Концепции современного естествознания контрольные работы

Вид материала

Документы

Содержание 22. Неопределенности принцип 24. Ньютона законы (законы механики) Закон инерции F и обратно пропорционально массе m Первый закон Второй закон Третий закон

Подобный материал:

• Программа, методические указания и контрольные задания по дисциплине концепции современного, 717.75kb.
• В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 8133.34kb.
• Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
• Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
• Программа дисциплины Концепции современного естествознания Специальность/направление, 456.85kb.
• Г. И. Рузавин Концепции современного естествознания Рекомендовано Министерством общего, 3030.69kb.
• Введение Наука "Концепции современного естествознания", 48.81kb.
• Программа дисциплины концепции современного естествознания для студентов 3 курса очной, 191.37kb.
• Высшее профессиональное образование т. Я. Дубнищева концепции современного естествознания, 9919.17kb.

22. Неопределенности принцип – фундаментальное положение квантовой теории, утверждающее, что любая физическая система в микромире или отдельная элементарная частица не могут находиться в состояниях, в которых координаты их положения в пространстве и импульс, характеризующий динамику процесса, одновременно принимают вполне определенные и точные значения. Сформулирован в 1927 году выдающимся немецким физиком Вернером Гейзенбергом на основе разработанного им матричного варианта квантовой механики (Нобелевская премия за 1932 год). Обычно любому физическому измерению, приводящему к некоторому результату Z_i, всегда сопутствует некоторая погрешность dZ_i, и окончательный результат эксперимента, «имеющий право» считаться научным, представляется в виде: Z_idZ_i.

В классической механике не существует никаких принципиальных причин, которые препятствуют уменьшению погрешности измерений как координат, так и импульсов движущихся объектов, - были бы соответствующие приборы и достаточная статистика. В квантовой механике существует принципиальное (т.е. связанное с фундаментальными свойствами материи) ограничение на одновременное улучшение точности измерений параметров системы, которое описывается т.н. соотношением неопределенностей и абсолютно не зависит от совершенства или несовершенства измерительной техники. Количественно оно формулируется так: если dx - неопределенность значения координаты x квантовомеханического объекта, а dp - то же для проекции его импульса p на ось х (одномерный случай), то произведение неопределенностей этих параметров по порядку величины не может быть меньше постоянной Планка, - dx*dp_хh. Для двух других координат y и z соотношение аналогично.

Существует и другая формулировка соотношения неопределенностей: если dE - неопределенность энергии системы E, а dt - неопределенность времени существования данного энергетического состояния t, то справедливо неравенство: dE*dth. Из этих соотношений вытекает, что любые попытки увеличить точность измерений одного параметра, т.е. уменьшить его неопределенность, неизбежно приводит к потере точности определения значения другого. Это принципиальное для явлений микромира положение связано с корпускулярно-волновым характером движения квантовых объектов, и не проявляется в макромире. Таким образом, согласно традиционной (копенгагенской) интерпретации квантовой механики, пока не указаны условия эксперимента, т.е. наблюдения, спланированного наблюдателем, невозможно сказать, является ли объект микромира волной или частицей.

Следующий пример поясняет принципиальную разницу между закономерностями движения объектов макро- и микромира. Рассмотрим движение макрообъекта – пули, диаметром 1 см, массой m=10 г, летящей со скоростью v=400 м/сек. Среднеквадратичная ошибка (неопределенность) при измерении скорости движения пули пусть будет равна 1% или dv= 4 м/сек или 400 см/сек. Электрон (микрообъект), имеющий массу порядка 10^–27 г, средний диаметр порядка 10^–13 см, движется со скоростью примерно 100 км/сек. Если масса электрона неизменна (релятивистские эффекты малы), то при той же погрешности измерений, неопределенность его скорости составляет dv= 10⁵ см/сек. Тогда, согласно принципу неопределенности, имеем: dv*dx=h или dx=h/m*dv, откуда, следует, что неопределенность положения (координаты) пули равна примерно dx=10^{– 30} см, что в сравнении с её размерами – исчезающе малая величина, тогда как для электрона неопределенность координаты составляет dx=10^–5 см, что превышает его собственные размеры на 8 порядков! Именно поэтому все квантовомеханические эффекты никак не проявляются в макромире, но принципиально неустранимы в микромире.

Принцип неопределенности лежит в основе объяснения всех виртуальных процессов и является научной опорой космогонических теорий типа Большого взрыва при объяснении возможности спонтанных энергетических переходов такого рода в первичном квантовом вакууме. Он входит в качестве концепции фундаментального значения в т.н. копенгагенскую интерпретацию квантовой механики. Ряд крупнейших физиков и философов (научных противников Копенгагенской школы Н. Бора) неоднократно пытались разработать схемы мысленных экспериментов, в которых можно было бы обойти неопределенность микромира.

Выдающийся английский философ Карл Поппер, пытаясь «спасти» детерминизм в явлениях микромира, придумал идею о т.н. предрасположенности частицы проявить корпускулярные или волновые свойства при взаимодействии с детектором как объективном её свойстве. «Эти предрасположенности, - писал он, - определяются всей целостной структурой измерительной установки. Нет необходимости приписывать индетерминизм отсутствию точности в определении состояния частицы и, стало быть, соотношениям неопределенностей. Последние сами возникают в виде соотношений рассеяния, вследствие того, что детерминистическое взаимодействие замещается предрасположенностями к взаимодействию. Мы, таким образом, не только отвергаем ошибочную веру в то, что неопределенность возникает (или частично возникает) из-за нашего вмешательства, измерения и т.д., но также объясняем эту веру. Ибо каждое измерение основывается на взаимодействии частиц и, следовательно, действительно в соответствии с распределением предрасположенностей создает рассеяние. Но то же самое бесчисленное множество раз случается и тогда, когда нет ни наблюдателя, ни наблюдения».

В сущности, все такие попытки основывались на том, что квантовая механика не является полной фундаментальной теорией, т.е. её вероятностный характер и индетерминизм результатов обусловлен тем, что она не учитывает некоторые т.н. скрытые параметры, которых как раз не хватает для полноты описания явлений микромира и получения в экспериментах с частицами детерминированных результатов. Наиболее известен эксперимент с двумя частицами, придуманный Эйнштейном, Подольским и Розеном (результат знаменитой многолетней дискуссии Эйнштейна с Бором), который, как казалось Эйнштейну, стоявшему на позициях детерминизма, может опровергнуть соотношение неопределенностей.

Суть эксперимента состоит в том, что если точно измерить один параметр у первой частицы (другой параметр при этом неизвестен), а после их взаимодействия точно измерить другой параметр у второй частицы (первый параметр при этом также неизвестен), то для каждой частицы в отдельности соотношение неопределенностей Гейзенберга выполняется, зато для системы двух частиц, применяя законы сохранения энергии и импульса, эту неопределенность можно обойти. При этом предполагалось, что поведение микрочастиц (например, двух фотонов) локально, - т.е. на большом расстоянии они некоторое время друг друга не «чувствуют», потому, что если даже повторное взаимодействие между ними и произойдет, то его скорость, согласно специальной теории относительности, не может превысить скорость света. Именно за это время, пока они друг друга не чувствуют, и следует произвести измерения нужных параметров.

В 1964 году известный физик из ЦЕРНа (Женева) Джон Белл, проанализировав квантовомеханическое описание микромира в копенгагенском виде и все имеющиеся модели со скрытыми параметрами, доказал теорему о несовместимости традиционной квантовой механики и любых локальных теорий со скрытыми параметрами, он вывел также необходимые критерии для экспериментальной проверки этих положений. В результате многолетней подготовки группа французских физиков из Оптического института Парижского университета под руководством Алена Аспека смогла в 1982 году провести двухфотонный эксперимент по проверке соотношений Белла, который во времена Бора и Эйнштейна был невозможен. Это эксперимент показал, что обойти соотношение Гейзенберга невозможно, все локальные модели со скрытыми параметрами несостоятельны, тогда как квантовая механика дает настолько адекватное описание микромира, насколько это вообще возможно, а корпускулярно-волновой дуализм, вероятностный характер (индетерминизм) поведения частиц и фотонов и неопределенность квантовых параметров – суть то, что можно назвать объективными свойствами квантовомеханических объектов. (См. также: Квантовая механика, Наблюдение).


23. Ноосфера – сфера разума, высшая стадия естественного развития биосферы Земли, её новое гармоничное состояние, осуществленное при непосредственном воздействии человека как крупнейшей геологической силы общепланетарного масштаба, т.е. область нашей планеты, охваченная разумной человеческой деятельностью. Понятие ноосферы ввел в 1927 году французский математик и философ-бергсонианец Эдуард Леруа на основе учения о биосфере В.И. Вернадского и учения о «феномене человека» и «божественной среде» выдающегося французского ученого и католического мыслителя Пьера Тейяр де Шардена. Этим термином Леруа обозначал современную стадию, переживаемую биосферой. Дальнейшее развитие этой идеи и превращение её в научную и философскую концепцию универсального масштаба связано с именем выдающегося русского ученого В.И. Вернадского, который сейчас воспринимается как один из крупнейших мыслителей ХХ века.

В своей статье «Несколько слов о ноосфере», Вернадский, утверждая наступление этой особой эры как закономерный этап геологической и биологической эволюции планеты, писал об этом так: «Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше. <…> Ноосфера - последнее из многих состояний эволюции биосферы в геологической истории – состояние наших дней. Ход этого процесса только начинает нам выясняться из изучения её геологического прошлого в некоторых своих аспектах. Пятьсот миллионов лет тому назад, в кембрийской геологической эре, впервые в биосфере появились богатые кальцием скелетные образования животных, а растений – более двух миллиардов лет назад. Это кальциевая функция живого вещества, ныне мощно развитая, была одной из важнейших эволюционных стадий геологического изменения биосферы. ... Не менее важное изменение биосферы произошло 70-110 млн. лет тому назад, во время меловой системы и особенно, третичной. В эту эпоху впервые создались в биосфере наши зеленые леса, всем нам родные и близкие. Это другая большая эволюционная стадия, аналогичная ноосфере. Вероятно, в этих лесах эволюционным путем появился человек около 15-20 млн. лет тому назад. ... Сейчас мы переживаем новое геологическое эволюционное изменение биосферы. Мы входим в ноосферу. Мы вступаем в неё – в новый стихийный геологический процесс…».

Таким образом, по Вернадскому, процесс ноогенеза – с одной стороны, естественный и закономерный результат общей эволюции биосферы, с другой – для него необходимы сознательные и целеустремленные действия всего человечества, предполагающие осознание статистическим большинством соответствующей системы ценностей. Основоположники учения о ноосфере полагали, что процесс перехода к высшим формам развития биосферы (точка Омеги как осуществление окончательного идеала Божественной среды у П. Тейяр де Шардена) неизбежен и с необходимостью ведет к упорядочению природной и социальной среды, к более совершенным формам бытия и всеобщему благу на основе гармоничного соединения для этой цели науки, общественного сознания, экономики и политики государств.

Однако, именно здесь, по мнению ряда современных интерпретаторов этого учения, научная трактовка проблемы уступает место «мифологии разума», и проявляются утопические черты этого учения, - желаемое заслоняет действительное. В самом деле, заранее неясно, насколько когерентно будут сочетаться стихийные, но в целом, высокоупорядоченные системным образом биогеосферные силы и объективные, но не менее стихийные и часто вполне хаотические социально-экономические тенденции реального процесса развития цивилизаций. Есть вполне научные основания считать, что процесс ноогенеза, в том виде, как он описан Вернадским, Тейяр де Шарденом, Циолковским и русскими космистами, в принципе, возможен, но далеко не обязателен.

С точки зрения синергетических представлений о специфике эволюции сложных неравновесных систем (в данном случае, условно говоря, по формуле: «биосфера + техносфера + некая сфера духа, например, пневматосфера Флоренского = ноосфера»), можно допустить, что в процессе самоорганизации и саморазвития такой сверхсложной и еще недостаточно глубоко понимаемой человеком системы, как эта, в результате появления неожиданных бифуркаций, обусловленных скрытыми аттракторами, возникнут и другие, непредвиденные и нежелательные, но более реальные траектории развития.

Некоторые современные исследователи также полагают, что существует опасность постепенной и, в целом, антигуманистической подмены идеи ноосферы в традиционном, несколько романтическом её понимании, идеей артесферы – искусственного мира, созданного технократической и информационнократической цивилизацией, подавляющей и трансформирующей научно-техническими методами естественные биологические условия жизни человека, и под видом высокой цели - разрешения биологических и экологических противоречий (загрязнение окружающей среды, болезни, старость, смерть), заменяющей природу её окультуренным суррогатом. Это идея экологического императива, концепция «мир как сад», в котором на основе достижений науки искусственно создается гармония, и прочие им подобные научно-рационалистические построения утопического характера. Эти исследователи утверждают, что некритическое отношение к учению о переходе биосферы в ноосферу современных его энтузиастов, считающих этот процесс закономерным, неуклонным и единственно возможным, приводит к дезориентации общественного сознания и закреплению в нем сциентистских мифов рационально-прогрессистского толка. Тем самым в значительной степени маскируется истинная сложность проблемы дальнейшего развития системы «человек-природа», поскольку предлагается более или менее определенная и как бы научно обоснованная, вполне радужная перспектива ее решения.

Но, несмотря на существующие разногласия, а возможно и благодаря им, имеющий место конфликт интерпретаций этого учения привел к осознанию огромной сложности данной проблемы, и дискуссии вокруг неё раскрывают большое философское значение концепции ноосферы. Очевидно, что философская и естественнонаучная задача состоит в необходимости дальнейшего всестороннего анализа самой фундаментальной оппозиции нашего времени - «биосфера - артесфера», т.е. в изучении возможности ослабить неизбежные противоречия между универсумом природы и универсумом человеческой деятельности таким способом, чтобы одно не подавлялось другим, а имело достаточно степеней свободы для бесстрессового развития. В свете современных экологических исследований, сложились определенные представления о зависимости как человека от природы, так и природы от человека, и разорвать эти связи уже невозможно без ущерба для человеческой цивилизации, поэтому оптимальным путем развития биосферы в эпоху ноогенеза видится коэволюция человека и природы в условиях уже объективно осуществившемся между ними структурно-системном комплексе отношений. (См. также: Вернадский, Тейяр де Шарден, Экосистема).


24. Ньютона законы (законы механики) – три уравнения движения, позволяющие полностью описать закономерности процесса перемещения тела под действием какой-либо силы или комбинации сил.

1). Закон инерции (закон Галилея): тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют внешние силы. Таким образом, инерция – это способность тела сопротивляться любому изменению состояния его движения, - как ускорению, так и замедлению. Пример: шайба, пущенная хоккеистом по льду (идеальное скольжение), двигалась бы вечно с приобретенной начальной скоростью, не требуя никакой новой силы для поддержания своего прямолинейного движения; для изменения этого состояния требуется приложить внешнюю силу. Космический аппарат, имея необходимую начальную скорость, будет вечно двигаться в безвоздушном пространстве.

2). Закон ускорения: ускорение a, приобретаемое телом, прямо пропорционально величине действующей силы F и обратно пропорционально массе m этого тела: F=ma. Пример: на тело, свободно падающее на землю, действует постоянная сила гравитации. При отсутствии прочих сил (сопротивления воздуха и т.д.) тело будет двигаться с постоянным ускорением свободного падения g, и его скорость v будет увеличиваться прямо пропорционально ускорению и времени падения: v=gt, а пройденное им расстояние h расти пропорционально квадрату времени: h=gt²/2.

3). Закон равновесия (стационарности): в стационарном состоянии всякая сила, действующая на тело, вызывает равную ей по величине и противоположную по направлению (противодействующую) силу. Пример: предмет, падающий вниз или погружающийся в воду под действием силы тяготения, может двигаться равномерно (с некоторой постоянной скоростью), если сила тяжести будет уравновешена силой сопротивления воздуха или воды (прыжок человека с парашютом, процесс погружения подводного аппарата на дно и т.п.).

Законы динамики Ньютона представляют собой математический язык механики, которому свойственны внутренняя непротиворечивость и полнота, что позволяет однозначно сформулировать и решить любую правильно поставленную задачу, допускающую использование классического макроскопического приближения. Применение математических методов дифференциального исчисления вместе с численными методами интегрирования и современным компьютерным программным обеспечением расширяет его возможности и позволяет в рамках этих законов решать любые задачи механики с любой, заданной степенью точности, начиная от расчета режимов работы обычных машин и кончая расчетами траекторий движения космических аппаратов к удаленным объектам Солнечной системы.

Движение планет по орбитам вокруг Солнца, а также движение спутников по орбитам вокруг больших планет описывается законами Кеплера. Эти законы были открыты в 1619 году австрийским астрономом Иоганном Кеплером и сыграли решающую роль в утверждении гелиоцентрической системы мира Коперника (1543 год). Все они вытекают из теории движения Ньютона, дополненной законом всемирного тяготения, и в современном изложении формулируются так:

Первый закон – каждая планета движется по орбите, представляющей собой эллипс (а не окружность как в античной геоцентрической системе), в одном из фокусов которого находится Солнце.

Второй закон – каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем за одно и то же время, дуги (части эллипса), пройденные планетой по орбите, ограничивают в её плоскости секторы равной площади.

Третий закон – отношение квадратов времен обращения планет вокруг Солнца t равно отношению кубов их средних расстояний от Солнца (t₁/t₂)² = (R₁/R₂)³ (среднее расстояние планеты от Солнца R равно большой полуоси эллипса).

Из второго закона естественно вытекает, что планеты движутся по орбитам с переменной скоростью, что наблюдали еще древние греки, но в рамках представлений античной натурфилософии о высшем совершенстве кругового движения (а поэтому, для небесных тел единственно возможного), объяснить это явление не могли. Таким образом, именно исследования Кеплера привели к пересмотру античных представлений о круговом движении как самом совершенном и единственно возможном для планет.

Высокая точность предсказаний положения планет, следующая из законов Кеплера, и явная простота по сравнению с геоцентрической системой Птолемея, обеспечила широкое признание гелиоцентрической системы Коперника среди астрономов уже в 17-м веке, несмотря на явные противоречия с очевидностью и всё ещё сильное влияние авторитета Аристотеля.

Еще раз заметим, что Кеплер не вывел свои законы из более общей теории, а получил их методом математической аппроксимации (т.е. подгонки) данных астрономических наблюдений, поэтому он не мог объяснить, почему планеты движутся именно так, а не иначе. Ответ на этот вопрос дал Ньютон на основе фундаментального закона всемирного тяготения.


25. Парадигма – (от греч. пример, образец), одна из ключевых категорий современной философии науки и культуры, в целом соответствующая понятию образа или картины мира (мировидения) на соответствующем этапе социально-культурного развития той или иной культурно-исторической общности. В более частном смысле (касательно естествознания) этот термин введен в философию науки известным американским философом и историком науки Томасом Куном, определившим парадигмы как «признанные всеми научные достижения, которые в течение определенного времени дают модель постановки проблем и их решений научному сообществу». В рамках сложившегося научного сообщества парадигма включает в себя всю совокупность научных идей, традиций, теоретических взглядов, методологических установок, убеждений, ценностей и даже научных предрассудков, закономерно возникших и закрепившихся в научной среде, принятых и поддерживаемых членами данного научного сообщества.

Парадигма, согласно Куну, призвана формировать научное видение мира, поддерживать научные традиции в научном сообществе, обеспечивать преемственность и распространение знаний и формировать иерархию приоритетов в научных исследованиях. Непосредственно действие парадигмы осуществляется через дисциплинарную матрицу, в которую входят три основных элемента: это создание теоретических моделей и интерпретация полученных научных данных, процесс символического обобщения результатов в виде «законов» различного уровня и система образования, дающая примеры и образцы решения научных проблем. С помощью таких образцов учащиеся усваивают содержание теорий, методы получения и интерпретации научных фактов в рамках соответствующей парадигмы. Тем самым приверженность определенной парадигме обеспечивает продуктивное функционирование т.н. нормальной науки – зрелой стадии развития науки.

Научная парадигма функционирует как самоорганизующаяся система, пронизанная информационными обратными связями, и в своем саморазвитии проявляет консервативные черты, демонстрируя, наподобие биологической системы, что-то вроде борьбы за существование, стремясь, насколько это допустимо, интерпретировать получаемые факты в рамках доминирующей концептуальной схемы, модернизируя её в пределах существующих возможностей. С общесистемной точки зрения и в самом обобщенном толковании такое поведение научного сообщества, придерживающегося данной парадигмы, напоминает процесс естественного отбора посредством приспособления некоторой популяции к изменениям окружающей среды «обитания» (здесь - науки) и конкуренцию с другой популяцией (научным сообществом, работающим в рамках другой парадигмы). Именно по этой причине так трудно новаторам и первооткрывателям, опередившим своё время, продвигать новые идеи, идущие вразрез с доминирующей концептуальной системой, признанной научным сообществом, но зато и представителям паранауки, отвергающим фундаментальные законы природы, составляющие основу любой парадигмы, невозможно серьёзно поколебать устои науки и повлиять на процесс развития научного знания.

Но всё же постепенное накопление фактов различного типа, никак не вписывающихся в существующую парадигму, (изменение условий среды) приводит к её кризису, а затем следует процесс неизбежной смены парадигмы, что Кун и отождествляет с научной революцией. С этой точки зрения он рассматривает ряд исторических примеров смены парадигм, таких, как смена аристотелевской динамики на механику Ньютона, птолемеевской геоцентрической системы на гелиоцентрическую систему Коперника, континуальной (непрерывной) картины мира на дискретную квантово-механическую, ньютоновских представлений об абсолютных и независимых друг от друга пространстве и времени на относительный пространственно-временной континуум Эйнштейна-Минковского и многое другое.

Эта закономерная последовательность изменений в способах научного видения природы и интерпретации её феноменов может трактоваться как эволюционный процесс естественного отбора одних теоретических схем (в некотором смысле «видов») по принципу их преимущества по сравнению с другими в объяснительной способности (выживаемости). При всей условности и схематизме данного подхода, понятие парадигмы, историчное по своей сути, прочно вошло в современный философский язык, а куновская схема научных революций, концепция научного сообщества и нормальной науки нашли свое место в философии науки. С введением понятия научного сообщества, состоящего из конкретных живых людей -- носителей парадигмы во всём её объеме и культурного сознания той или иной исторической эпохи, вовлеченных, помимо научной работы, также и в круг вненаучных, чисто бытовых и личных отношений, т.е. с введением категории реальных исторических субъектов научной деятельности, в философию науки, наряду с общепринятыми представлениями о рациональном характере научного познания, вошел и иррациональный элемент, обусловленный эмоциональной составляющей человеческой природы. Этот подход к трактовке закономерностей научного познания мира более органично вписывает науку в общекультурный контекст, чем представления К. Поппера о науке как о внеисторическом и независимом от конкретных личностей процессе получения объективного знания о мире.

В культурно-историческом аспекте процесс смены парадигм затрагивает весь комплекс элементов, формирующих взгляд на мир и место в нем человека. Не рассматривая очень специфические культуры Востока, по крайней мере, в европейской истории, можно несколько условно выделить четыре больших периода, характеризующихся парадигмальными отличиями: античную, средневековую, возрожденческую и парадигму эпохи Просвещения, которую в культурологии ещё называют картезианско-ньютоновской механической парадигмой. Согласно современным философским взглядам, на конец 20-го века пришелся кризис механической интерпретации мира и начало постепенного установления новой т.н. системно-синергетической эволюционной парадигмы, представляющей Универсум, (т.е. Вселенную и Человека в ней) как неразрывную, многосвязную и взаимообусловленную, сложную саморазвивающуюся и самоорганизующуюся систему. (См. также: Наука, Паранаука).