Концепции современного естествознания модуль 1 Естествознание: эволюция представлений
| Вид материала | Закон |
- 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.
- Камчатский государственный технический университет, 33.59kb.
- 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.
- Концепция современного естествознания Глава 1: Предмет естествознания, 397.47kb.
- Программа дисциплины концепции современного естествознания для студентов 3 курса очной, 191.37kb.
Во многом благодаря указанному методологическому прорыву античная наука за весьма короткий в историческом отношении срок на все времена обогатила человечество такой совершенной системой теоретических знаний, как геометрия Евклида, такими поистине гениальными предвосхищениями открытий далекого будущего, как гелиоцентрическая космологическая модель Аристарха Самосского, атомистическая концепция Левкиппа и Демокрита.
Для понимания логики естествознания и закономерностей его развития, в частности феномена научных революций (см. ниже), необходимо привлечение общефилософских законов, которые, в сущности, составляют философскую базу естественных наук. Это:
– закон единства и борьбы противоположностей;
– закон перехода количественных изменений в качественные;
– закон отрицания отрицания.
Совместное действие этих универсальных законов задает алгоритм (порядок) эволюционного развития систем любой природы. У любой характеристики материальной системы имеется взаимодействующая с ней противоположность. Накопление количественных изменений в системе рано или поздно приводит ее в противоречивое, неупорядоченное состояние, выход из которого возможен только посредством скачкообразного перехода системы в качественно новое состояние. Такой качественный скачок сопровождается отрицанием ранее принятых (имевшихся) характеристик и заменой их (самопроизвольно или сознательно) соответствующими противоположностями. Следующий качественный скачок реализует операцию отрицания ранее состоявшегося отрицания, и система возвращается к первоначальным характеристикам, но непременно на качественно новом уровне. Именно это мы и имеем в виду, говоря, что развитие идет «по спирали».
Теория самоорганизации систем, концепции которой подробно будут рассмотрены ниже, раскрывает естественные механизмы эволюционных процессов в живой и неживой природе. В протекании этих процессов существенную роль играет фактор случайности – на уровне как количественных изменений (флуктуации), так и качественных скачков (случайный и неоднозначный выход системы из точки (бифуркации).
Подпадает ли под действие подобного алгоритма развитие науки, которое принято характеризовать понятием научно-технического прогресса? Ведь под прогрессом, как правило, понимается сознательная реализация определенных планов и программ, когда фактор случайности, казалось бы, исключается. Следует, однако, принимать во внимание то обстоятельство, что в научном творчестве случайные процессы объективно неизбежны. Никогда невозможно, например, однозначно предсказать, какой будет гипотеза, способная вывести теорию на новый уровень обобщения. Науку делают живые люди, поэтому субъективный фактор никак нельзя сбрасывать со счетов. Кроме того, концентрация ресурсов на тех или иных направлениях исследования нередко определяется «социальным заказом» на разных этапах развития общества, в котором экономика и политика то и дело пересматривают критерии прогресса.
Таким образом, имеются достаточные основания рассматривать развитие естествознания как процесс эволюции системы научного знания.
В рамках определения философской базы современного естествознания нельзя не коснуться основного вопроса философии – вопроса о взаимодействии материи и сознания. Наука исходит из признания первичности материи, тем более что появление в природе носителя сознания – человека – рассматривается как результат восходящей эволюции материи. Однако, продвигаясь в глубины микромира и мегамира (космоса), познание все в большей степени лишается образной наглядности, адекватной человеческому ассоциативному мышлению. Математические гипотезы, лежащие в основе современных физических теорий, диктуют выработку представлений о материальных объектах, недоступных чувственному восприятию человека-наблюдателя.
Творческая мысль, идея формирует абстрактный образ элементарных частиц, кварков, квазаров, черных дыр и множества других материальных структур.
Говоря о закономерностях развития естествознания, следует вернуться к принципу соответствия Бора (см. выше). Новая теория, обладающая большей общностью по сравнению с предшествующей, утверждается после надежного эмпирического подтверждения продуктивной гипотезы, устраняющей противоречия в интерпретации всей совокупности установленных фактов. Однако и прежняя теория имела обширный эмпирический базис. Возникает вопрос: не была ли она ошибочной? На самом деле речь идет не об ошибочности, а об ограниченности области применения. Научные, т. е. достоверно подтвержденные, теории не выводятся из арсенала науки, их средства широко применяются в тех случаях, когда нецелесообразно привлекать теорию более общую, а значит, и более сложную в математическом отношении.
2.2. Наука как процесс познания
За два с половиной века своего развития наука стала чрезвычайно сложным и разветвленным образованием, в котором, однако, явно прослеживается системная организация и внутренняя структура. В иерархическом порядке основные элементы структуры научного знания располагаются следующим образом:
– достоверно установленные факты;
– закономерности, обобщающие совокупности фактов;
– теоретические построения, отражающие системы закономерностей, которые в совокупности описывают некоторые области реального мира;
– научные картины мира, создающие обобщенные образы реальности, объединяющие в системное единство все не противоречащие друг другу теории.
Достоверно установленные факты (т. е. факты, подтвержденные многочисленными наблюдениями, результатами экспериментов, их проверок и перепроверок) составляют эмпирический базис науки. Накапливаемые в процессе исследований факты по определенным правилам систематизируются и обобщаются. В случае достоверного обнаружения общности фактов, повторяющегося их единообразия и причинно-следственных связей можно говорить о том, что найден эмпирический закон – общее правило, которому подчиняются наблюдаемые явления.
Однако закономерности, устанавливаемые на эмпирическом уровне, особенно если речь идет о непосредственном наблюдении явлений, а не о специальным образом организованном эксперименте, зачастую мало что объясняют, поскольку не вскрывают движущие силы, первопричины этих явлений. Поэтому эмпирические закономерности, как правило, малоэвристичны. Для выяснения природы тех или иных явлений, а также для определения направления дальнейших исследований необходимо рассмотрение вопроса на другом – теоретическом – уровне познания.
Цель научного познания, как уже отмечалось, состоит в установлении законов – существенных, устойчивых связей между явлениями, т. е. в выявлении общего для определенной области действительности. Для установления такой общности наука прибегает к абстрагированию, оперируя общими, повторяющимися характеристиками идеализированных объектов и не принимая во внимание все другие характеристики реальных объектов, несущественные с точки зрения решаемой задачи.
Возникает естественный вопрос: как определить, какие характеристики объекта являются существенными, а какие таковыми не являются? Дело в том, что любой процесс исследования начинается не с накопления фактов, а с выдвижения проблемы, или, по крайней мере, задачи. Необходима некая начальная идея, предположение – что же именно мы намерены выяснить. В противном случае множество разрозненных фактов, фиксируемых в процессе наблюдения, создадут столь интенсивный «информационный шум», что из-под него практически невозможно будет выделить ускользающий «сигнал» той или иной закономерности.
На эмпирическом уровне, таким образом, фиксируются внешние общие характеристики (признаки) реальных предметов и явлений. Что же касается вычленения существенных с точки зрения задачи исследования внутренних признаков, то здесь-то и проявляется феномен научного творчества – предвидение, догадка, озарение, наконец. Далее следует объяснение и обоснование идеи на теоретическом уровне познания.
Теория оперирует в основном идеализированными объектами, такими как материальная точка, абсолютно твердое тело, идеальный газ и множество других. Такого рода абстракции совершенно необходимы для построения математических моделей (ведь современная теория – это продукт глобальной математизации науки). Более того, принцип абстрагирования заложен в процедуру современного эксперимента, который еще со времен Г. Галилея составляет неотъемлемую часть двуединого экспериментально-математического метода.
По сути дела, любой эксперимент организуется и проводится таким образом, чтобы исследовать тот или иной процесс при возможно минимальном воздействии посторонних с точки зрения поставленной задачи факторов. Конечно же, эксперименты проводятся с реальными объектами, но и сами объекты исследования подбираются и готовятся специальным образом, и процедура (методика) эксперимента, как правило, строится так, чтобы можно было проследить зависимость хода изучаемого процесса от управляемого изменения одного определенного параметра, когда все остальные параметры остаются неизменными (фиксируются). Поэтому результаты проведенного таким образом эксперимента оказываются пригодными для их математической обработки. Этим эксперимент качественно отличается от наблюдения в натурфилософском смысле, оставаясь, тем не менее, методом исследования на эмпирическом уровне.
В настоящее время экспериментальные исследования связаны с изучением сложных и тонких процессов, поэтому для их проведения требуются серьезное техническое оснащение, значительные энергозатраты, а также трудозатраты на обработку больших объемов информации. Усложняется также взаимодействие эксперимента с теорией, что нашло свое отражение в развитии теории планирования эксперимента и методов статистической обработки его результатов.
2.3. Структура научного познания
Проследим теперь в обобщенном виде стандартную модель построения научного знания, имея в виду, что при структурировании, расчленении на этапы столь сложного процесса не обойтись без элементов абстрагирования его частных особенностей.
Процесс познания начинается с установления посредством наблюдения определенной совокупности фактов. Если в ходе систематизации накопленных фактов обнаруживается некоторая регулярность или устойчивая, повторяющаяся зависимость, то можно считать, что получено первичное эмпирическое обобщение, или найден эмпирический закон.
Как правило, наряду с фактами, укладывающимися в рамки эмпирического закона, обнаруживаются и такие факты, которые не вписываются в обнаруженную регулярность, противоречат ей. На этом этапе неизбежно возникает необходимость выдвижения теоретической гипотезы, которая позволила бы чисто умозрительно, мысленно видоизменить известную (принятую) реальность так, чтобы противоречащие закономерности факты вписались в некую общую схему (модель), которая должна удовлетворять требованию непротиворечивости.
В условиях развитой современной науки, как правило, накопление совокупности фактов, потенциально нуждающихся в новом теоретическом осмыслении, происходит в течение достаточно длительного времени и участвуют в нем многие ученые и научные коллективы. Необходимо появление определенного «критического объема» таких фактов, чтобы стало очевидным наличие проблемной ситуации, когда вновь обнаруженные факты не могут быть объяснены и поняты на основе существующих теорий. Появление такой проблемы с неизбежностью требует выдвижения адекватной гипотезы.
Теоретическая гипотеза, как пробное решение по устранению имеющегося противоречия, всесторонне анализируется на предмет ее подтверждения имеющимися эмпирическими данными и теоретическими знаниями.
Далее, при условии такого подтверждения, из гипотезы согласно правилам логики выводятся следствия, допускающие эмпирическую проверку. Эти следствия выводятся как умозрительным путем, так и на основе применения адекватного математического аппарата.
Если тщательная эмпирическая проверка на основе проведения серии специально спланированных экспериментов не подтверждает следствий из гипотезы, то можно считать, что эта гипотеза логически опровергнута. В случае подтверждения следствий из гипотезы в принципе можно говорить о рождении новой теории.
Итак, стандартная модель построения научного знания «вытягивается» в такую цепочку: установление и накопление эмпирических фактов – первичное эмпирическое обобщение – обнаружение новых, отклоняющихся от правила, фактов – выдвижение проблемы (гипотезы, дающей адекватное объяснение) – логический (дедуктивный) вывод из гипотезы эмпирически проверяемых следствий – опытная проверка наличия предсказываемых гипотезой фактов.
Надежное подтверждение гипотезы сообщает ей статус теоретического закона. Заметим, что такая модель носит название гипотетико-дедуктивной и принято считать, что именно по такой схеме построена основная часть здания современной науки. Казалось бы, всё очень просто – достаточно действовать согласно приведенной схеме, и научный закон будет открыт, ведь каждый новый элемент знания логически выводим из предыдущих. Однако вот мнение по этому поводу выдающегося ученого-физика Альберта Эйнштейна: «Нет ясного логического пути к научной истине, ее нужно угадать неким интуитивным скачком мышления». Действительно, феномен научного творчества в том и состоит, что на определенном этапе процесса познания дальнейшее продвижение возможно только неординарным образом – ученый, выдвигая удачную гипотезу, предугадывает истину, если угодно, обнаруживает ее мысленным взором и лишь затем строит к ней логический мост в виде доказательства.
Вернемся к последнему этапу гипотетико-дедуктивной модели процесса познания, завершаемому появлением теоретического закона. Здесь следует особо отметить, что с признанием такого закона окончательная точка в процессе познания не ставится. Дело в том, что по правилам той же логики из истинности следствия не следует истинность основания (в нашем случае гипотезы).
По сути, здесь в полной мере проявляется философский принцип, провозглашающий относительный характер положений, законов и теорий всех без исключения наук, изучающих природу и общество. Мы можем говорить лишь о той или иной степени достоверности теоретической гипотезы, поскольку, как бы велико ни было количество подтверждающих ее фактов, в принципе имеется отличная от нуля вероятность того, что появятся новые твердо установленные факты, которые существенно ограничат область применения принятой теории и потребуют разработки непротиворечивой обобщающей теории. История науки знает тому немало примеров.
2.4. Критерии и нормы научности
Итак, теоретический уровень познания позволяет получить наиболее общее, целостное представление о связях и закономерностях, объективно действующих в определенной области реального мира. Эмпирическая же проверка обеспечивает достоверность установленного теоретического объяснения, т. е. возможность надежного прогнозирования поведения материальных систем. Однако нередки случаи, когда принятая теория, удовлетворяя критерию достоверности, что проявляется в правильном предсказании ранее не известных явлений, тем не менее, оказывается неадекватной природе. Это означает, что принятая теоретическая модель реального объекта неполно отражает его внутреннюю структуру и свойства. Со временем она оказывается не в состоянии непротиворечиво объяснить более широкий круг явлений. Возникает необходимость создания новой теоретической модели, которая отвечала бы критерию адекватности природе.
История естествознания знает немало примеров того, как исчерпывался эвристический потенциал казавшихся незыблемыми теорий именно по причине выявления на достигнутом уровне развития их неадекватности природе реальных явлений и процессов. Ярким примером такого рода может служить развитие представлений о природе света: от концепии упругих продольных волн к представлению об поперечных электромагнитных волнах и далее – к концепции корпускулярно-волнового дуализма света.
Следует отметить, что при разработке современных теорий вводятся понятия, которым соответствуют недоступные непосредственному наблюдению характеристики изучаемой реальности. Это приводит к определенной независимости теоретического знания от его эмпирической основы. Поэтому проблема обеспечения научности знания, его соответствия критериям и нормам научности приобретает всё большее значение, особенно если принимать во внимание активизацию всевозможных псевдонаучных идей и направлений.
Что же касается научной методологии, то она сформулировала ряд принципов для установления научности знания. Одного из них, получившего название принципа верификации, мы уже касались: любое суждение имеет смысл, только если оно эмпирически проверяемо.
Принцип верификации эффективно действует в сфере естественных наук, причем нередко на уровне косвенной верификации, когда понятия, введенные теорией, нельзя наблюдать непосредственно. Так, например, в физике элементарных частиц широко используется понятие кварков – гипотетических частиц, из которых, согласно теории, состоят участвующие в сильном взаимодействии экспериментально наблюдаемые частицы – адроны. Обнаружить свободные кварки в экспериментах не удается, чему имеется ряд объяснений. Однако достоверно зафиксированы физические явления, предсказанные кварковой теорией, что является свидетельством ее косвенной верификации.
Однако более надежное подтверждение концепций и базирующихся на них теорий обеспечивает применение принципа фальсификации, который гласит: научным может быть только то знание, которое в принципе опровержимо. Формулируя этот принцип, крупный философ ХХ в. Карл Поппер отталкивался от существенного различия весомости фактов в процедурах подтверждения и опровержения научного знания. Действительно, повторение множества подтверждающих фактов не дает окончательной уверенности в истинности того или иного закона, но достаточно одного явно опровергающего факта, чтобы признать этот закон ошибочным. В качестве примера часто приводится закон всемирного тяготения: любое количество падающих яблок не станет непреложным подтверждением его истинности, но достаточно одного яблока, полетевшего прочь от Земли, чтобы он мог считаться опровергнутым. Именно поэтому каждая неудачная попытка фальсифицировать (опровергнуть) теорию дает новое подтверждение ее научности.
Последовательное проведение в жизнь принципа фальсификации лишает научное знание законченности, неизменности. Здесь принцип фальсификации переходит в концепцию перманентной научной революции, согласно которой предполагаемая опровержимость теорий со временем становится реальной, что приводит к их крушению, возникновению новых проблем, требующих объяснения, а в этом и состоит залог прогресса науки.
2.5. Научные революции и становление научных парадигм
Последние годы характеризуются расширением функций науки: наряду с описанием и объяснением объектов и явлений она стала выполнять функцию производительной силы в том, конечно, смысле, что сегодня научные исследования и разработки лежат в основе любого производства. Результаты научной деятельности в виде научной информации являются своеобразной продукцией, непосредственно используемой в производстве материальных ценностей. Объем научной информации, производимой мировой наукой, постоянно возрастает. Как показывают количественные оценки, объем научной продукции возрастает по экспоненциальному закону, т. е. каждые 15 лет он увеличивается в е раз (где е = 2,72 – основание натурального логарифма).
Развиваясь в среднем экспоненциально, наука, однако, время от времени резко меняет темпы накопления и систематизации знаний. Периоды плавного, кропотливого накопления сведений внезапно сменяются лавинообразным возникновением принципиально новых идей, гипотез и теорий, которые кардинальным образом изменяют, казалось бы, незыблемые представления об окружающей реальности. Картина мира переписывается заново.
Такова внутренняя логика развития научного знания, логика, сочетающая эволюционные и революционные процессы. В рамках методологии обсуждаются различные модели, отражающие подобную логику развития науки. Наибольшую популярность в среде ученых приобрела концепция развития американского философа Томаса Куна, который ввел в методологию науки понятие парадигмы, в переводе с греческого означающее: образец, пример.
По Т. Куну, парадигма объединяет «...общепризнанные научные достижения, которые в течение определенного времени дают модель постановки проблем и их решений научному сообществу». Таким образом, парадигма на длительный период времени определяет научную картину мира, служит образцом, общепринятым стандартом подхода к решению научных проблем, находит отражение в учебниках, фундаментальной и популярной научной литературе и, наконец, ее основные положения овладевают массовым сознанием. В основе парадигмы лежит, как правило, определенная теория, сама же парадигма как таковая теорией не является, поскольку она не выполняет функции объяснения, а задает общее направление построения всевозможных теорий (в течение срока своего действия).
В истории естествознания заняли свое место парадигмы, базирующиеся на аристотелевой динамике, ньютоновской механике, максвелловской электромагнитной теории, эйнштейновской теории относительности. Развитие научного знания в рамках парадигмы стало называться нормальным; с появлением новой парадигмы связан экстраординарный этап приращения такого знания, знаменующий собой научную революцию.
Следует подчеркнуть, что возникновение новой парадигмы логически необъяснимо, ведь она никоим образом не вытекает из предыдущего знания. Здесь мы имеем непредсказуемый скачок, скорее, даже взлет познания, иррациональное событие, к тому же не являющееся однозначно детерминированным. Дело в том, что в критический момент перехода от одного состояния к другому существует несколько возможных продолжений и реализация какого-то одного из них определяется стечением обстоятельств. Так выглядит логика эволюционного развития науки, в котором преемственность научного знания (принцип соответствия) демонстрирует сочетание наследственности и изменчивости системы, а естественный отбор сохраняет только адекватные природе гипотезы, способные развиваться во все более общие теории, обладающие высокой информативностью. Высокий уровень энтропии, характерный для противоречивых, критических ситуаций, скачкообразно сменяется полностью упорядоченным состоянием системы знаний.
Отметим также, что утверждение новой парадигмы – событие вовсе не одномоментное. Оно происходит с преодолением активного противодействия сторонников прежней парадигмы, поэтому процесс оценки, критического анализа, осмысления и принятия парадигмы происходит уже на нормальном этапе развития науки.
Альтернативная модель, выдвинутая английским философом Имре Лакатосом и базирующаяся на методологии научно-исследовательских программ, принципиально отличается от куновской положением о том, что выбор одной из конкурирующих программ должен производиться на рациональной основе. Исследовательская программа рассматривается не как основополагающая теория, а как последовательность трансформирующихся теорий, исходящих из единых принципов. Научная революция при таком подходе состоит в смене одной программы другой, конкурирующей, программой, превосходящей первую по эвристической силе. Следовательно, по И. Лакатосу, движущей силой развития науки выступает рациональная конкуренция программ, имеющих каждая свой потенциал позитивной эвристики.
Нетрудно убедиться, что, отличаясь друг от друга, две эти наиболее авторитетные модели логики науки сходятся в главном – в опоре на феномен научных революций.
При определении смысла и содержания понятия «научная революция» во главу угла выносится радикальная смена (переворот) всей иерархической структуры науки, всех ее элементов, а именно: способов интерпретации наблюдаемых фактов, закономерностей, теорий, наконец, всей научной картины мира, которая в обобщенном виде сосредоточивает все остальные элементы научного знания.
Одно, пусть даже крупнейшее, научное открытие не в состоянии изменить научную картину мира. Однако такое открытие способно стимулировать серию других открытий, которые в совокупности обеспечат необходимые условия для такой смены. Речь идет в первую очередь об открытиях в таких фундаментальных науках, как физика и космология. Совершенно очевидно, что смена научной картины мира неизбежно влечет за собой такую же радикальную перестройку самих методов исследования, а также норм и критериев научности знания.
Существует общепринятое мнение о том, что в истории науки однозначно зафиксированы три научные революции, т. е. три случая кардинальной смены научной картины мира.
Первая научная революция пришлась на VI–IV в. до н. э., когда собственно наука выделилась из всего массива знаний об окружающем мире, создав вполне определенные нормы и правила обеспечения научности знания и образцы его построения. Возникшая в результате этой революции так называемая античная научная картина мира, ядро которой составляла геоцентрическая система мировых сфер, стала определяющим фактором мировоззрения на последующие 20 веков.
Вторая научная революция произошла в ХVI–ХVIII вв. Ее отправным пунктом стал переход от геоцентрической к гелиоцентрической модели мира. Одновременно в науке произошли глубочайшие перемены, приведшие к становлению классического естествознания. Итогом этой революции стала механистическая научная картина мира на базе естествознания, вооруженного экспериментально-математическим методом. При этом сложился стереотип научного знания – представление о раз и навсегда установленной абсолютно истинной картине природы.
Однако уже на рубеже ХIХ и ХХ в. поистине «грянула» третья научная революция, сокрушившая претензии классической механики на исчерпывающее описание и объяснение всех явлений природы. По сути, квинтэссенция произошедшего переворота состояла в решительном отказе от выделения в модели мира какого бы то ни было «главного» центра. Все системы отсчета равноправны, следовательно, наши представления зависят от «привязки» к конкретной системе отсчета, а потому являются относительными, как и сама научная картина мира.
Новая естественно-научная картина мира стала результатом глубокого переосмысления таких фундаментальных исходных понятий, как пространство, время, непрерывность, причинность, приведшего к несоответствию новых представлений критериям так называемого здравого смысла.
Существенно изменились общие представления о мире: стало очевидным, что абсолютно завершенная, истинная картина не будет создана никогда, ибо знание относительно, а абсолютная истина недостижима.
2.6. Возможности и границы научного метода
Очевидная тенденция ускорения научного прогресса способна породить в массовом сознании иллюзию безграничности ее возможностей. Между тем, проникая в глубины мироздания, наука вынуждена преодолевать всё более серьезные преграды. Собственно для того и совершенствуются научные методы, чтобы подобные преграды преодолевать – когда «в лоб», а когда и «в обход». Однако есть границы познания, которые носят фундаментальный характер.
Существование одной из таких границ обусловлено тем, что сами основания науки не имеют абсолютного характера и в принципе могут быть опровергнуты. Рациональный научный метод не может быть построен иначе, чем на бездоказательном введении наиболее общих первичных допущений – постулатов, аксиом, из которых затем выводятся (более или менее строго) все последующие положения и законы теории.
В свое время Ньютоном были решительно отвергнуты натурфилософские гипотезы о так называемых «скрытых качествах», введенных Аристотелем и его последователями для объяснения природных явлений, поскольку эти гипотезы не допускали экспериментальной проверки. Позднее Эйнштейн пересмотрел введенные Ньютоном принципы абсолютности пространства и времени, обратимости времени, всеобщего детерминизма, оказавшиеся неадекватными действительности за пределами макромира.
В принципе опровержимы и постулаты однородности, материальности, симметричности мира, составляющие фундаментальную основу современных представлений о нем. Достоверность этих положений практически подтверждается тем, что выведенные из них следствия не противоречат наблюдаемой реальности (а также друг другу). Однако нельзя однозначно утверждать, что эта непротиворечивость сохранится и за пределами изученной наукой реальности.
Здесь мы переходим к следующему ограничению познавательных возможностей науки, связанному с принципиальной ограниченностью человеческого опыта во времени и в пространстве. По поводу того, что находится за пределами опыта, истинность любого утверждения носит вероятностный характер.
Еще один барьер такого рода коренится в самой природе человека, чувственный аппарат которого адекватно воспринимает объекты макромира, но теряет такую способность при изучении объектов мега- и микромира. Нет и не может быть такого образа из числа окружающих нас предметов, который соответствовал бы тому, как выглядит, скажем, электрон. К тому же средства исследования, которыми пользуется человек, тоже являются предметами макромира и поэтому «не стыкуются» с такими объектами исследования, как, например, элементарная частица или галактика. Более того, при взаимодействии с объектами микромира наши макроприборы начинают оказывать на них неустранимое влияние, что, в свою очередь, ограничивает познавательные возможности.
Выход познания за пределы макромира, формирующего наш повседневный опыт, а значит, и способность мыслить образно, вынужденным образом сопровождается все более широким привлечением математических и логических абстракций. В современной физике существует немало понятий, которым просто-напросто соответствуют те или иные математические параметры и не более того. Не следует, однако, забывать, что математика и логика созданы всё в том же макромире и на каком-то уровне проникновения в глубины мироздания тоже могут перестать работать. Расширяя горизонты (как это принято говорить), наука в то же время выявляет и области невозможного. Так, например, теория относительности строго ограничивает скорость света, общеизвестна невозможность создания «вечного двигателя».
Все это свидетельствует о том, что наука не всемогуща, ее возможности не безграничны. Границы научного метода определяет сама наука (в лице ученых, конечно), поэтому нельзя утверждать, что они определены абсолютно точно и верно. Но границы эти, безусловно, существуют, и это является еще одним свидетельством того, что реальный мир гораздо сложнее и разнообразнее, чем картина мира, которую рисует наука.
3. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
3.1. Зарождение науки
Говоря о пробуждении науки, мы, безусловно, отдаем себе отчет в том, что невозможно назвать более или менее точную дату этого события. Можно говорить о процессе накопления разнообразных практически полезных знаний, который с изобретением письменности стал необратимым и приобрел условия, необходимые для систематизации этих знаний.
Длительный исторический период, когда знание было облечено в магическую и мифологическую форму, показал, что человек в силу своей природы стремился приобретать знания об окружающем его непонятном и опасном мире для того, чтобы выжить и создать себе более комфортные условия существования. Так родилось понимание того, что знание – это сила, позволяющая воздействовать на ход природных процессов и обращать их себе на пользу.
Не менее важная движущая сила, заставляющая человека познавать и объяснять окружающий мир, заложена в его природе. Это присущая homo sapiens неутолимая любознательность, бескорыстное желание знать, как же устроен окружающий мир.
С осмыслением процессов хозяйственной деятельности, связанной с переходом к оседлости, в период неолита наряду с письменностью появились зачатки наук: астрономии, математики, рецептурной медицины, металлургии и других. Освоение движения звездного неба (выделение созвездий), течения времени (разработка первых календарей) позволили решать задачи ориентации во времени и пространстве на базе систематизации наблюдений, т. е. знание стало обретать признаки научности.
Письменность первоначально возникла в зоне первых цивилизаций Древнего Востока (Вавилон, Индия, Египет). Бесценные памятники письменности донесли до нас и труды ученых того времени по астрономии, географии, математике. Важнейшим достижением пробуждающейся науки Древнего Востока, значение которого трудно переоценить, стало создание специальных хранилищ для письменных трудов того времени, т. е. первых библиотек.
Зарождавшаяся наука, и это вполне понятно, носила прикладной характер. Ее развитие диктовалось потребностями в первую очередь земледелия. Поэтому все достижения научной мысли того времени были направлены на совершенствование этого рода деятельности. Искусственное орошение (ирригация) требовало знания сроков и периодичности дождей, засух, разливов рек, т. е. астрономических знаний. Потребность в проведении соответствующих расчетов привела к возникновению арифметики, а затем геометрии и алгебры.
В Древнем Египте были созданы первые приборы, т. е. орудия измерений, а не орудия труда. Для астрономических наблюдений использовались отвес, часы, визировальная доска, были известны также уровень и весы. Эти приборы вместе с письменными принадлежностями способствовали приданию знаниям важных признаков научности: проверяемости и воспроизводимости.
Общей закономерностью пробуждающейся науки Древнего мира стало ее вычленение из магии в виде рецептурного знания, т. е. показа необходимых правил, по которым следует совершать те или иные действия. Так возникло новое явление – рационализм, который впоследствии достиг расцвета в античной науке.
3.2. Античная естественно-научная картина мира
Современное естествознание, представляющее собой разветвленный комплекс наук о природе, выросло из античной натурфилософии – философии природы, основанной на умозрительном истолковании природы, рассматриваемой в ее единстве. Развитие натурфилософии – это во многом процесс кристаллизации феномена рационализма как стиля познания, исходящего из определенных начал и подчиненного четким правилам. Можно говорить о двух основных направлениях возникновения и развития рационализма – математическом и систематизационном. Первое из них олицетворяют Пифагор и Демокрит, второе – Аристотель.
«Рацио» (ratio) по-латыни означает разум. Рационализм в современном понимании – это порядок мышления, основанный на трех предпосылках:
– в мире существует естественный порядок, нескончаемая цепь причин и следствий;
– научное знание, отражающее этот порядок, объективно, необходимо и общезначимо;
– источником научного знания являются не чувства, а разум, служащий к тому же критерием истины.
Пифагор считается создателем учения, имеющего, безусловно, философскую основу, но в процессе своего развития приведшего к формированию научных основ математики. Выдающееся достижение Пифагора и его школы (пифагорейцы) состоит в выдвижении числа как средства представления условий, присущих порядку (закономерностям) природы. Суть пифагореизма сводится к двум основополагающим тезисам:
– число есть универсальная модель понимания мира в целом и связи всех его частей;
– числовые отношения суть отражение единства и гармонии мира.
Поистине, надо было обладать удивительной проницательностью, чтобы почувствовать природу чисел, осознать глубинную связь числовых отношений с законами мироздания. Вполне возможно, что толчком к такому глобальному обобщению послужила усмотренная Пифагором связь чисел и их отношений с музыкальным строем. По Пифагору, «звучат» через определенные интервалы (гармонии сфер) идеальные сферы совершенного и гармонично упорядоченного «космоса». Следующий шаг – это применение чисел (и понятий математики) к любым другим реализациям периодичности.
Пифагорова «музыка сфер» в современной культуре не просто поэтический образ или привычное словосочетание Прямо продолжает идею и принцип гармонии сфер, в частности, такой обширный раздел современной математики, как гармонический анализ.
Исторические заслуги Пифагора перед человечеством трудно переоценить. В череде титанов науки, создавших математику и сделавших ее универсальным формальным языком науки, он не просто стоит первым – он совершил самое сложное, поскольку открыть начала неизмеримо труднее, чем развить сложившуюся систему.
Принцип пифагореизма, состоящий в соотнесении математических понятий с природными фактами посредством счета, измерения и правил рациональной упорядоченности, открыл широкие возможности абстракции. Абстракция числа составила первый прорыв в истории познания, когда стало очевидным, что полная отвлеченность от конкретных условий и обстоятельств позволяет выявлять существенные факты и закономерности природы.
Абстрактный образ периодического колебания не только предвосхитил суть концепций электромагнетизма, волновой (квантовой) механики и других физических теорий. Он также неизменно присутствует в исследованиях по химии, биологии, экологии и даже экономике. Он стал источником развития, «хлебом» математики. Можно с уверенностью утверждать, что современное естествознание базируется на математической технике анализа колебательных процессов. Вот величайший пример бессмертия истинно научных открытий.
Еще один яркий пример поистине удивительного озарения человеческого разума, вооруженного принципом рационализма, – атомистическое учение, которое неизменно связывают с именем Демокрита, не забывая упомянуть при этом и его учителя Левкиппа. Продолжая и развивая рационализм Пифагора, Демокрит выдвинул концепцию атомизма, заглянув тем самым в будущее более чем на 20 веков! Он решительно провозгласил, что мир состоит из атомов и пустоты и количественные характеристики движения атомов составляют основу всех движений (изменений) в природе. Как тут не вспомнить утверждение А. Эйнштейна о том, что все проблемы современной ему физики сосредоточены во взаимодействии фотона с вакуумом. Виток спирали познания совершил полный оборот: абсолютно несопоставимы возможности науки и объемы научного знания двух времен, но суть подхода к описанию мира одинакова и предельно проста: частица и пустота.
Последовательное развитие рационализма привело Демокрита к исследованию методов индукции, аналогии и построения гипотез. Заметим, что в период становления классического естествознания сложилось весьма скептическое отношение к использованию гипотез в процессе познания природы. Недаром основоположник математического естествознания И. Ньютон неоднократно с гордостью подчеркивал, что он не занимается измышлением гипотез. Однако диалектика развития такова, что современные концепции естествознания во многом гипотетичны. Поэтому взгляды Демокрита на методологию науки в каком-то смысле ближе к современному подходу, чем воззрения И. Ньютона, хотя последний творил позже на 20 веков, в течение которых естествознание прошло огромный путь развития.
Эпохальные события в развитии науки, которые человечество впоследствии связывает с именами великих мыслителей, происходят отнюдь не на пустом месте. Они исподволь подготавливаются кропотливой работой и творческими взлетами их предшественников. В процессе накопления знания наступает «момент истины», количество переходит в качество.
С именем Аристотеля (Стагирита) связано осознание перехода науки в новое качественное состояние: она выделилась из других форм познания и освоения мира, сформировав вполне определенные нормы и правила построения научного знания. Сегодня мы говорим, что творчество Аристотеля обобщило и завершило период предшествующих достижений научной мысли той эпохи, благодаря чему и сложилась античная парадигма, свершилась первая научная революция.
Аристотель не просто осуществил систематическую разработку всех отраслей знания своего времени на основе классификации известных фактов и явлений. Он создал формальную логику, т. е. учение о доказательстве, составляющем основной инструмент построения и систематизации знания. Здесь следует особо подчеркнуть, что в среде натурфилософов античности Аристотель, пожалуй, единственный, кто полностью осознал фундаментальное значение для науки целенаправленного наблюдения вкупе с точным измерением.
Одним из признаков научной революции является радикальный отказ от сложившихся установок обыденного мышления, так называемого здравого смысла. Так вот, при Аристотеле обыденное мышление было мифологическим. Именно над ним научное мышление, вооруженное логикой и наблюдением, одержало историческую победу. Прямым следствием становления научного, рационального мышления стала проведенная Аристотелем предметная дифференциация науки. В его трудах естествознание (физика) излагалось самостоятельно, отдельно от философии (метафизики), математики и других наук, сложившихся к тому времени.
Подлинный прорыв в становлении экспериментального естествознания состоял в построении логической цепочки: наблюдение – описание наблюдения – объяснение результатов наблюдения – формулировка выводов из этих объяснений. Квинтэссенция такого построения заключается в том, что при правильном объяснении и логичных выводах появляется возможность искусственно выявить суть явления из его проявлений или условий протекания. При Аристотеле античный рационализм достиг своего расцвета. Введенные Аристотелем критерии научности знания, нормы описания и обоснования, определившие характер античной картины мира, более тысячелетия пользовались непререкаемым авторитетом, служили всеобщей научной парадигмой. Что же касается аристотелевых законов формальной логики, то они незыблемы и поныне.
Тем не менее, та научная картина мира, которая обобщила воззрения великих мыслителей античной эпохи, имела мало общего с действительностью. Аристотель и его выдающиеся предшественники мыслили масштабно, смело и ясно. Однако недостаток фактического материала, пережитки мифологического мышления, умозрительный характер исследования породили немало необоснованных гипотез, которые заполняли «пространство» вокруг действительно достоверных фрагментов этой картины. В частности, приходилось вводить так называемые «скрытые» качества, например энтелехию, или понятие перводвигателя. Природа же на самом деле не такова, как ее «рисовали» Пифагор, Демокрит, Аристотель и их современники. Однако они понимали, что именно отыскание истинного знания о том, какова природа на самом деле, составляет основную цель науки. И сегодня мы можем еще раз убедиться в том, что наука общезначима, поскольку для каждой научной идеи в процессе углубления и расширения процесса познания отыскивается такая область в системе знаний, где эта идея сохраняет свой истинный смысл.
Для современных концепций естествознания важнейшим из огромного творческого наследия Аристотеля, его квинтэссенцией является само определение предмета науки. По Аристотелю, наука имеет своим предметом общее, поэтому в любом частном случае наука ищет общий закон и требует все более широких обобщений.
3.3. Естествознание Средневековья
Эпоха средневековья (V–ХVI вв.), пришедшая на смену античной эпохе, имеет сложную и противоречивую историю. Определяющим фактором образования европейской культурной общности стало христианство с его мировоззрением, моралью, правом. Христианская церковь, характеризующаяся централизацией, строгой иерархией, создала и поддерживала единую ортодоксальную идеологию, под влиянием и неусыпной опекой которой находилась наука того времени.
Необходимо отметить особо, что процесс научного познания в эпоху Средневековья происходил в условиях образования континентальной цивилизации, не основанной на использовании рабского труда. Поэтому вектор интеллектуального процесса был в значительной степени направлен в сторону поиска новых источников энергии и эффективных технологий для сельского хозяйства, военного дела и ремесленного производства.
Итак, основные исходные предпосылки развития научного знания в течение последующих десяти веков оказались заданными следующим образом:
– для раннего Средневековья характерен общий упадок культуры;
– мировоззренческие науки, т. е. философия и естествознание, регламентируются церковью;
– практическая деятельность нуждается в энергетических ресурсах и новых технологиях;
– государственное устройство требует ускоренного развития политических, правовых, этических (т. е. гуманитарных) знаний.
На территории континента исторически сложились три культурные зоны: византийская, латинская и арабская (в Испании). Весь период раннего Средневековья, когда нашествия варваров буквально сметали культурный слой античного наследия, оплотом греко-римских традиций оставалась Византия. Формирующаяся в ней христианская идеология активно заимствовала из духовного арсенала античности методы платоновской диалектики, логику Аристотеля, классическую риторику. Отсюда достижения античной натурфилософии проникали в другие регионы. Источником античного наследия была и Испания, откуда в Западную Европу поступали арабские переводы трудов Аристотеля, Демокрита, Евклида, Платона.
В разные периоды Средневековья античные традиции в науке, и в естествознании в частности, то ослабевали, то усиливались. В раннее Средневековье основу христианской теологии и западноевропейской философии составлял платоновский идеализм в интерпретации видного церковного деятеля V в. Аврелия Августина (Блаженного), так называемый августиновский платонизм. Однако к XIII в. возродился интерес к учению Аристотеля, которое вскоре завоевало огромный авторитет практически во всей Европе. Церковь с ее догматизмом и теологической схоластикой, оказавшись бессильной перед все возрастающим влиянием этого учения, была вынуждена ассимилировать аристотелевскую доктрину. Решающий вклад в синтез аристотелизма и католической теологии принадлежит Фоме Аквинскому, чья творческая деятельность стала итогом поисков компромисса между рационализмом и теологией.
В XIII в. наметилось возрождение интереса к естественным наукам, чему в немалой степени способствовало накопление технических изобретений, расширение познаний в математике, химии, медицине. Немало технических новшеств было позаимствовано на Востоке во время крестовых походов. Начала складываться университетская система образования (университеты в Париже, Болонье, Оксфорде и др.), и к ХV в.
в Европе уже насчитывалось около 60 университетов.
Наиболее ярким выразителем интереса к естествознанию в этот период стал Роджер Бэкон, профессор Оксфорда, крупнейший ученый своего времени. С его именем связан решительный поворот к исследованию природы на основе опыта, отказ от чисто умозрительной аргументации, столь характерной для средневековых ученых.
Освобождению науки от подчинения теологии в заметной степени способствовала решительная атака на ортодоксальную схоластику, которую предпринял английский мыслитель Уильям Оккам. Он утверждал, что теологии следует заниматься только вопросами веры и не вмешиваться в сферу разума. Задача же знания, по Оккаму, – постижение реальных единичных вещей посредством опыта. У. Оккам увековечил свое имя, сформулировав принцип, ныне прочно утвердившийся в методологии естествознания и называемый «бритвой Оккама». Этот принцип гласит: «Не умножай сущностей без необходимости». Смысл здесь в том, что в процессе познания нового, когда обнаруживаются явления, не укладывающиеся в известные представления, нередко выбирается путь объяснения непонятного введением новой сущности. Принцип Оккама предостерегает от такого шага до тех пор, пока не исчерпаны все возможности объяснения эффекта в рамках известных представлений.
Надо сказать, что поворот внимания средневековых ученых философов к естествознанию и технике во многом был стимулирован увеличением всевозможных изобретений и новых технологий. Еще до ХV в. были сделаны важные изобретения, без которых трудно себе представить даже современную технику: домкрат, кривошипный, карданный и кулачковый механизмы, зубчатая передача, шатун, маховик и многие другие. Отметим, что изобретение кривошипа, преобразующего вращательное движение в возвратно-поступательное и наоборот, многие историки техники считают вторым по важности техническим достижением после изобретения колеса.
Технические усовершенствования проистекали из практической деятельности по использованию энергии воды и ветра, в первую очередь в мельничном деле, которое, по сути, составило базу развития машинной индустрии. Не меньшую роль сыграли в прогрессе техники и механические часы – не что иное, как первый автомат, действие которого основано на использовании физических свойств равномерного движения. Прогресс в ремесленном производстве подталкивал развитие более консервативного сельского хозяйства. Параллельно ремесленному производству интенсивно развивалась средневековая химия как реалистическое и практическое направление алхимии. К ХV в. были освоены новые методы проведения химических опытов, усовершенствована аппаратура: перегонный куб, химические печи, аппараты для фильтрации, дистилляции, длительного нагревания.
Характерно, что практика, производство в этот период шли впереди науки, как бы подтягивая ее за собой. Поэтому принято говорить о средневековой технологической революции, как наиболее прогрессивном феномене этого времени. Выдающееся место в техническом прогрессе Средневековья занимает изобретение и создание технологической базы книгопечатания (середина ХV в.). После изобретения письменности (см. выше) книгопечатание обеспечило качественно новый уровень духовного прогресса общества. Развитие университетского образования и распространение книгопечатания оказались важнейшими условиями, которые подготовили и феномен Возрождения, и научную революцию Нового времени.
3.4. Научная революция Нового времени. Механистическая картина мира
Основополагающим событием, приведшим к кардинальному изменению научной картины мира, стало принятие гелиоцентрической модели Солнечной системы, пришедшей на смену геоцентрической. Этот принципиальный момент нового мировоззрения определил совокупность концептуальных отличий классического естествознания от античной натурфилософии, что и позволяет характеризовать этот переход как научную революцию Нового времени.
Закладку фундамента новой картины мира, впоследствии получившей название механистической, справедливо связывают с именем Галилео Галилея. Выдающая заслуга Галилея состоит не только и не столько в том, что он обосновал гелиоцентрическую систему Николая Коперника, установил законы движения свободно падающих тел и сформулировал принцип относительности механики, что само по себе было бы достаточным, чтобы обессмертить его имя. Главным в его научной деятельности является то, что он разработал методологию нового подхода к описанию природы – экспериментально-математического.
Галилей сознательно прибег к абстракции, уяснив, что следует выделять только некоторые физические и геометрические характеристики исследуемых объектов с тем, чтобы, во-первых, строить математическую модель и, во-вторых, проводить адекватный ей эксперимент, т. е. опытную проверку этой теоретической модели в условиях, когда наблюдение выделенных характеристик изолировано от влияния других.
Такая методологическая доктрина, сформулированная Галилеем в его сочинении «Пробирные весы», предопределила пути развития классического естествознания, сохранив свое значение и поныне.
Благодаря новому подходу естествознание от натурфилософских догадок и их умозрительного обоснования перешло к взаимодействию теории и эксперимента, когда любая гипотеза или теоретическое предположение подвергаются обстоятельной эмпирической проверке. Наиболее ярко, пожалуй, достоинства галилеева подхода проявились при установлении закономерностей падения материальных тел. Проведя серию экспериментов, Галилей достоверно установил, что, вопреки утверждениям Аристотеля, во-первых, путь, пройденный падающими телами, пропорционален их ускорению (которое, как показали измерения, равно 9,81 м/с2), а не скорости, и, во-вторых, это ускорение одинаково для всех тел. Галилей, располагая новой методологий, проводит мысленный эксперимент, а также пользуется логикой математического доказательства.
Глубокий пересмотр представлений о природе связан с введением понятия инерциального движения. Галилеем на основе экспериментальных данных был сформулирован закон инерции, гласящий, что тело, не подверженное действию внешних сил, будет двигаться равномерно по прямолинейной траектории или оставаться в состоянии покоя.
С точки зрения современных концепций естествознания, высшим достижением Галилея можно считать выдвинутый им принцип относительности механического движения. Дело в том, что совместимость принципа относительности с принципом постоянства скорости света составляет основу специальной теории относительности.
Для развития естествознания чрезвычайно важное значение имело открытие Иоганном Кеплером законов небесной механики. Стало ясно, что между движением земных и небесных тел не существует каких-либо принципиальных различий, т. е. оно подчиняется единым естественным законам.
Итак, отталкиваясь от представлений аристотелева учения, Галилей и Кеплер произвели кардинальную перестройку всей механики, подготовив тем самым возможность обобщения открытых ими кинематических законов в виде единой для земных и небесных тел механики Ньютона.
Формирование классического естествознания по своему значению в истории развития науки занимает особое место, поскольку именно с него началось достоверное изучение мира. Общепризнанными творцами этого учения являются Галилей и Ньютон. Развив бесспорно выдающиеся открытия своих предшественников, Ньютон завершил строительство здания механики, которую мы с уважением называем классической. Он строго сформулировал основные законы динамики, т. е. законы движения тел, учитывающие их массы и действующие на них силы, и закон всемирного тяготения. Это стало возможным благодаря обобщению кинематических законов Галилея и Кеплера на основе созданных Ньютоном методов количественного анализа механического движения в целом.
Изучение механических процессов оказалось возможным свести к их точному математическому описанию методом анализа бесконечно малых величин, разработанным Ньютоном и одновременно Готфридом Вильгельмом Лейбницем. Свой вариант дифференциального и интегрального исчисления Ньютон создал целевым образом для решения основных задач механики, а именно определения мгновенной скорости как производной от пути по времени (v = ds/dt) и ускорения как производной от скорости по времени (a = dv/dt), или второй производной от пути по времени. Благодаря этому были получены точные, или, как принято говорить, строгие, формулировки законов механики.
По существу, Ньютон выдвинул совершенно новый принцип естествознания, состоящий в выведении минимального количества общих начал движения, из которых вытекали бы все свойства и явления, связанные с механическим движением. Роль таких начал и играют основные законы механики. У Ньютона нет ничего общего с натурфилософским подходом, его метод по сути противопоставлен умозрительным построениям. Хорошо известно его утверждение о недопустимости рассмотрения гипотез в экспериментальном естествознании. На самом же деле «настоящие» гипотезы, допускающие эмпирическую проверку, представляют собой исходную позицию любого естественно-научного исследования. Разумеется, и сам Ньютон не обошелся без выдвижения гипотез, ибо принципы его механики нечто иное, как гипотезы, правда, весьма общего и глубокого характера.
Нетрудно убедиться, что, разрабатывая свои принципы естествознания, Ньютон опирался на аксиоматический метод, столь убедительно примененный Евклидом при создании геометрии. Если у Евклида в качестве начал выступает ограниченный набор аксиом, то у Ньютона начала – это его принципы. Ассоциация с Евклидом будет неполной, если не подчеркнуть, что ньютоновская картина мира закономерным образом погружена в адекватное ей трехмерное пространство евклидовой геометрии. Это не просто совпадение или условная символика. Когда физика вышла за рамки классического подхода и появилась общая теория относительности, то ей потребовалось уже другое пространство, описываемое другой геометрией.
Итак, в новой механике для точного описания процессов движения оказалось необходимым и достаточным задать координаты тела и его скорость (или импульс mv – произведение массы на скорость), а также, конечно, уравнение движения тела. Все же последующие
(и предыдущие) состояния движущегося тела однозначно определяются его исходным состоянием. Задав это первоначальное состояние, нетрудно чисто математически, решая уравнение движения, определить любое другое состояние этого тела в любой момент времени как в прошлом, так и в будущем. Таким образом, время выступает в качестве параметра, знак которого в уравнениях движения можно менять на обратный. Такая симметрия процессов движения во времени является характерной и принципиальной особенностью классической механики. Из нее вытекает принцип строгого детерминизма, провозглашающий возможность точного и однозначного определения любого состояния механической системы ее начальным состоянием.
Принцип детерминизма определил направление развития естествознания на многие десятилетия вперед. Он получил авторитетное философское обоснование в трудах одного из крупнейших ученых того времени французского философа, физика и математика Рене Декарта (Картезия). Из декартовой концепции абсолютной независимости сознания и материи следует возможность объективного описания природы без учета участия в этом процессе наблюдателя. Это убеждение, во многом совпадавшее с позицией Ньютона, подкреплялось успешным развитием классического естествознания, плодотворность принципов которого обеспечила блестящие результаты.
Вскоре вслед за классической механикой и во многом на ее эвристической базе были развиты механическая теория тепловых процессов, гидродинамика, теория упругости, молекулярно-кинетическая теория и ряд других направлений, составивших классическую физику. Обратим внимание на то, что в названиях этих направлений уже совершенно естественным образом фигурирует термин «теория». Научно-торетический метод, разработанный Галилеем и Ньютоном, необратимо вошел в науку.
Убедительные успехи ньютоновской механистической концепции в описании процессов, происходящих в мире макрообъектов (хотя сами эти объекты в уравнениях движения фигурируют как предельно идеализированные и абстрагированные материальная точка и абсолютно твердое тело), предопределили возникновение механистической картины мира. Приведем ее наиболее характерные особенности:
1. Пространство и время имеют абсолютный характер и никоим образом не связаны с движением материальных тел.
2. Время является обратимым, т. е. все состояния движения тел по отношению ко времени одинаковы.
3. Все процессы движения подчиняются принципу строгого детерминизма, т. е. любое состояние движения тела однозначно определяется его предыдущим состоянием.
4. Взаимодействие тел определяется принципом дальнодействия, согласно которому оно происходит в пустом пространстве мгновенно, т. е.
с бесконечной скоростью.
5. Все формы движения материи могут быть сведены к механическому движению.
Механистическая картина изображает окружающий мир в виде грандиозного механизма, все элементы которого соединены причинно-следственными связями и каждое его состояние однозначно определено предшествующими состояниями.
Дальнейшее развитие физики и других естественных наук выявило природные процессы, которые не имеют однозначных причин. Выяснилось, что целый ряд процессов происходит случайно по объективным причинам, а совсем не потому, что эти причины неизвестны
из-за недостатка знаний. В результате наука обогатилась новыми концепциями, свидетельствующими об ограниченности принципа механистического детерминизма.
Согласно современным концепциям естествознания, классическая механика имеет свою вполне определенную область применения: она является вполне достаточной для описания движения макрообъектов со скоростями много меньше скорости света. Ее абстрактные понятия: пространство, время, масса, сила – не потеряли своего значения в современном естествознании.
Наиболее важное значение классической физики состоит в том, что, являясь по сути физикой макромира, она связывает человека, как существо того же макромира, со всеми уровнями микро- и мегамира, куда проникает процесс познания. Эксперимент составляет неотъемлемую часть научного метода познания, а экспериментальные установки, создаваемые человеком, всегда будут иметь макромасштаб, да и результаты экспериментов не могут быть измерены в другом масштабе. Поэтому все опытные данные человек-наблюдатель будет описывать на языке классических понятий.
4. КОНЦЕПЦИИ КЛАССИЧЕСКОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
4.1. Классическая механика. Принцип относительности
Классическая механика Ньютона имеет непреходящее значение в истории развития естествознания и науки вообще. На ее эвристическом фундаменте возникли многие отрасли естественных наук, в течение длительного времени она составляет основу технического прогресса. Глубокое влияние она оказала на развитие философии и формирование мировоззрения. Причем именно в мировоззренческой сфере классическая механика неизменно будет оставаться для человеческого мышления необходимым мостом для восприятия и ассоциативного осмысления явлений, происходящих за пределами макромира.
В основе классической механики лежит базовая концепция Ньютона, согласно которой физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы как взаимодействия материальных точек. Все физические события в этой концепции понимаются как движение материальных точек, управляемое неизменными законами Ньютона.
Приведем формулировки этих динамических законов, которые принято рассматривать как взаимосвязанную систему.
Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока приложенные силы (воздействие) со стороны других тел не принудят его изменить это состояние.
Этот закон, установленный еще Галилеем, именуют также законом инерции, поскольку стремление тела оставаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения называется инерцией или инертностью.
Второй закон Ньютона занимает в механике центральное место. Он формулируется количественно, что требует введения понятия массы тела m , действующей на него силы F и приобретаемого ускорения a – величины, характеризующей скорость изменения скорости тела (отсюда и вторая производная пути по времени). Масса – одна из важнейших характеристик материальных тел, определяющая их инерционные и гравитационные свойства. Здесь масса вводится как мера инертности (понятие инертной массы). Сила – это векторная физическая величина, являющаяся мерой воздействия на тело со стороны других тел (а также полей), сообщающих ему ускорение или вынуждающих изменять его размеры и форму.
Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе этой материальной точки (тела):
a = F/m.
Связь второго закона Ньютона с первым состоит, в частности, в том, что он справедлив в инерциальных системах отсчета. Обратим внимание на то, что первый закон Ньютона можно получить из второго. Действительно, если сила равна нулю (воздействие отсутствует), то и ускорение равно нулю, т. е. скорость остается постоянной. Тем не менее, первый закон Ньютона является самостоятельным научным положением, поскольку именно он провозглашает существование инерциальных систем отсчета.
Широко распространенной является еще одна формулировка второго закона Ньютона, в которой фигурирует такая мера движения, как импульс, или количество движения, – произведение массы тела m на его скорость v. Приведем эту формулировку:
Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует :