Geum.ru

Концепции Современного Естествознания

Вид материалаДокументы

Содержание


28. Принцип дополнительности
29. Радиоактивность; радиоактивный распад
Подобный материал:
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   21

26. Паранаука – (от греч. пара – рядом и наука), феномен в науке, проявляющийся как результат общесистемного явления паразитизма некоторых форм, существующих за счет других, основных форм (хозяев). Паразитические формы используют для своего существования энергетические, вещественные и информационные структуры, упорядоченные в процессе антиэнтропийной деятельности «хозяина», который затрачивает для этого необходимое количество энергии. В экологии и биологии – это различные виды паразитов, в науке – это паранаучные идеи и течения, описывающие т.н. паранормальные явления. В самоорганизующейся сложной системе (любого типа) возникают тесные сообщества паразита и хозяина и на основе отбора (а в биосферных экосистемах – естественного отбора) происходит, в целом, взаимовыгодный процесс их коэволюции, причем, как показали модельные эксперименты, наличие форм-паразитов способствует большему разнообразию системы и её устойчивости.

Развитию естествознания постоянно сопутствует процесс появления наукоподобных построений и целых паранаучных систем, паразитирующих на сложных и неоднозначно трактуемых наукой феноменах природы и человека, особенно в области познания микромира, космоса и явлений человеческой психики. При этом используются категории и термины из понятийного аппарата соответствующей области знания, но либо они толкуются слишком расширительно и неопределенно (что свойственно, например, для таких понятий, как энергия, информация, поле и т.д.), либо явления, рассматриваемые паранаукой, статистически недостоверны, невоспроизводимы в стандартных условиях, и «протекают» с нарушением фундаментальных законов сохранения.

Так, например такое паранормальное явление, как телекинез, или телепортация, нарушает один из фундаментальных законов механики – закон сохранения количества движения (импульса), и поэтому в рамках нормальной науки рассматриваться не может. Аналогичная ситуация имеет место в области изучения т.н. биополя, («передача мысли» на расстояние, влияние биоэнергии на ход физических процессов и т.п.), где до настоящего времени экспериментально не получено воспроизводимого и статистически достоверного подтверждения наличия таких эффектов. До сих пор нет эмпирических доказательств существования т.н. каталитического («холодного») термоядерного синтеза, протекающего стабильно и в количественном масштабе, о чем, как о факте, было много сообщений и дискуссий в СМИ. Современная квантовая теория допускает этот феномен, однако, как маловероятный эффект туннельного характера.

Существует множество и других общеизвестных явлений такого рода, в частности, астрология, НЛО и экстрасенсы, не говоря о таких примерах чистого шарлатанства и профанации, как поиск пропавших или лечение людей по фотографиям, бесконтактная хирургия, колдовство, сеансы магии и т.п., что появляется в определенные периоды истории и вливается, по выражению З. Фрейда, в общий «мутный поток оккультизма».

Это не значит, что вообще нужно отрицать возможность слабых и очень специфических процессов взаимодействия в материальном мире, в том числе, между человеческим сознанием и внешним миром. Еще в начале века никто не мог представить себе в пределах рациональной аргументации наличие в природе космических лучей, реликтового излучения, античастиц и т.п., не говоря уже о процессах эволюции Вселенной. Квантовая физика в настоящее время исследует и пытается осмыслить невероятнейшие взаимодействия между элементарными частицами и полями, получившие название нелокальных процессов, которые свидетельствуют о том, что реальный мир неизмеримо сложнее, чем казалось в годы триумфа механики Ньютона, электродинамики Максвелла-Герца, теории атома Резерфорда-Бора, и совершенно чужд традиционной логике здравого смысла.

Однако, в сферу научного естествознания могут войти лишь те сущности, право на существование которых можно обосновать, исходя из универсальных законов сохранения и второго начала термодинамики, которым можно присвоить числовое значение и формально описать математическим языком, указать методы измерения на основе известных фундаментальных взаимодействий и затем осуществить наблюдение и статистически достоверную экспериментальную проверку. Тем не менее, паранаука вообще и паранаучные идеи, в частности, будут всегда существовать и сопутствовать науке как неизбежный системно-симбиотический элемент, объяснимый неравномерностью развития и образования людей в обществе и иррациональным компонентом, присущим человеческому сознанию. Возникающие на этом поле время от времени дискуссии могут быть полезны науке, поскольку выводят обсуждение проблем за пределы традиционного для естествознания рационально-логического метода мышления, ограниченного сложившейся парадигмой, и ставят перед наукой в качестве вызова новые нетривиальные задачи, требующие определенного ответа. (См. также: Наука, Парадигма).


27. Поле, (физическое поле) – особая форма материи, физическая система, обладающая бесконечным числом степеней свободы. Примерами могут быть электромагнитное поле, гравитационное поле (поле тяготения), поле ядерных сил, волновые квантованные поля элементарных частиц. Понятие поля, пронизанного силовыми линиями, введено в физику выдающимся английским физиком Майклом Фарадеем в 30-е годы Х1Х века для описания механизма действия электрических и магнитных сил в качестве альтернативы ньютоновским представлениям о дальнодействии, т.е. о процессах взаимодействия тел на расстоянии без какого-либо посредника – переносчика силы. Согласно представлениям о дальнодействии, сила притяжения или отталкивания между двумя зарядами возникает только при наличии двух заряженных частиц вещества. Пространству около этих частиц не отводится никакой активной роли в передаче взаимодействия. Концепция поля, напротив, подразумевает, что само наличие заряженной частицы или массы вещества меняет свойства пространства, создавая в нем силовое поле, и каждая точка измененного пространства обладает потенциальной способностью проявить действие силы.

Поле выполняет роль посредника, передавая от точки к точке пространства действие одного тела или заряда на другой, - такой процесс передачи силового взаимодействия получил название близкодействия. По мнению Эйнштейна идея поля была самым важным открытием в физике со времён Ньютона. В 60-е годы Х1Х века другой выдающийся английский физик Дж.К. Максвелл дал концепции поля математическую интерпретацию и построил на этой основе классическую теорию электромагнитного поля (система четырех фундаментальных уравнений Максвелла), исходя из которой сумел предсказать наличие в природе электромагнитных волн, передающих энергию поля со скоростью света и сделать вывод о том, что свет есть частный случай электромагнитных волн определенной длины и частоты.

Согласно теории относительности Эйнштейна, ни один сигнал не может распространяться быстрее света, поэтому все процессы взаимодействия между зарядами, происходящие по типу близкодействия, имеют конечную скорость передачи силового воздействия, т.е. посредничество поля в передаче энергии от одного тела к другому создает определенное запаздывание, тогда как в теории дальнодействия взаимодействие между телами происходит мгновенно. В течение всего времени запаздывания именно полю принадлежит часть энергии, отданной первым телом или зарядом, но еще не полученная вторым. При таком механизме передачи энергии поле является физической реальностью, одной из форм существования материи.

В отличие от вещества (частиц материи) физические величины, характеризующие поле (энергия, импульс, момент импульса и т.д.), не сосредоточены в некоторой точке, где в данный момент находится тело, а распределены по всему пространству, и в каждый момент времени их следует задавать для каждой точки пространства. Эта операция упрощается путем введения полевой функции, по которой определяются все необходимые физические характеристики поля. Для электрического поля такой функцией пространственных координат является вектор напряженности, характеризующий величину и направление силы в данной точке, а для гравитационного – потенциал поля, скалярная (т.е. не имеющая направления) характеристика.

Движение частицы в пространстве – это механическое перемещение дискретного объекта, обладающего в декартовой системе координат тремя поступательными степенями свободы и тремя вращательными (по трем независимым направлениям). Движения поля – это распространяющиеся колебания полевой функции, т.е. волновой процесс, которому свойственны все волновые явления, такие, как дифракция, интерференция, суперпозиция. Эти явления, характерные для поля (континуальность), в рамках классической физики принципиально невозможны для частиц (дискретность), таким образом классическая наука и философия при рассмотрении категории материи оперирует дихотомией «поле-вещество». Квантовая механика на пути к единому описанию природы сделала важный шаг для устранения этого противопоставления, введя т.н. пси-функцию Шредингера (волновую квантовомеханическую функцию координат и времени), но она отразила только волновые свойства элементарных частиц, - феномен микромира, известный как корпускулярно-волновой дуализм.

Переход к единой корпускулярно-волновой модели материи осуществляется в квантовой теории поля при помощи метода вторичного квантования, когда реальному физическому полю того или иного типа ставятся в соответствие дискретные кванты, отвечающие различным возможным состояниям этого поля. В терминах такого абсолютно неклассического физического объекта – квантованного поля, - в современной физике описываются частицы, которые теперь представляют собой кванты-переносчики соответствующего взаимодействия. При таком подходе, например, электроны и позитроны – это кванты электрон-позитронного поля, фотоны – кванты электромагнитного поля, глюоны – кванты глюонного поля и т.д. Переносчиком гравитационного взаимодействия в поле тяготения являются гравитоны – кванты поля гравитации. Они обладают всеми им присущими физическими характеристиками такими, как масса покоя, заряд, энергия, импульс, спин, четность, странность, цвет и т.д.

Квантованное поле – это совершенно новое фундаментальное понятие современной физики, описывающее реально существующий физический объект микромира, лишенный дихотомии «поле-вещество» и органично обладающий присущей ему совокупностью корпускулярных и волновых свойств, часть которых при переходе к классическому пределу неизбежно теряется. С эпистемологической точки зрения это соответствует несводимости квантовомеханической реальности к реальности макромира и семантической несоизмеримости понятий, используемых для моделирования и интерпретации объектов и явлений, принадлежащих различным масштабам сложности в иерархии уровней структурной организации материи.


28. Принцип дополнительности – сформулированная выдающимся датским физиком Нильсом Бором (в 1927 г.) принципиальная концепция квантовой механики, согласно которой получение экспериментальной информации о каких-либо физических величинах, описывающих объект, принадлежащий микромиру (частицу, атом, квант поля и т.п.), неизбежно влечет за собой потерю информации о некоторых других параметрах этого объекта, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными друг к другу параметрами являются, например, координата движущейся частицы и величина ее скорости (или импульс), величины кинетической и потенциальной энергии одной и той же частицы и т.п. некоммутирующие параметры.

Согласно представлениям Бора (т.н. копенгагенская интерпретация), такое явление объясняется влиянием измерительного прибора (который всегда является объектом макромира и подчиняется законам классической физики), на состояние микрообъекта, причем сам результат измерений порождается в процессе взаимодействия этих двух несоизмеримых сущностей. При точном измерении одной характеристики элементарной частицы, другой параметр, вследствие взаимодействия частицы с прибором, претерпевает такое изменение, что последующее его измерение вообще теряет смысл, т.к. вся предыдущая информация полностью и необратимо исчезает. Принцип дополнительности с физической точки зрения непосредственно связан с фундаментальным для микромира принципом неопределенности и отражает неклассические, вероятностные закономерности поведения микрообъектов, определяемые в физике микромира термином «корпускулярно-волновой дуализм».

Философская интерпретация принципа дополнительности отражает научно установленный факт невозможности точно описывать объекты микромира и их свойства с помощью понятий классической физики, которые соответствуют реальности макромира – т.е. мира больших величин. Поскольку человек неспособен к непосредственному чувственному восприятию объектов микромира и их характеристик, весь его предшествующий опыт, закрепленный в категориях, ставших основой понятийного аппарата классической физики, может быть адекватно использован только для упорядочения информации и построения картины макромира, который воспринимается непосредственно и трактуется в рамках здравого смысла и классической логики. Парадоксальный с точки зрения привычных понятий, но, тем не менее, реально существующий глубинный уровень организации материи, (микромир) поддается восприятию и познанию только путем косвенных измерений и описания на языке математического формализма. Его объекты имеют такие свойства, которые весьма условно соответствуют привычным терминам классического научного языка, используемым (за неимением других) и в новой неклассической физике. Однако они требуют для упорядочения этой специфической информации новой неклассической логики.

Таким образом, такие традиционные понятия классической физики, как масса, заряд, момент импульса, траектория и т.п. аналогии, наполняются новым непривычным содержанием, теряют связь с очевидным, и это дает основания некоторым философам науки (например, американскому философу П. Фейерабенду) говорить не только о логической несовместимости некоторых альтернативных теорий, но и о принципиальной несоизмеримости различных научных языков, описывающих природные феномены.

Диалектическое значение концепции дополнительности как методологического принципа естествознания состоит в том, что она позволяет не только осознать противоречивый характер взаимоотношений фактов макромира и микромира в человеческом сознании, но и создать целостную, более упорядоченную картину, объединив две, на первый взгляд, взаимоисключающие друг друга, но на самом деле взаимодополнительные стороны единой реальности материального мира. Весьма абстрактный и формальный характер языка неклассической физики, доступный далеко не каждому, свидетельствует об ограниченных описательных возможностях естественного языка, который сформировался в процессе биологической эволюции человека на материале, непосредственно доступном органам чувств. Возникшие в этом процессе ментальные конструкции и сложившаяся на этой основе понятийная матрица классической науки, помогают осознавать и упорядочивать информацию, получаемую из непосредственного восприятия результатов опыта, что всегда было достаточно для интерпретации явлений макромира.

Язык квантовой механики (см.), пригодный для описания феноменов микромира, противоречит классической научной традиции, всему повседневному опыту и логике здравого смысла. Эти языки несводимы друг к другу и представляют собой несовместимые семантические системы, и то, что является логическим парадоксом в одной схеме интерпретации явлений, вообще не создает противоречия в другой. Такое положение наводит на мысль о невозможности описания всего реального мира каким-либо одним универсальным языком (также идея Н. Бора) и приводит к философским выводам о необходимости использования в познании мира эпистемологически дополнительной методологии.

Аналогичная ситуация отмечается не только в квантовой физике - области познания микромира, но и в теории гравитации, а также в синергетике (см.) – науке о самоорганизации и саморазвитии сложных неравновесных систем с резко нелинейным характером протекающих в них процессов, принадлежащих при этом макромиру. В последнем случае дополнительными друг к другу являются два способа описания: частные закономерности поведения отдельных элементов системы, - с одной стороны, и общие законы эволюции её самой как целого, - с другой стороны. Это соответствует динамическому и статистическому методам моделирования реальных процессов в сложных системах.

В конце 80-х годов, в связи со становлением новой системно-синергетической парадигмы познания природы, этот принцип приобрел самое широкое толкование как общая эпистемологическая концепция универсальной дополнительности рационально-логического («естественнонаучного») и образно-художественного («гуманитарного») методов познания в процессе создания целостной «синтетической» или «холистической» картины мира. Таким образом, принцип дополнительности выступает в роли общеметодологической концепции современной постнеклассической науки, помогающей создать наиболее адекватную, на данный момент, картину мира, преодолеть разрыв между двумя типами мышления и, как следствие этого, ослабить и даже со временем снять оппозицию «двух культур». (См. также: Бор; Черные дыры).


29. Радиоактивность; радиоактивный распад - самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер естественных химических элементов (и их искусственных изотопов) в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием ядерного излучения различного типа. Впервые явление радиоактивности обнаружено в 1896 году французским физиком Анри Беккерелем (см.) в природных соединениях урана, из которых в 1902 году выдающийся французский физикохимик польского происхождения дважды лауреат Нобелевской премии Мария Склодовская-Кюри, (которая и ввела в научный обиход термин «радиоактивность»), получила сначала соль радиоактивного элемента радия – одного из дочерних продуктов распада урана, а в 1910 году совместно с французским химиком А. Дебьерном выделила чистый металлический радий. Она же в эти годы открыла и радиоактивный элемент полоний. Величина активности радионуклидов измеряется в Беккерелях; 1 Бк =1 распад в секунду в системе СИ, иногда применяется и внесистемная единица: 1 Кюри =3,7*1010 Бк. Известно четыре типа самопроизвольных ядерных превращений: альфа-распад, бета-распад, электронный захват и спонтанное деление тяжелых ядер – урана, тория и трансурановых искусственных элементов.

Изомерный ядерный переход из возбужденного энергетического состояния в основное, например, после предшествующего бета-распада, в результате чего испускается ядерное гамма-излучение, в строгом смысле распадом не является, т.к. при этом атомное ядро химического элемента не изменяется. Радиоактивный распад – явление статистической природы, обусловленное внутренней неустойчивостью ядер, имеющих избыток или недостаток нейтронов, по сравнению со стабильными изотопами этих элементов.

Числовой характеристикой неустойчивости является т.н. постоянная распада k, имеющая физический смысл вероятности распада. Часто используется понятие периода полураспада T1/2 – времени, в течение которого распадется в среднем половина исходного количества данного радионуклида. Эти параметры связаны соотношением T1/2=ln2/k. Среднее число распавшихся радиоактивных атомов N(t) зависит от времени экспоненциально, N(t)=N0*e-kt, но при условии достаточно большого количества радиоактивного вещества, когда справедлив закон больших чисел. О моменте распада изолированного атома, даже зная период полураспада, ничего определенного сказать нельзя.

Периоды полураспада различных радионуклидов (искусственных и природных) колеблются в пределах от тысячных долей секунды до миллиардов лет. Долгоживущие естественнорадиоактивные изотопы остались в земной коре со времени образования Земли и служат материалом для геохронологии (например, калий-40 – 1,3*109 лет, уран-238 – 4,5*109 лет, торий-232 – 1,4*1010 лет). Используя закономерности радиоактивного распада реликтовых радионуклидов, Э. Резерфорд и П. Кюри предложили в 20-х годах абсолютную геохронологическую шкалу. Анализируя данные по распаду природных радиоизотопов, геофизики оценили возраст Земли примерно в 4,5 – 4,6 млрд. лет. В археологии также широко применяется метод радиоуглеродного датирования древесных образцов по степени распада накопившегося в них природного радиоизотопа углерод-14 (T1/2 = 5500 лет). (См. также: Доза облучения, Ионизирующее излучение).


30. Система – одно из ключевых понятий эволюционно-синергетической парадигмы, обозначающее множество элементов, находящихся во взаимных динамических отношениях и связях, образующее целостную структуру, свойства которой не сводимы к свойствам отдельных элементов и поведение которой характеризуется закономерностями, однозначно не выводимыми из характеристик этих элементов и типа взаимодействия между ними. Такие представления, в общем, были свойственны еще античным мыслителям (целое больше суммы своих частей по утверждению Аристотеля), но настоящую научную основу приобрели только в 20-м веке. Для интерпретации структурных особенностей систем и изучения происходящих в них процессов характерно представление об иерархии уровней сложности.

Понятие многоуровневости состоит в том, что различные элементы, составляющие систему, можно рассматривать как подсистемы, состоящие, в свою очередь из элементов более глубокого уровня реальности, которые по той же аналогии могут рассматриваться дальше и т.д. Каждому из этих уровней соответствуют свои законы движения и развития, в целом не сводимые к законам соседних уровней и не выводимые из них, хотя все они принадлежат к объективным законам природы. Этот прием не только практически удобен, но и обусловлен эпистемологически, поскольку, не существует одного универсального научного языка, на котором одновременно можно описать закономерности развития любой достаточно сложной системы как целого и в тех же понятиях моделировать поведение различных составляющих её частей, хотя существует ряд универсальных свойств и закономерностей (изоморфизм), в целом характерных для эволюции разнообразных типов систем – термодинамических, биологических, экономических, экологических и даже социальных.

Это приводит к принципу иерархического структурного деления всей суперсистемы (Универсума) по ряду различных оснований, выбираемых, исходя из задач построения модели, например:

А). Деление на: 1) микромир, 2) макромир, 3) мегамир соответствует принципиально отличным структурным формам организации и движения материи, описание которых ведется соответственно:

1). По законам квантовой механики с учетом дискретной природы и вероятностного характера происходящих процессов, где «властвует» принцип неопределенности, отсутствует понятие точных и однозначных траекторий движения частиц, действуют законы сохранения весьма специфических параметров, не имеющих наглядных аналогий. При описании процессов, протекающих в этом мире необходимо учитывать релятивистские эффекты, поскольку скорость света вполне соизмерима со скоростью других процессов, а эффект замедления времени является обычным явлением;

2). По детерминистским законам классической ньютоновской динамики, когда процессы считаются непрерывными, поскольку постоянную Планка в силу её малости по сравнению с энергетическими характеристиками этих процессов можно без потери точности приравнять к нулю, скорость света можно считать равной бесконечности, пространство рассматривать как евклидово, абсолютное и трехмерное, а время считать линейным и также абсолютным;

3). Согласно принципам общей теории относительности, в которой пространство и время связаны в один неразделимый континуум, материальные массы космических тел искривляют геометрию пространства-времени, а скорость света становится фундаментальной мерой наблюдаемости или ненаблюдаемости объектов, порождая понятие горизонта событий и ставя предел возможности получения информации об объектах и познанию Вселенной научными методами.

Б). Своеобразные особенности выявляются при разделении мира по типу происходящих в нем процессов организации структур на: а) простые, равновесные, замкнутые и вполне предсказуемые системы однородных элементов и б) сложные, неравновесные, открытые и, часто уникальные, системы стохастического типа. Такая классификация происходит по принципу “стабильность и порядок” и “нестабильность и хаос”. В последнем случае, как оказалось, возникают совершенно особые состояния, приводящие к самоорганизации и возникновению новых структур, т.е. - «порядка из хаоса», что не описывается динамическими моделями, а требует рассмотрения системных свойств более высокого уровня.

В). Аналогичные, но неизмеримо более сложные проблемы возникают при рассмотрении природы как системы двух миров - косного и живого вещества, когда оказывается, что существование последнего не противоречит всем известным законам физики и химии, в некоторых проявлениях описывается ими, но не выводится из них, а основано на пока еще скрытых от науки закономерностях системного характера самого высокого уровня. Еще сложнее ситуация, возникающая при исследовании закономерностей в системе «мир человека-мир природы» или «мир индивидуума-мир общества», где, помимо всего прочего, существуют феномены иррационального характера, недоступные моделированию формализованными логико-математическими методами.

Общепризнано, что первую в современной науке попытку создать цельную теорию, которая описывала бы соответствующим математическим аппаратом общие и универсальные закономерности системного поведения различных систем, установила бы условия их изоморфизма, методы оптимального регулирования и т.п., предпринял в 1968 году австрийский биолог Людвиг фон Берталанфи в труде «Общая теория систем». Мало известна более ранняя (20-е годы) фундаментальная работа А.А. Богданова (Малиновского) «Тектология. Всеобщая организационная наука», изданная только в 1989 году, в которой закладывались философские основы общесистемных методов исследования культурных, социально-политических и коммуникативных процессов.

В тот же период аналогичные идеи развивал и П.А. Сорокин в труде «Система социологии», - 1920 г., Н.Д. Кондратьев в области экономики - «Основные проблемы экономической статики и динамики», издана только в 1991 г. и В.М. Бехтерев в области медицины и нейрофизиологии – «Коллективная рефлексология», - 1921 г. Современная постнеклассическая наука интегрирует все предыдущие достижения в области системного мышления и видит категорию системности как одну из основных в создании адекватной картины мира, широко используя методы описания и анализа процессов самоорганизации и саморазвития сложных систем, предоставляемые синергетикой (см.).