получить нужный результат. Таким инструментом и служит научный метод.
Научный метод как таковой подразделяется на более частные методы.
В соответствии с уровнем познания выделяют эмпирические и теоретические методы.
К эмпирическим относятся следующие методы.
Наблюдение – целенаправленное восприятие явлений объективной действительности.
Описание – фиксация средствами естественного или искусственного языка сведений об объектах.
Измерение – количественная оценка свойств объектов.
Сравнение – сопоставление объектов по каким-либо сходным свойствам или сторонам.
Эксперимент – исследование в специально создаваемых и контролируемых условиях, что позволяет восстановить ход явления при повторении условий.
К теоретическим относятся следующие методы.
Формализация – построение абстрактно-математических моделей, раскрывающих сущность изучаемых процессов действительности.
Аксиоматизация – построение теорий на основе аксиом*.
Гипотетико-дедуктивный метод – создание системы дедуктивно связанных между собой гипотез, из которых выводятся утверждения об эмпирических фактах.
В соответствии со сферой использования метода выделяют всеобщие, общенаучные и конкретно-научные методы.
Всеобщие методы применяются во всех отраслях человеческой деятельности. К ним относятся ниже приведенные методы.
Анализ – расчленение целостного предмета на составные части (стороны, признаки, свойства или отношения) с целью их всестороннего изучения.
Синтез – соединение ранее выделенных частей предмета в единое целое.
Абстрагирование – отвлечение от несущественных для данного исследования свойств и отношений изучаемого явления с одновременным выделением интересующих свойств и отношений.
Обобщение – прием мышления, в результате которого устанавливаются общие свойства и признаки объектов.
Индукция – метод исследования и способ рассуждения, в котором общий вывод строится на основе частных посылок.
Дедукция – способ рассуждения, посредством которого из общих посылок следует заключение частного характера.
Аналогия – прием познания, при котором на основе сходства объектов в одних признаках делают заключения об их сходстве в других признаках.
Моделирование – изучение объекта (оригинала) путем создания и исследования его копии (модели), замещающей оригинал с определенных сторон, интересующих исследователя.
Классификация – разделение всех изучаемых предметов на отдельные группы в соответствии с каким-либо важным для исследователя признаком (особенно часто используется в описательных науках: многих разделах биологии, геологии и т.п.).
Примером общенаучных методов служат наблюдение и эксперимент, о которых шла речь в предыдущей классификации, а конкретно-научных, которых множество в каждой науке, - известная всем «лакмусовая бумага».
Среди научных методов нельзя выбрать лучший или худший. Каждый метод хорош по-своему, и выбор его определяется целями и задачами конкретного исследования.