Высшее профессиональное образование т. Я. Дубнищева концепции современного естествознания
| Вид материала | Документы |
- Учебно-методический комплекс концепции современного естествознания высшее профессиональное, 2306.3kb.
- Учебно-методический комплекс концепции современного естествознания высшее профессиональное, 2307.28kb.
- С. Г. Хорошавина концепции современного естествознания курс лекций, 6750.33kb.
- С. Г. Хорошавина концепции современного естествознания курс лекций, 5892.74kb.
- В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 8133.34kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
- Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
- Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
- Программа дисциплины Концепции современного естествознания Специальность/направление, 456.85kb.
- Бюллетень новых поступлений в нб согу за период с 05. 2011 по 10. 2011гг, 975.89kb.
ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Т.Я.ДУБНИЩЕВА
КОНЦЕПЦИИ
СОВРЕМЕННОГО
ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Допущено
Министерством образования Российской Федерации
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по социально-экономическим специальностям
6-е издание, исправленное и дополненное
УДК 50(075.8)
ББК 20я73
Д 79
Рецензенты:
акад. В.М. Титов (Институт гидродинамики им. М.А.Лаврентьева
Сибирского отделения РАН);
проф. С. М. Репинский (Институт физики полупроводников
Сибирского отделения РАН);
проф. П. Е. Твердохлеб (Институт автоматики и электрометрии
Сибирского отделения РАН)
Дубнищева Т.Я.
Д79 Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студ. вузов / Татьяна Яковлевна Дубнищева. — 6-е изд., испр. и доп. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. — 608 с.
ISBN 5-7695-2416-2
В пособии через научные картины мира и программы гармонично согласованы вопросы истории науки и культуры с вопросами развития естественных наук. При изложении материала использованы системный подход, идеи синергетики и глобального эволюционизма, что способствует формированию целостного мировоззрения. Основные понятия, концепции и законы даны в развитии, показана независимость процесса познания, дающая навыки самостоятельных суждений и способствующая развитию ассоциативного мышления и формированию творческой личности.
Для студентов высших учебных заведений.
УДК 50(075.8)
ББК 20я73
Оригинал-макет данного издания является собственностью
Издательского центра «Академия», воспроизведение его любым способом
без согласия правообладателя запрещается
© Дубнищева Т.Я., 2003
© Дубнищева Т.Я., 2006, с изменениями
и дополнениями
© Издательский центр «Академия», 2003
ISBN 5-7695-2416-2 © Издательский центр «Академия», 2006
OCR: Ихтик (г.Уфа)
ihtik.lib.ru
ВВЕДЕНИЕ
Естествознание — неотъемлемый компонент культуры, определяющий мировоззрение человека. Научное мировоззрение обеспечивает восприятие достижений науки обществом и устойчивость к манипуляциям общественным сознанием. Рациональный метод, сформировавшийся в рамках естественных наук, проникает и в гуманитарную сферу, и в общественную жизнь. Он существенно дополняет художественный метод познания действительности.
В 70-е годы XX в. шли философские споры о системном подходе наук к своим объектам. Такой подход требовался в общественных науках, которые перешли к рассмотрению сложных, многоуровневых систем. Облик естествознания менялся в общекультурном и историческом контекстах.
Современная научная картина мира отличается сложностью рассматриваемых систем. Так, с помощью ЭВМ решаются задачи, которые не могли быть решены четверть века назад. Оказалось, что в сложных системах вдали от равновесия могут возникать из хаоса упорядоченные состояния. Хаос стал выступать созидательным началом, конструктивным и обязательным механизмом эволюции. В настоящее время обществу необходимо решать сложные задачи выхода из многочисленных кризисов, причем пути выхода не должны быть катастрофическими, фактически — это задачи балансировки между рисками и безопасностью. Проблемы выбора стратегии связывают с нелинейной динамикой, разработавшей различные пути перехода от хаоса к порядку. Явления самоорганизации начали изучаться в естествознании, экологии, экономике. Будущие специалисты во многих областях должны получить представление о современной научной картине мира.
Актуальность курса «Концепции современного естествознания» созвучна потребностям в целостном взгляде на окружающий мир. Данная дисциплина введена в учебные планы более чем сорока социально-экономических и гуманитарных специальностей вузов. Она является продуктом междисциплинарного синтеза, основанного на эволюционно-синергетическом подходе. К настоящему времени в основном определились цели, содержание и структура курса.
Предлагаемое учебное пособие написано в соответствии с Государственным образовательным стандартом. Методологические установки и релятивистское миропонимание включены в главы,
3
посвященные формированию научных программ и картин мира, понятий времени, пространства, движения и, конечно, космологии. Курс построен без традиционного деления на отдельные дисциплины и направлен на создание единой картины мира, которая включает терминологию, язык, сложившиеся понятия и современные достижения. Для удобства пользования пособием выделено 14 глав по основным темам.
Сначала в главе 1 рассматриваются вопросы логики познания, научного метода, процессов формирования картин мира и научных программ. Показано, как человек сумел расширить границы непосредственного восприятия мира, создавая методы, приборы, проникая и в микромир, и в космос; как он сумел узнать и, сопоставляя, измерить этот огромный мир. Рассмотрены изменения представлений о пространстве, времени и движении от Декарта, Галилея и Ньютона до Эйнштейна и его последователей. В главе 2 обсуждаются масштабы Вселенной и ее объектов в пространстве и во времени, иерархическое строение материи и фундаментальные взаимодействия. В главе 3 вводятся простейшие модели для описания движений изолированных систем. С помощью этих моделей описываются движения в макро- и мегамире; обсуждаются концепции детерминизма и причинности классической физики. Отмечено, что единство природы и универсальность ее законов наиболее ярко проявляются в колебательных и волновых процессах. Показано, как законы сохранения и принципы симметрии приобретают столь значимый статус в описании и восприятии природы человеком, как успехи точного естествознания повлияли на формирование понятий экономической теории. Выделена роль закона тяготения в становлении идеи единства материального мира.
Глава 4 посвящена динамическим и статистическим закономерностям окружающего мира. Фактически это — переход от использования простейших классических моделей к сложным системам, когда необходимо сопоставлять микроскопическое описание систем с макроскопическим, когда модельные параметры на микроуровне сопоставляются с характеристиками сложной системы. Обсуждены начала термодинамики и основные понятия: теплота, равновесие, внутренняя энергия, энтропия. Глава 5 посвящена концепции атомизма и ее приложению к организации материи в микро- и макромире. На примере корпускулярно-волнового дуализма света и вещества продемонстрирован переход от наглядного моделирования объектов мира к их объединению. В главе 6 рассмотрены особенности взаимодействий и структур в микромире. Уделено особое внимание мировоззренческим установкам так называемого неклассического описания мира, когда понятие вероятности становится основным. В главе 7 дается описание строения вещества от микрочастиц до объектов макромира, а в главе 8 — концепции взаимодействий и структур
4
объектов микро- и макромира, связанных с изменениями состояний и процессами.
В главе 9 детально рассмотрены процессы в мегамире — звезды, галактики, Вселенная. Обсуждаются концепции эволюции во Вселенной. В главе 10 представлена космогония тел Солнечной системы, геологическая и геохимическая история нашей планеты и ее спутника — Луны.
Затем (глава 11) рассмотрены основные формы, свойства и уровни организации жизни на Земле, более подробно представлены развитие биологии как науки о живой материи и традиционной и физико-химической биологии. Обсуждается самый глубинный уровень организации живого — молекулярно-генетический. Глава 12 посвящена онтогенетическому уровню организации жизни. Обсуждаются различные подуровни (клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционный, видовой), а также концепции эволюции в науке о живом и биохимические процессы, приведшие к зарождению жизни. Выделены аналогии при изучении природных систем как систем сложных. В соответствии с общей направленностью курса после описания объектов природы, их строения и функций рассмотрены особенности их эволюции.
В главе 13 изложены основы концепции самоорганизации и построения теории описания неравновесных процессов в сложных системах. Показана роль обратных связей в организации процессов, происходящих в сложных системах, далеких от равновесия. Рассмотрены примеры возникновения самоорганизации материи в разных предметных областях. Дано представление о междисциплинарном подходе к изучению сложных систем — синергетике, теории диссипатичных процессов и теории катастроф.
В заключительной главе представлены концепции эволюционных процессов в сложной системе — биосфере Земли. Рассмотрены явления самоорганизации и инертности человеческого общества и концепция коэволюции, взаимодействия внутри сложных систем, соотношения в сообществах и возможности компьютерного моделирования. Дана характеристика антропному принципу и космическому значению возникновения жизни на Земле.
Общепризнано, что образование, культура, наука — краеугольные камни развития общества. По отношению государства к этим трем сферам легко представить себе его будущее. Страна, недооценивающая роль указанных сфер, обречена на прозябание в постиндустриальном мире.
В 1992 г. состоялась беспрецедентная по масштабу и уровню Международная конференция по устойчивому развитию, на которой было признано, что существующая парадигма развития цивилизации должна быть кардинально изменена. В принятом участниками конференции (в том числе главами правительств и государств) документе «Повестка дня на XXI век» было признано,
5
что «развитие будет устойчивым», если «удовлетворяются потребности ныне живущих поколений без лишения возможности последующих поколений удовлетворять свои потребности». Но конкретные меры достижения как на этой, так и на последующей (Киото, 1997) конференции были далеки от практической реализации. Пропаганде концепции устойчивого развития много внимания уделял председатель Сибирского отделения РАН академик В.А. Коптюг. В одном из своих выступлений на Международном конгрессе «Наука и образование на пороге XXI века» он отметил: «Всплеск в последнее время астрологии, парапсихологии и прочей псевдонаучной галиматьи также не может не сказаться на формировании сознания россиян, которым предстоит жить в XXI в. Если мы хотим, чтобы представители общества действительно принадлежали к роду homo sapiens, то система образования должна на всех этапах содействовать развитию самостоятельного мышления, критического анализа и формированию духовного стержня».
Исторический подход и использование аналогий при формировании современной картины мира важны для мировоззрения, оценки «масштаба» теорий, формирования образов, охватывающих естественно-научную картину мира, т. е. усвоения новых идей обществом. Учебное пособие дает не набор догм, а опыт отбора гипотез, развивает творческое мышление, пробуждает тягу к выработке собственного мнения относительно тех или иных несоответствий теории и опытов, к личному активному участию в формировании современной картины явления.
Книга стала призером конкурса учебников и учебных пособий нового поколения по данной дисциплине, проводимого Министерством образования Российской Федерации в 2001 г.
Пятое издание в сочетании с мультимедийным учебником автора было удостоено Большой Золотой медали на конкурсе Международной выставки-ярмарки «Учсиб-2005».
Глава 1
ЛОГИКА ПОЗНАНИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
1.1. Наука — часть культуры
Понятия «наука» и «культура» столь многогранны, что не могут быть выражены каким-то одним определением, состоящим из совокупности признаков. Для термина «культура» существует около 200 смысловых определений и толкований. При деятельном подходе культура — способ регуляции, сохранения и воспроизводства общества, «технология» человеческой деятельности, некий «ген» жизнедеятельности людей. Под культурой понимается все, что создано человеческим трудом в ходе истории. Она не существует вне человека и общества. Процесс труда включает мышление, знания, волю и чувства человека. Осваивая достижения культуры, человек развивает свой внутренний мир, знания, навыки, мировоззрение, а создавая новые элементы культуры, становится ее творцом, его труд — творческим. В зависимости от целей культура может быть духовной, социальной и материальной.
К науке относят особую сферу человеческой деятельности, направленную на выработку, производство и систематизацию объективных знаний об окружающем мире. Наука — это и совокупность самих знаний, отвечающих определенным критериям, и социальный институт, т. е. совокупность организаций, занимающих определенное место в структуре общества и выполняющих общественные функции.
Наука — один из важнейших компонентов духовной культуры, в котором в наибольшей степени представлена познавательная сторона деятельности. В наши дни наука — мощный фактор развития самых различных областей человеческой деятельности. В принятой в 1996 г. «Доктрине развития российской науки» ей была дана следующая оценка: «Российская наука за свою многовековую историю внесла огромный вклад в развитие страны и мирового сообщества. Своим положением великой мировой державы Россия во многом обязана достижениям отечественных ученых». Основополагающая роль науки не может быть подменена организационными и срочными оперативными мероприятиями по обеспечению безопасности страны и человечества. Познание объективных законов мира дает возможность целенаправленного практического освоения и изменения окружающего мира, является неотъемлемым моментом практики материального его преобразо-
7
вания. Познание может быть донаучным, вненаучным и научным. Знания должны отвечать определенным критериям.Донаучное и вненаучное (обыденное) познания описывают состояния предметов и некоторые факты, хотя повседневное сознание включает много конкретных знаний об окружающем мире.
В практической деятельности человек накапливал знания о местности, животных, растениях и самом себе. Эти отрывочные знания, рецепты и правила отражены на глиняных табличках Месопотамии. Письменность появилась в Вавилонии в середине IV тысячелетия до н.э., а в Египте — на 500 лет раньше. Эти народы давно начали пользоваться водяными и солнечными часами, ввели единицы веса, длины, площади и объема. Они знали 5 видимых планет и целый ряд созвездий, научились предсказывать затмения. Свитки папируса, обнаруженные в долине Нила, относятся ко II тысячелетию до н. э. Египетские жрецы пользовались снадобьями для лечения и умели бальзамировать трупы. Знания частично классифицировались сначала образно, а затем и количественно. В Вавилоне и Древнем Египте были попытки упорядочить данные опытов и наблюдений. Около 5 тыс. лет назад появились определенные приемы счета времени по Луне и Солнцу; при этом ритмики природы, организма и трудовой деятельности связывались между собой. Разработку медных рудников, освоение рудного дела и плавку металла относят к V тысячелетию до н. э. Затем сложилось бронзолитейное производство, а ко второй половине IV тысячелетия до н. э. — производство рудного железа. Использование металлических изделий повысило производительность труда в несколько раз; появились плуг и мелкое ремесленное производство.
Познавательной предпосылкой науки явилось развитие критических функций разума и абстрактного мышления в Древнем Египте и Древнем Вавилоне. Человек стал выделять себя из мира природы, почувствовал себя активной силой, преобразующей ее для своей пользы. Общественное разделение труда поделило жизнь человека на личную, бытовую и производственную, трудовую. Так как последняя ориентировалась на рациональное сознание, она стала предпочтительней в развитии цивилизации, порождая конфликт личного и общественного. Накопление рациональных знаний и рост практических потребностей общества начали противоречить мифологическому сознанию. И хотя умозаключения еще делались на основе наблюдений, созерцания и рассуждений, в Древней Греции VII—VI вв. до н.э. возник интерес к пониманию мира в целом.
Переход к научному познанию предполагал выработку нового отношения к миру и человеку, был противоречивым и долгим. Постепенно формировались идеология и психология разделения общества на классы. Сознание человека разделилось на мораль, искусство, религию, философию и т.д. и было готово подняться до уровня абстракции, позволяющей задаться вопросом о первооснове бытия.
8
На возникновение науки и истоки научного метода существует несколько точек зрения.
В соответствии с одной из концепций освобождение сознания от мифологии — основной признак перехода к научному мышлению. Евклид и Архимед стремились выявить закономерности, строили свои теории согласно логике и обоснованности и только после этого выясняли возможности их практического использования. Обобщенная форма восприятия и объяснения явлений окружающего мира природы, зародившаяся в античности в трудах Гераклита, Демокрита, Аристотеля и послужившая началом формирования науки в целом, получила название натурфилософии. Ее подход соответствовал эмпирическому уровню исследования. Она существовала многие века как единая наука о природе и обществе. Наблюдаемые явления сопоставлялись со здравым смыслом, сформировавшимся на основе других наблюдений и логики. Из обобщений формулировали гипотезу происходящего, затем — новые наблюдения и проверки, которые могли привести к открытию новых закономерностей и предсказанию неизвестных явлений. Формулировка законов выводила науку на теоретический уровень исследования. В период возникновения наука практически не отличалась от философии, ученые называли свои труды «позитивной экспериментальной философией». Существенный вклад в обоснование науки и ее методов внесли такие мыслители, как Ф.Бэкон, Р.Декарт, Дж.Локк, Г.Лейбниц и др. Но с развитием специфических особенностей эксперимента и технологии примерно с XVI—XVII вв. единая наука разделилась.
Другая концепция относит возникновение науки к XVI — XVII вв., когда появились работы И. Кеплера, Г. Галилея, И. Ньютона, Хр. Гюйгенса и др., и связывает рождение науки с естествознанием. Естествознание создает идеалы и критерии научности. Постепенно из натурфилософии выделилась философия, обретя свой предмет среди проблем, которые не могут быть решены объективно: проблемы смысла, души, духа, сознания, бытия. Философская мысль только создает предпосылки для индивидуального поиска ответа на вечные вопросы бытия вообще и собственного — в особенности. Поэтому рассмотрение мироздания в целом, размышление о вечности и бесконечном разнообразии природы связаны в ней с жизненными ценностями исследователя, с его пониманием смысла жизни.
Способность опознавать образ — одно из фундаментальных свойств мозга. Реализуемая так информация — содержательная основа мышления. Окружающий мир отражается в сознании человека во всем многообразии. Сведения о нем поступают через органы чувств, затем передаются в мозг единственным способом — модуляцией нервных импульсов. Импульсы идут по разным волокнам в разные участки мозга. Пространственное и вре-
9
менное суммирование импульсов, связанная с ним мозаика процессов возбуждения и торможения в коре головного мозга — это физиологическая основа человеческого мышления. Но еще необходимо отфильтровать шумы и выделить структурный инвариант, лежащий в основе формирования образа.
Принято разделять мышление образами (конкретное) и понятиями (абстрактное), причем правое полушарие головного мозга специализируется на образах реальных объектов и эмоциональных реакциях, а левое — формирует абстрактное мышление. Из-за асимметрии мозга обычно одна из его частей доминирует, поэтому считают, что «право-полушарное мышление» настраивает на более успешные занятия гуманитарными науками или искусством, а обладатели «левополушарного мышления» должны выбирать научно-технические области деятельности. Но исследования нейрофизиологов показали, что правое полушарие распознает текст целиком, а левое — поэлементно. Поэтому и функции их можно считать синтетической и аналитической соответственно, и обе они должны находиться в гармонии для адекватного познания действительности как отдельным человеком, так и наукой в целом.
Наука стремится к объективности, исключая личностное восприятие мира, и это отличает ее от других компонент духовной культуры. Гуманитарное знание включает этику, историю, философию, юриспруденцию, педагогику, филологию, искусствоведение и т.п. Естествознание направлено на изучение природы, в которой действуют независимые от человека законы, которые он пытается постичь. Выяснение причины явлений еще не означает понимания или получения полного знания о предмете или явлении (у Ньютона сила — причина ускорения, а Аристотель к силе как причине движения относил и цель: «отец — причина ребенка»). В гуманитарных науках часто важнее раскрыть цели, мотивы или намерения в поведении людей. Понимание достигается через истолкование явлений, текстов и событий; такой метод часто называют герменевтическим по имени бога Гермеса, служившего посредником между богами и людьми и способного истолковывать людям волю богов. Поэтому гуманитарное знание не только анализирует объективные причины, приведшие к той или иной ситуации, но и включает субъективные мотивы и мысли исследователя. Общественные науки больше используют гуманитарное знание, так как в обществе ничего не происходит без действий и намерений человека. Кроме того, существует ряд наук о человеке (физиология, психология), которые используют гуманитарные и естественно-научные методы исследования.
Английский писатель Ч.Сноу в Кембридже прочитал лекцию «Две культуры и научная революция» (1959), вызвавшую много споров. Отмечая факт разрыва между «естественно-научной и гуманитарной культурами» в XX в., Сноу указывал на необходимость срочных мер по их сближению. Почти одновременно и в СССР
10
возникла дискуссия о «физиках» и «лириках». Наука и искусство разными способами исследуют окружающий мир и отражают его в сознании; научные понятия и художественные образы по-разному воссоздают его, но их сосуществование даже плодотворно, о чем говорят примеры истории науки (Леонардо да Винчи, М. В. Ломоносов, И.В.Гете, А.П.Бородин).
Именно успехи математики меняют ситуацию «размежевания культур». Постулаты Евклида или закон Архимеда были связаны с эстетическими критериями: круг — идеальная замкнутая кривая, повторяющееся движение должно совершаться равномерно по круговым орбитам; целые числа — чудо, лежащее в основе мироздания, они определяют гармонию прекрасных созвучий и т.д. И такое знание связано с гармонией мира. Эти гармонии подвергались проверке и часто не выдерживали ее (например, круговые орбиты в системе мира Птолемея и Н. Коперника были заменены под давлением результатов тщательных наблюдений эллипсами — искаженными окружностями Кеплера). Но П. Кеплер обнаружил новую гармонию в установленном им по результатам наблюдений законе площадей. И подобное происходило многократно в истории науки. Грандиозные успехи математизированного естествознания и порожденной им техники вызвали стремление к совершенствованию его структуры для достижения идеальной дедуктивной конструкции каждой научной дисциплины. Если в математике идеал самодостаточности ограничен теоремой Геделя*, то ограниченная форма этой структуры сохранила определяющее значение. И данное обстоятельство заслонило важность интуитивных, внелогических элементов теории. В естественных науках внелогический элемент сведен к суждению о достаточности опыта, а все прочие должны быть совместимы с положительным знанием и логикой, тогда как в науках гуманитарных и повседневной практической деятельности внелогические суждения разнообразны и являются основными.
В настоящее время возникает и некий протест против чисто аналитического подхода к природе, отстаивается иная логика. Как подметил французский биохимик Ж. Л. Моно, «наилучшие литературные произведения, написанные в течение последних 30 лет, полностью ненаучны или даже антинаучны. От Кафки до Беккета, через Камю и Сартра можно проследить, что большинство писателей нашего времени... так или иначе принадлежат этой школе». Имена, упомянутые здесь, не играют особой роли, но притягательности внелогичного в форме или содержании раньше не было. «Ненаучность» содержания — преобладание интуитивного, повышение требований к ассоциативной способности у слушателя, зрителя, читателя — становится все более доминирующим в любом виде искусства.
* Эта теорема утверждает, что описание мира природы не исчерпывается математическими построениями, а человек способен сформулировать и не доказанные строго положения, приближающие к описанию.