Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Ставропольский государственный университет
Концепции современного естествознания
Справочник для студентов
Ставрополь
2005
Рецензент: канд. филос. наук, доцент Адрианова Л.А.
Андрейченко Г.В., Павлова И.Н.
Концепции современного естествознания. Справочник для студентов. – Ставрополь: СГУ, 2005. – 187с.
Учебное пособие составлено в соответствии с Государственным стандартом высшего профессионального образования второго поколения и рекомендовано студентам гуманитарных специальностей высших учебных заведений всех форм обучения. Содержит информацию по всем экзаменационным вопросам и предназначено для подготовки студентов к семинарским занятиям, экзаменам и зачетам. Может быть использовано также при выполнении контрольных работ по дисциплине «Концепции современного естествознания».
Пособие является важной составной частью учебно-методического комплекса по дисциплине «Концепции современного естествознания».
© Г.В. Андрейченко, И.Н. Павлова
Содержание
Введение
1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
2. Предмет и метод естествознания
3. Динамика естествознания и тенденции его развития
4. История естествознания
5. Структурные уровни организации материи
6. Макромир: вещество и поле
7. Открытые системы и неклассическая термодинамика
8. Микромир. Квантовая физика
9. Мегамир. Современные астрофизические и космологические концепции
10. Пространство и время в современной научной картине мира
11. Основные концепции химии. Химические системы и процессы
12. Проблемы и перспективы современной геологии
13. Особенности биологического уровня организации материи
14. Генетика и эволюция
15. Человек как предмет естествознания
16. Эмоции и творчество. Жизнь как ценность
17. Человек и биосфера
18. Принцип глобального эволюционизма и его роль в современной науке
Введение
Дисциплина "Концепции современного естествознания" включена в цикл математических и естественнонаучных дисциплин гуманитарных и экономических факультетов с целью ознакомления студентов с дополнительным для них неотъемлемым компонентом единой культуры - естествознанием и формированием целостного взгляда на окружающий мир. Возникающая сегодня тенденция к гармоничному синтезу двух традиционно противостоящих культур созвучна потребности общества в целостной картине мира и подчеркивает актуальность предлагаемой дисциплины. Данная учебная дисциплина не представляет собой механическое соединение традиционных курсов физики, химия, биологии и экологии, а является продуктом междисциплинарного синтеза на основе комплексного историко-философского, культурологического и эволюционно-синергетического подходов к современному естествознанию. Поэтому ее эффективное освоение возможно на основе применения новой парадигмы, способной объединить естественно - научную и гуманитарную компоненты культуры.
Цели и задачи курса:
- понимание природы отчуждения гуманитарного и естественно - научного компонентов культуры и необходимость их воссоединения на основе целостного взгляда на мир;
- понимание задач и возможностей современного научного метода;
- изучение и понимание сущности наиболее фундаментальных законов природы, составляющих каркас современной физики, химии и биологии;
- формирование ясного представления о естественнонаучной картине мира как основе понимания целостности и многообразия природы;
- формирование представлений о революциях в естествознании и смене научных парадигм как ключевых этапах развития естествознания;
- формирование представления о принципах универсального эволюционизма и синергетики как диалектических принципах развития в приложении к неживой и живой природе, человеку и обществу.
Тема 1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
1. Культура и наука. Критерии науки и ее социальные функции
Наука представляет собой важнейшую сферу человеческой культуры. Успехи и достижения науки коренным образом изменили жизнь общества, его экономику, политику, быт, а также самого человека, его образ мысли и действия.
Культура – специфический способ организации человеческой жизнедеятельности, представленный в продуктах материального и духовного труда, в системе социальных норм и учреждений, в духовных ценностях, в совокупности отношений людей к природе, между собой и к самим себе.
Необходимым элементом человеческой деятельности является знание. Наука – это специфическая форма производства знаний. Однако не всякое знание является научным. Познание как духовное освоение мира осуществляется в разнообразных формах: искусство, наука, религия, философия, жизненный опыт и др. Искусство воспроизводит мир посредством художественных образов, создает художественные ценности и выражает эстетическое отношение человека к миру. Религия создает мир трансцендентного знания, опирается на мистический опыт людей, в котором происходит их – общение с Богом. Философия формирует знания о бытии, о месте человека в мире и его собственном духовном мире. Наука же является той частью культуры, которая осваивает действительность и создает свой особый мир – мир знаний, состоящих из экспериментально подтвержденных данных и выводов, полученных логическим путем.
Наука – сфера человеческой деятельности, главной функцией которой является выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о мире. Критерии науки:
рациональность, т.е. обоснованность и логическая доказательность знания, его теоретический характер;
системность знания; система характеризуется внутренним единством составляющих ее элементов. Поэтому научное знание это система, включающая в себя принципы, законы, фундаментальные понятия, из которых выводятся новые знания, а также факты, математический и логический аппарат, практические выводы и рекомендации;
общезначимость, т.е. интерсубъективность знания, его проверяемость и возможность получения одинаковых результатов разными исследователями;
наличие двух уровней – эмпирического и теоретического, различающихся задачами исследования, спецификой методов и форм познания.
Важнейшим признаком науки является также то, что это – специфическая форма деятельности и социальный институт, т.е. способ социальной организации познавательной деятельности людей. Современная наука представлена сегодня крупными научными институтами с мощной лабораторной базой, новейшими технологиями обработки, передачи и распространения информации.
По предмету изучения в структуре науки выделяют такие направления научного знания, как: естествознание (науки о природе); социогуманитарное знание, включающее в себя знания о различных видах и формах общественной жизни, а также знания о человеке и его духовном мире; в отдельную группу выделяют науку о самой науке (науковедение). Это молодая, быстро развивающаяся научная дисциплина.
Специфика науки проявляется также в тех социальных функциях, которые она выполняет. Функции науки: описательная – выявление важнейших свойств и отношений исследуемых объектов; систематизирующая – внесение определенного порядка в организацию знания; объяснительная – выявление сущности изучаемого объекта, причин и закономерностей его возникновения и развития; прогностическая – предсказание новых фактов и рекомендации на будущее; практическая – применение полученных знаний в производстве, в социальной жизни и управлении; мировоззренческая – создание научной картины мира, которая является основой рационализированного мировоззрения.
Наука – это динамичный, поступательный процесс, имеющий определенные закономерности: ускорение роста научных знаний (экспоненциальный закон развития науки): объем научных знаний удваивается каждые 10-15 лет; кумулятивный характер развития – суммируются в концентрированном виде все прошлые достижения науки путем переосмысления и уточнения; преемственность в развитии знаний; единство экстенсивного и интенсивного периодов развития; дифференциация и интеграция наук; превращение науки в непосредственную производительную силу.
2. Мир природы и мир человека: способы познания
Различие естествознания и социогуманитарного познания обусловлено, во-первых, спецификой объекта исследования.
Мир природы представляет собой действие слепых, стихийных и не зависимых от человека сил, процессов, поэтому в определенном смысле их исследовать проще. Познание этих процессов по своему содержанию носит объективный характер, для этого формируются методы объективного исследования предмета.
Мир человека предстает как сознательная, активная деятельность человека, преследующего свои цели и интересы. В процессе познания этих явлений сложно отделить объективное от субъективного, действительность от иллюзий. Поэтому любые попытки перенесения естественнонаучных методов на исследование социальных процессов оказываются безрезультатными.
Во-вторых, наиболее отчетливо различие выражается в подходе к основной задаче науки.
В познании мира природы главной задачей является объяснение. Объяснение – это подведение факта под некоторый закон, теорию. Логической формой объяснения является дедуктивное рассуждение, в котором факт, то есть высказывание единичного или частного порядка, выводится из общего суждения, которое и выражает определенный закон. Самой популярной в научном мире считается теория дедуктивно - номологического объяснения Гемпеля – Оппенгейма. Некоторое явление считается объясненным, если описывающее его суждение логически выводится из законов или законообразных высказываний. Наряду с дедуктивно-номологическим широко используются структурные, то есть представляющие собой характеристики сложных объектов на основе знания их строения, и генетические объяснения, то есть описание событий и явлений в их исторической последовательности.
Наиболее развитая форма научного объяснения – объяснение на основе теоретических законов. Так, чтобы объяснить, почему тело за первую секунду своего падения проходит путь в 4,9 м, мы ссылаемся на закон Галилея, который в самой общей форме описывает поведение разнообразных тел, движущихся под воздействием силы тяжести. Если требуется объяснить сам этот закон, мы обращаемся к более общей теории гравитации Ньютона. Получив из нее закон Галилея в качестве логического следствия, мы тем самым объясняем его. Глубина объяснения определяется глубиной той теории, к которой относится закон. Уровни объяснения могут быть различными, но они всегда представляют собой дедуктивную процедуру. Исторически первыми были каузальные (причинные) объяснения – объяснения на основе простых эмпирических законов, фиксирующих такие устойчивые, повторяющиеся связи между двумя явлениями, при которых одно порождает, вызывает другое.
В социальных науках трудно или невозможно подвести индивидуальное, неповторимое событие под какой–либо общий закон, поэтому сформировались две точки зрения: первая – против использования естественнонаучных методов, заменив их телеологическим объяснением, т.е. раскрытием целей, мотивов поведения и деятельности людей; вторая – можно объяснить с помощью законов, но только создав собственную методологию.
В познании мира человека, по мнению многих исследователей, методы объяснения вообще не применимы, т.к. специфика объекта обусловливает индивидуальность и уникальность познаваемых явлений. Поэтому не объяснение, а понимание является основным методом социогуманитарного познания.
Понимание – это способ интерпретации или истолкования какого-либо факта, т.е. выявление его смысла или придание ему определенного смысла с целью его духовного освоения и приведения в систему с другими фактами.
Такая методология гуманитарного познания получила название герменевтики. Исторически герменевтика возникла из опыта работы над текстами на древних языках, плохо сохранившихся, трудно поддававшихся переводу, когда было необходимо прежде всего раскрыть смысл, который вложил их автор. Однако затем стало ясно, что герменевтика имеет отношение не только к текстам, но и к пониманию поступков, переживаний и действий человека. Понимание часто определяют как оценку на основе некоторого образца или нормы. Понимать можно все, для чего существует такой образец. Истолкование, предшествующее пониманию и делающее его возможным, представляет собой процесс поиска стандарта оценки и обоснование ее приложимости к рассматриваемому случаю. Поэтому истолкование всегда связано с определенными социокультурными предпосылками: истолковывает и понимает всегда конкретный человек, разделяющий ценности своей среды и своего времени.
Понимание всегда имеет диалоговую природу, которая изначально отличается от монологичности объяснения и является особым типом смысловых отношений. Понять – значит, увидеть другое, чужое сознание и его мир. При объяснении имеется только один субъект, одно сознание, потому что к объекту не может быть диалогического отношения; при понимании – два сознания, два субъекта, поэтому понимание всегда диалогично. «Исследование становится спрашиванием и беседой, то есть диалогом. Природу мы не спрашиваем, и она нам не отвечает. Мы ставим вопросы себе и определенным образом организуем наблюдение или эксперимент, чтобы получить ответ. Изучая человека, мы повсюду ищем и находим знаки и стараемся понять их значение» (Бахтин М.М.).
На всем протяжении ХХ века наблюдается противостояние двух сфер познания – естественно-научной и гуманитарной. Эту ситуацию четко зафиксировал известный английский писатель и ученый Чарльз Сноу, выступивший в 1959 г. в Кембриджском университете с программной лекцией «Две культуры и научная революция». Он показал, как возникла и углубляется пропасть между двумя культурами. Поляризацию научной культуры он связал с двумя традициями, сложившимися в процессе познания и осмысления мира. Первая – культура, создаваемая естествознанием, которая по сложности, емкости интеллектуальной глубине является удивительным творением коллективных усилий человеческого разума. Представители другого полюса – социогуманитарной культуры не имеют, как правило, ни малейшего представления об этом творении. И наоборот.
Научная культура понимается как способ организации познавательной деятельности, обусловленный спецификой познаваемого объекта, включающий в себя мировоззренческие и методологические принципы, идеалы и установки, разделяемые научным сообществом. Характер научной культуры во многом определяет и способы организации науки и научной деятельности вообще, и формы взаимосвязи науки и общества, значительно влияя на этику науки и решение проблемы социальной, и, прежде всего, нравственной ответственности ученого, а также на отношение науки и идеологии, науки и политики. Поэтому поляризация культур наносит ущерб всему: науке, искусству, обществу, человеку.
К концу ХХ столетия появились серьезные предпосылки для преодоления этого противостояния: 1) обмен опытом там, где это возможно; например, статистические методы, имеющие, как известно, важнейшее значение в современной физике, зародились в трудах социологов-экономистов У. Петти и Дж. Граунта; 2) междисциплинарный подход становится все более значимым для нынешнего развития социального знания. Идет процесс формирования единой науки о человеке, обществе, природе и жизни; 3) дифференциация (дробление) наук ведет к тому, что сейчас насчитывается около 2 тыс. научных дисциплин и формирование все новых отраслей науки продолжается; 4) интеграция наук – активное взаимодействие различных наук. Объединение каких-либо наук в единое целое в различных формах, начиная от применения методов и понятий одной науки в другой и кончая современным системным методом. В этом проявляется стремление к единству научного знания. Объективную основу интеграции знания составляет единство мира, принципиальная общность свойств и законов структурных уровней материи. Поэтому, во-первых, сравнительно новые отрасли научного знания уже по своей природе носят синтетический, интегративный характер: астрофизика, математическая лингвистика, инженерная психология, техническая эстетика, космическая медицина и др. Во-вторых, синтез научного знания может осуществляться на основе междисциплинарного подхода. Примером такого синтеза может служить синергетика (теория самоорганизации сложных систем). Возникнув как физическая теория (в термодинамике), она сейчас используется как новый подход к решению исторических, социальных проблем. Синергетика может успешно служить моделированию многих процессов.
3. Сциентизм и антисциентизм – мировоззренческие позиции ХХ века и их влияние на развитие культуры
В разные исторические эпохи в качестве основания культуры, ее ведущего духовного компонента, выступали разные духовные формы: в античности – политика и мораль; в средневековье – религия; в эпоху Возрождения – искусство; в новое время – наука; в новейшее время – наука и искусство.
В Новое время произошла научная революция, породившая новый (современный) тип науки, и провозгласившая его единственно адекватным способом познания (духовного освоения) мира. Научное знание приобретает столь главное значение, что без его развития и распространения в обществе немыслим никакой социальный прогресс. Формируется идея о всесилии научного знания. Этому способствовали как достижения науки, так и философские взгляды французских просветителей XVIII века (Вольтера, Дидро, Гельвеция, Гольбаха, ДАламбера).
Сциентизм – мировоззренческая позиция, основанная на представлении о науке как высшей культурной ценности, цели и смысле человеческого существования.
Идеологическим обоснованием сциентизма является позитивизм французского философа О. Конта (1798-1857), автора знаменитого «Курса позитивной философии». Суть его позиции состоит в следующем:
1. Естественнонаучное познание и его методология – эталон научного познания, поэтому методы и формы естествознания должны быть распространены и на познание общества. Идеал науки – математическая физика.
2. Наука должна замещать все другие формы знания. Отсюда критика философии, сведение ее к научной методологии, попытки создания новой религии (религии науки) и т.п.
3. Ориентация на эмпирическое (опытное) обоснование полученных результатов. Знание, не основанное на опыте, объявляется ненаучным, спекулятивным.
4. Роль науки и научного прогресса в решении глобальных проблем абсолютна и исключительна. Наука – высшая ценность и цель общественного развития, потому что все формы организации человеческой жизнедеятельности должны быть построены по последнему слову науки. Вера во всесилие науки часто ведет к утопическим проектам «улучшения» природы, общества и человека, практическое внедрение которых чревато катастрофическими последствиями.
Особую убедительность сциентизму придают грандиозные успехи науки, НТП. Мировоззрение сциентизма является основанием технократических концепций, согласно которым власть политическая и административная в обществе должна быть отдана представителям естественных и технических наук. Сциентизм подвергается острой критике со стороны так называемой «гуманитарной культуры», философским основанием которой выступает философия ХХ века: герменевтика, «философия жизни», экзистенциализм и др.
Современная гуманитарная культура имеет своим началом творчество гуманистов эпохи Возрождения. Революция в мировоззрении этой эпохи, связанная с изменением статуса человека в мире, вела к признанию человека высшей ценностью. В формировании гуманистической культуры важную роль сыграло движение романтизма (конец XVIII – сер. XIX вв.). Романтизм способствовал восстановлению авторитета искусства как средства постижения мира и самовыражения личности. Он сформулировал идею о восстановлении единства науки, философии, религии и искусства, которое было утрачено с заменой мифологического мышления рациональным.
Антисциентизм отрицает роль и доказывает недостаточность рационального, в особенности, естественнонаучного познания, которое, в свою очередь, сведено к физике и математике. Антисциентизм – мировоззренческая позиция, согласно которой идеалом являются гуманитарные ценности, этические и эстетические, прежде всего. В своих крайних формах антисциентизм толкует науку как силу, чуждую и враждебную подлинной сущности человека.
Противоположность сциентизма и антисциентизма, прежде всего, выражается в присущих им системах ценностей:
сциентизм отдает приоритет расчету, плану, проектируемому результату, поэтому главные ценности человеческого существования – максимальная польза, выгода, эффективность и целесообразность; максимум прибыли при минимуме затрат;
антисциентизм исходит из признания уникальности личности, поэтому приоритетными являются вопросы о смысле человеческой жизни, а главные ценности человеческого существования – красота, добро, любовь, справедливость.
4. Этика науки
Наука как область человеческой деятельности погружена в ценностное измерение: для ученого высшей ценностью является истина и все, что к ней ведет, различного рода эмпирические и теоретические методы. В сообществе ученых высоко ценятся также честность, порядочность, мужество в отстаивании своих взглядов, критическое отношение к догмам и всяким авторитетам, суевериям. В то же время в самой науке, в ее методологическом арсенале, нет никаких нравственных норм, регламентирующих научные исследования в плане социальных последствий, позволяющих соизмерять научные достижения с состоянием общества. Многие ученые осознают свою ответственность за возможное использование их научных открытий, понимают недопустимость вооружения злодеев средствами массового уничтожения, манипулирования сознанием людей, бесконтрольного вмешательства в их дела. К сожалению, имеется немало печальных примеров подобного: ядерное, биологическое, химическое оружие, эксперименты с генами животных и людей, тотальный компьютерный контроль в обществе и др.
В последние годы все большее число ученых склоняется к мнению о том, что неправильно считать науку лишь средством добывания истины. Настойчиво подчеркивали эту мысль Н. Бор и В. Гейзенберг. Ученые берут на себя ответственность, если не полностью, то, по крайней мере, в существенной степени, за свои творения. Они становятся этиками, потому что ответственность – это этическая категория. Прежде чем создать что-либо, могущее угрожать человеку, следует продумать все возможные варианты. А, приняв решение, не следует уходить от ответственности. Современный ученый должен понять, что истина – это добро и красота.
В этике науки представлены нравственные основы научной деятельности. Основными этическими нормами науки являются, как мы выяснили, бескорыстный поиск и утверждение истины, обогащение науки новыми результатами, полезными для человечества, свобода научного творчества, социальная ответственность ученого и др. Соблюдение этики науки должно привести к утверждению нравственного идеала гуманизма. Обоснование этого идеала содержится в концепции так называемого эволюционного гуманизма, одним из основателей которого является Дж. Хаксли – английский философ и зоолог. Суть его теории состоит в следующем:
Человек сам несет ответственность за свое будущее и за будущее планеты, не возлагая ее ни на Бога, ни на судьбу.
Человек является одним видом существующей на Земле жизни. Поэтому человечество нельзя превращать в совокупность враждующих «псевдовидов» (наций, религий и государств и их блоков).
Смыслом существования науки является воплощение человеческих надежд, а не материальное благополучие.
Задача науки повышать «качество» жизни, а не увеличивать количество материальных ценностей для отдельных социальных групп.
Для реализации этих идей и принципов необходимо новое мышление, которое и призвана формировать наука.
Новое понимание природы стимулировало поиск и новых идеалов человеческого отношения к природе, которые претендуют на то, чтобы стать духовным основанием для решения современных глобальных проблем. Активно разрабатываются идеи так называемой «углубленной экологии», которая порывает с антропоцентризмом и рассматривает человека не как властелина природы и центр мироздания, а как существо, включенное в многообразие жизни. Человек – неотъемлемая часть живого, соотносящаяся с другими его частями не на основе конкуренции и господства, а на основе сотрудничества и взаимности (Э.Ласло, Ф.Капра, Б.Калликотт, О.Леопольд и др.).
С этих позиций предлагаются различные варианты новой этики, которая должна, наряду с нормами общественного поведения, регулирующими отношения между людьми, включать «этику в экологическом смысле» (биосферную этику), ограничивающую свободу действия человека в его борьбе за существование. Новая этика, по замыслу ее сторонников (О. Леопольд, Р. Атфилд, Л.Уайт, Э. Ласло, Б. Калликотт и др.), должна регулировать взаимоотношения человека с Землей, с животными и растениями, формируя убеждение в индивидуальной ответственности за здоровье Земли. Эти этические концепции во многом перекликаются с известными идеями А. Швейцера о благоговении перед жизнью. Но в принципе они идут дальше. Как пишет Б. Каликотт, «лично я не особенно восторгаюсь моральной теорией Швейцера — главным образом по той причине, что она ограничивает круг морально значимых объектов индивидуальными сущностями, не беря во внимание объекты коллективной природы: популяции, виды, биоценозы и всю глобальную экосистему в целом».
Основные понятия темы:
Наука – сфера человеческой деятельности, главной функцией которой является выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о мире.
Научная культура – мировоззренческие и методологические принципы, идеалы и установки, разделяемые научным сообществом.
Объяснение – это подведение факта под некоторый закон, теорию.
Понимание – это способ интерпретации или истолкования какого-либо факта, т.е. выявление его смысла или придание ему определенного смысла.
Ценность – то, что имеет особую значимость для человека и общества.
Идеал – представление о должном, совершенном.
Сциентизм – мировоззренческая позиция, основанная на представлении о науке как высшей культурной ценности, цели и смысле человеческого существования.
Антисциентизм – мировоззренческая позиция, отрицающая приоритет науки в развитии общества, и согласно которой идеалом человеческого существования являются гуманитарные ценности.
Позитивизм – философское направление, согласно которому все подлинное знание может быть получено лишь как результат специальных, прежде всего естественных наук, и философия, как особая наука, не имеет права на существование.
Этика науки – раздел профессиональной этики, разрабатывающий нравственные принципы научной деятельности.
Тема 2. Предмет и метод естествознания
1. Предмет естествознания. Эволюция понятия природы
Предметом естествознания является природа. Природа – это весь материально-энергетический и информационный мир Вселенной. Истоки современного понимания природы уходят в глубокую древность. Первые истолкования природы сложились как миф о возникновении (рождении) мира и его развитии, т.е. космогония. Внутренний смысл этих сказаний выражает переход от неорганизованного хаоса к упорядоченному космосу. Мир в космогониях рождается из природных стихий: огня, воды, земли, воздуха; к ним иногда добавляется пятая стихия – эфир. Все это первичный материал для строительства космоса. Стихии соединяются и разъединяются.
Образ природы рождается и в мифах, и в различных космогониях, и в теогониях (буквально: «рождение богов»). В мифе всегда отражена определенная реальность, в нем образно, в виде фантастических рассказов выражено стремление к познанию явлений природы, общественных отношений и человеческой натуры.
Позже возникла натурфилософия (философия природы), которая, несмотря на сходство космогонических образов, принципиально отличалась от мифологии.
В мифологии наглядно, в символической форме природа изображается как некое пространство, внутри которого разворачивается деятельность божественных и космических сил. Натурфилософия пыталась выразить общий взгляд на природу в целом и подкрепить его доказательствами.
В античной философии природа стала объектом теоретического размышления. Натурфилософия пыталась выработать единый, внутренне непротиворечивый взгляд на природу. Постигая феномен природы, натурфилософия пытается понять ее изнутри, из нее самой, т.е. выявить такие законы существования природы, которые не зависят от человека. Другими словами, постепенно формировался такой образ природы, который по возможности очищался от чисто человеческих представлений, которые зачастую уподобляли природу самому человеку, и потому могли исказить подлинную, самостоятельную жизнь природы. Таким образом, задача заключалась в познании того, какова природа сама по себе, без человека.
Уже первые философы рассматривали такие важные проблемы, которые послужили основой для дальнейшего развития научного познания. К ним относятся такие как: материя и ее структура; атомистика – учение о том, что мир состоит из атомов, мельчайших неделимых частиц вещества (Левкипп, Демокрит); гармония (математическая) Вселенной; соотношения вещества и силы; соотношение органического и неорганического.
У Аристотеля, величайшего философа Древней Греции (IV в. до н. э.), осмыс ление природы получило уже статус целостного учения. Он отождеств лял натурфилософию с физикой, изучал вопросы о составе физических тел, видах движения, причинности и др. Аристотель определял природу как жи вой организм, движимый самоцелью и производящий все многообразие входя щих в нее объектов, потому что у него есть душа, внутренняя сила – энтеле хия. Движение Аристотель не сводил только к перемещению в простран стве, а рассматривал и такие формы, как возникновение и уничтожение, качественные изменения.
В эпоху эллинизма натурфилософия стала опираться не только на философские рассуждения, но и на обширные наблюдения в астрономии, биологии, географии, физике. В эту эпоху появляется сам термин «натурфилософия», который ввел римский философ Сенека. Поскольку в античной философии считалось, что философия должна возвышаться над повседневностью, обыденностью, постольку это обрекало натурфилософию на умозрительность, в ней стали господствовать придуманные схемы и теории.
В средневековой культуре считалось, что природа говорит с людьми на символическом языке божественной воли, так как природа и человек – это творение Бога. Но в последовавшую за средневековьем эпоху возрождения этот взгляд существенно изменился. Натурфилософия разошлась по двум направлениям: 1 – мистика продолжала традицию умозрительных концепций природы; 2 – «магия», из которой постепенно и сформировалась опытная наука – естествознание. Переходу от религиозной картины мира к естественнонаучной способствовало возникновение особого взгляда на мир, получившего название «пантеизма» («всебожие»). Пантеизм – учение о том, что все есть бог; отождествление бога и вселенной. Это учение обожествляет вселенную, создает культ природы, признает бесконечность вселенной и неисчислимое множество ее миров.
Особую роль в создании способов научного, экспериментального изучения природы сыграл Г. Галилей, утверждавший, что книга природы написана треугольниками, квадратами, кругами и т.п.
С формированием науки и методов естествознания, в 17-18 вв. натурфилософия существенно изменилась. И. Ньютон, создатель механической картины мира, понимал под натурфилософией теоретическое, математически выстроенное учение о природе, «точную науку о природе». В этой картине мира природа отождествлялась с часовым механизмом.
Отказ от божественного и поэтического понимания природы вел к изменению отношения к природе. Она становится объектом активной эксплуатации – интеллектуальной и промышленной. Природа – это мастерская. Фр. Бэкон называет ученого естествоиспытателем, который экспериментом вырывает у природы ее тайны. Важнейшая задача науки – в покорении природы и увеличении могущества человека: «Знание – сила!»
Таким образом, природа выступает как обобщенное понятие, порой отождествляется с беспредельным космосом. В то же время процесс развития естествознания и связанная с этим процессом специализация в науке привела к тому, что природа перестала существовать как целое для специалистов, она оказалась раздробленной. Покорение природы, создание машинной культуры разрушает целостность самой природы, а также внутренние связи человека с природой, что и приводит его к экологической катастрофе. Необходимость такой организации взаимодействия общества и природы, которая отвечала бы потребностям будущих поколений и решала бы проблему выживания человечества, предполагает не только формирование так называемой экологической этики, но и переосмысление самого понятия «природа», в которую должен быть «вписан» человек. Имеются неоспоримые доводы, определяющие «человеческое лицо» природы:
-природа такова, что обладает возможностью и необходимостью порождения человека. Все физические константы, характеризующие фундаментальные структуры мира, таковы, что только при них мог бы существовать человек. В отсутствие человека некому было бы познавать природу.
-человек рождается «из природы». Вспомним развитие человеческого эмбриона.
-природная основа человека есть тот фундамент, на котором только и возможно появление специфически человеческого бытия, сознания, деятельности, культуры.
Таким образом, современное понимание природы как предмета естествознания предполагает выработку новых способов ее исследования, формирование интеграционных подходов и междисциплинарных связей. Поэтому принципиально новые идеи современной научной картины мира уже не вписываются в традиционное для техногенного подхода понимание природы как «мертвого механизма», с которым можно экспериментировать и который можно осваивать по частям, преобразуя и подчиняя его человеку.
Природа начинает пониматься как целостный живой организм. Почти до середины ХХ века такое понимание природы воспринималось как своеобразный пережиток или возврат к мифологическому сознанию. Однако по мере того, как утверждались в науке и широко распространялись идеи В.И.Вернадского о биосфере, после развития современной экологии, новое понимание природы как организма, а не механической системы, стало научным принципом. Новое понимание природы стимулировало поиск новых идеалов отношения человека к природе, которые стали бы основанием для решения современных глобальных проблем.
2. Научный метод. Классификация методов естественнонаучного познания
Для научного познания большое значение имеет метод, т.е. способ организации изучения объекта. Метод – совокупность принципов, правил и приемов практической и теоретической деятельности. Метод вооружает человека системой принципов, требований, правил, руководствуясь которыми человек может достичь намеченной цели.
Правильный метод имеет огромное значение для познания природы. Учение о методе (методология) начинает развиваться в науке нового времени. Знаменитый английский философ Фрэнсис Бэкон сравнивал метод с фонарем, который освещает путнику дорогу. Ученый, не вооруженный правильным методом, - это путник, бредущий в темноте и ощупью отыскивающий себе дорогу. Рене Декарт, великий французский философ XVII века, тоже придавал большое значение разработке научного метода: «Под методом я разумею точные и простые правила, строгое соблюдение которых без лишней траты умственных сил, но постепенно и непрерывно увеличивая знания, способствует тому, что ум достигает истинного знания всего, что ему доступно». Именно в этот период бурного развития естествознания складываются две противоположные методологические концепции: эмпиризм и рационализм.
Эмпиризм – направление в методологии, признающее опыт источником достоверного знания, сводящее содержание знания к описанию этого опыта.
Рационализм – направление в методологии, согласно которому достоверное знание дает только разум, логическое мышление.
Методы научного познания можно классифицировать по степени общности на универсальные (философские) и научные, которые в свою очередь, делятся на общенаучные и частнонаучные.
Частнонаучные методы применяются в рамках одной науки или области научного исследования, например: метод спектрального анализа, метод цветных реакций в химии, методы электромагнетизма в физике и др.
Общенаучные методы имеют широкий междисциплинарный спектр применения и могут применяться в любой науке, например: моделирование, эксперимент, логические методы и др.
Одной из важнейших особенностей научного познания является наличие двух уровней: эмпирического и теоретического, которые отличаются используемыми методами. На эмпирической (опытной) стадии используются главным образом методы, связанные с чувственно-наглядными приемами познания, к которым относят наблюдение, измерение, эксперимент.
Наблюдение является первоначальным источником информации и связано с описанием объекта познания. Целенаправленность, планомерность, активность – характерные требования для научного наблюдения. По способу проведения наблюдения бывают непосредственными и опосредованными. При непосредственных наблюдениях свойства объекта воспринимаются органами чувств человека. Такие наблюдения всегда играли большую роль в исследовании науки. Так, например, наблюдение положения планет и звезд на небе, проводившиеся более двадцати лет Тихо Браге с необыкновенной для невооруженного глаза точностью, способствовали открытию Кеплером его знаменитых законов. Однако чаще всего научное наблюдение бывает опосредованным, т.е. проводится с помощью технических средств. Изобретение Галилеем в 1608 году оптического телескопа расширило возможности астрономических наблюдений, а создание в ХХ веке рентгеновских телескопов и вывод их в космос на борту орбитальной станции позволило проводить наблюдения за такими космическими объектами, как квазары, пульсары, которые невозможно было бы наблюдать никаким другим способом.
Развитие современного естествознания связано с повышением роли так называемых косвенных наблюдений. Так, например, объекты, изучаемые ядерной физикой, не могут наблюдаться ни непосредственно, с помощью органов чувств человека, ни опосредованно, с помощью самых совершенных приборов. То, что ученые наблюдают в процессе эмпирических исследований в атомной физике, - это не сами микрообъекты, а только результаты их воздействия на определенные технические средства. Например, регистрацию взаимодействий элементарных частиц фиксируют только косвенно с помощью счетчиков (газозарядных, полупроводниковых и т.п.) или трековых приборов (камера Вильсона, пузырьковая камера и др.) Расшифровывая «картинки» взаимодействий, исследователи получают сведения о частицах и их свойствах.
Эксперимент – более сложный метод эмпирического познания, он предполагает активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект для выявления его определенных сторон и свойств. Преимущества эксперимента: во-первых, позволяет изучать объект в «чистом виде», т.е. устранять всякие побочные факторы, затрудняющие исследование. Во-вторых, позволяет изучать объект в некоторых искусственных, например, экстремальных, условиях, когда удается обнаружить удивительные свойства объектов, тем самым глубже постигать их сущность. Очень интересными и перспективными в этом плане являются космические эксперименты, позволяющие изучать объекты в таких особых условиях, как невесомость, глубокий вакуум, которые недостижимы в земных лабораториях. В-третьих, изучая какой-либо процесс, экспериментатор может вмешиваться в него, активно влиять на его протекание. В-четвертых, многократность, повторяемость эксперимента, который может быть повторен столько раз, сколько необходимо для получения достоверных результатов.
В зависимости от характера задач эксперименты делятся на исследовательские и проверочные. Исследовательские эксперименты позволяют делать открытия, обнаруживать у объекта новые, ранее неизвестные свойства. Так, например, эксперименты в лаборатории Э. Резерфорда показали странное поведение альфа-частиц при бомбардировке ими золотой фольги: большинство частиц проходило сквозь фольгу, небольшое количество частиц отклонялось и рассеивалось, а некоторые частицы не просто отклонялись, а отскакивали обратно, как мяч от сетки. Такая картина, согласно проведенным расчетам, получалась из-за того, что вся масса атома сосредоточена в ядре, занимающем ничтожную часть объема атома, и отскакивали обратно альфа-частицы, соударявшиеся с ядром. Так исследовательский эксперимент Резерфорда привел к обнаружению ядра атома, и тем самым к рождению ядерной физики.
Проверочные эксперименты служат подтверждению некоторых теоретических построений. Например, существование целого ряда элементарных частиц (позитрон, нейтрино и др.) было вначале предсказано теоретически.
Измерение – процесс, состоящий в определении количественных значений свойств или сторон изучаемого объекта с помощью специальных технических устройств. Результат измерения получается в виде некоторого числа единиц измерения. Единица измерения – это эталон, с которым сравнивается измеряемый объект. Единицы измерения подразделяются на основные, используемые в качестве базисных при построении системы единиц, и производные, выводимые из базисных с помощью некоторых математических соотношений. Методика построения системы единиц была впервые предложена в 1832 г. Карлом Гауссом. В предложенной системе в основу положены три произвольные единицы: длины (миллиметр), массы (миллиграмм), времени (секунда). Все остальные единицы можно было получить из этих трех. В дальнейшем с развитием науки и техники появились и другие системы единиц физических величин, построенных по принципу Гаусса. Кроме того, в физике появились так называемые естественные системы единиц, в которых основные единицы определялись из законов природы. Примером служит система единиц, предложенная Максом Планком, в основу которой были положены «мировые постоянные»: скорость света в вакууме, постоянная тяготения, постоянная Больцмана и постоянная Планка. Исходя из них (и приравняв их к «1»),Планк получил ряд производных единиц: длины, массы, времени, температуры. В настоящее время в естествознании действует преимущественно Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 году Генеральной конференцией по метрам и весам. Данная система является наиболее совершенной и универсальной из всех существовавших до настоящего времени и охватывает физические величины механики, термодинамики, электродинамики и оптики, которые связаны между собой физическими законами.
На теоретической стадии прибегают к абстракциям и образованию понятий, строят гипотезы и теории, открывают законы науки. К числу общенаучных теоретических методов относят сравнение, абстрагирование, идеализацию, анализ, синтез, дедукцию, индукцию, аналогию, обобщение, восхождение от абстрактного к конкретному. Главная их особенность в том, что это логические приемы, т.е. операции с мыслями, знаниями.
Сравнение – мысленная операция выявления сходства и различия изучаемых предметов. Частным случаем сравнения является аналогия: вывод о наличии того или иного признака у исследуемого объекта делается на основе обнаружения у него целого ряда сходных признаков с другим объектом.
Абстрагирование – мысленное выделение признаков предмета и рассмотрение их отдельно от самого предмета и других его признаков. Идеализация – мысленное конструирование ситуации (объекта, явления), которой приписываются свойства или отношения в «предельном» случае. Результатом такого конструирования являются идеализированные объекты, такие как: точка, материальная точка, абсолютно черное тело, абсолютно твердое тело, идеальный газ, несжимаемая жидкость и др. Благодаря идеализации процессы рассматриваются в «чистом виде», что позволяет выявить законы, по которым эти процессы протекают. Например: допустим, что некто идет по дорожке с багажной тележкой и внезапно перестает ее толкать. Тележка будет двигаться еще некоторое время, пройдя небольшое расстояние, а затем остановится. Можно придумать множество способов удлинения пути, проходимого тележкой после толкания. Однако устранить все внешние воздействия на длину пути невозможно. Но, рассматривая движение тела в «предельном» случае, мы можем заключить, что если совсем устранить внешние воздействия на движущееся тело, то оно будет двигаться бесконечно и при этом равномерно и прямолинейно. Такой вывод был сделан Галилеем и получил название «принцип инерции», а наиболее четко сформулирован Ньютоном в виде закона инерции.
С идеализацией связан такой специфический метод как мысленный эксперимент, который предполагает оперирование идеализированным объектом, замещающим в абстракции объект реальный.
Анализ – метод исследования, состоящий в разделении целого на части, с целью их самостоятельного изучения.
Синтез – соединение ранее выделенных частей в целое с целью выявления их взаимосвязи и взаимодействия. Связь анализа и синтеза вытекает из самой природы объектов, представляющих единство целого и его частей. Анализ и синтез обусловливают друг друга.
Индукция – логический метод, основанный на движении мысли от единичного или частного к общему. В индуктивном умозаключении истинность посылок (фактов) не гарантирует истинности выводимого заключения, оно будет лишь вероятностным. Метод научной индукции основан на выяснении причинной (каузальной) связи исследуемых явлений. Каузальность – такое внутреннее отношение между двумя явлениями, когда одно из них порождает, вызывает другое. Это отношение содержит: явление, которое претендует на то, чтобы быть причиной; явление, которому мы приписываем характер действия (следствия), и обстоятельства, в которых происходит взаимодействие причины и действия.
Для причинной связи характерно:
На этих свойствах основаны методы открытия причинных связей, разработанные Ф. Бэконом (1561- 1626), а затем усовершенствованные английским философом, логиком, экономистом Джоном Стюартом Миллем (1806-1873). Эти методы получили название методов научной индукции. Всего их пять:
1. Метод единственного сходства: если какое-то обстоятельство постоянно предшествует наступлению исследуемого явления в то время, как иные обстоятельства изменяются, то это условие, вероятно, и есть причина данного явления.
2. Метод единственного различия: если какое-то условие имеет место, когда наступает исследуемое явление, и отсутствует, когда этого явления нет, а все остальные условия остаются неизменными, то, вероятно, данное условие представляет собой причину исследуемого явления.
3. Соединенный метод сходства и различия: если два и большее число случаев, когда наступает данное явление, сходны только в одном условии, в то время как два или более случаев, когда данное явление отсутствует, отличаются от первых только тем, что отсутствует это условие, то это условие, вероятно, и есть причина наблюдаемого явления.
4. Метод сопутствующих изменений: если с изменением условий в той же степени меняется некоторое явление, а остальные обстоятельства остаются неизменными, то, вероятно, данное условие является причиной наблюдаемого явления.
5. Метод остатков: если сложные условия производят сложное действие и известно, что часть условий вызывает определенную часть этого действия, то остающаяся часть условий вызывает остающуюся часть действия.
Дедукция – это движение мысли от общих положений к частным или единичным. Дедукция - общенаучный метод, но особенно большое значение дедуктивный метод имеет в математике. В науке Нового времени разрабатывал и пропагандировал дедуктивно-аксиоматический метод познания выдающийся философ и математик Р. Декарт. Его методология была прямой противоположностью эмпирическому индуктивизму Бэкона.
Из общего положения, что все металлы обладают электропроводностью, можно сделать вывод об электропроводности конкретной медной проволоки, зная, что медь – металл. Если исходные общие положения являются истинными, то дедукция всегда будет давать истинный вывод.
Наиболее распространенным видом дедукции является простой категорический силлогизм, в котором устанавливается отношение между двумя крайними терминами S и P на основании их отношения к среднему термину M. Например:
Все металлы (M) проводят электрический ток (P).
Важное место в теории дедуктивных рассуждений занимает также условно-категорическое умозаключение.
Утверждающий модус (modus ponens):
Если у человека повышена температура (a), он болен (b). У этого человека повышена температура (a). Значит, он болен (b).
Как видно, мысль здесь движется от утверждения основания к утверждению следствия: (a —› b,a) —› b.
Отрицающий модус (modus tollens):
Если у человека повышена температура (a), он болен (b). Этот человек не болен (не-b). Значит, у него нет повышенной температуры (не-a).
Как видно, здесь мысль движется от отрицания следствия к отрицанию основания: (a —› b, не-b) —› не-a.
Дедуктивная логика играет важнейшую роль в обосновании научного знания, доказательстве теоретических положений.
Аналогия и моделирование. Оба эти метода основаны на выявлении сходства в предметах или отношениях между предметами. Модель – искусственно созданное человеком устройство, которое в определенном отношении воспроизводит реально существующие предметы, являющиеся объектом научного исследования. Моделирование основано на абстрагировании сходных признаков у разных предметов и установлении между определенного соотношения между ними. С помощью моделирования можно изучать такие свойства и отношения исследуемых явлений, которые могут быть недоступны непосредственному изучению.
В хорошо известной планетарной модели атома его строение уподобляется строению Солнечной системы. Вокруг массивного ядра на разном расстоянии от него движутся по замкнутым траекториям легкие электроны, подобно тому, как вокруг солнца обращаются планеты. В этой аналогии устанавливается, как и обычно, сходство, но не самих предметов, а отношений между ними. Атомное ядро не похоже на Солнце, а электроны – на планеты. Но отношение между ядром и электронами во многом подобно отношению между Солнцем и планетами.
Аналогия между живыми организмами и техническими устройствами лежит в основе бионики. Это направление кибернетики изучает структуры и жизнедеятельность организмов; открытые закономерности и обнаруженные свойства используются затем для решения инженерных задач и построения технических систем, приближающихся по своим характеристикам к живым системам.
Таким образом, аналогия не только позволяет объяснить многие явления и сделать неожиданные и важные открытия, она приводит даже к созданию новых научных направлений или коренному преобразованию старых.
Виды моделирования.
Мысленное (идеальное) моделирование – построение различных мысленных представлений в форме воображаемых моделей. Например, в идеальной модели электромагнитного поля, созданной Максвеллом, силовые линии представлялись в виде трубок различного сечения, по которым течет воображаемая жидкость, не обладающая инерцией и сжимаемостью.
Физическое моделирование – воспроизведение в модели процессов, свойственных оригиналу, на основе их физического подобия. Оно широко используется для разработки и экспериментального изучения различных сооружений (плотин электростанций и т.п.), машин (аэродинамические качества самолетов, например, исследуются на их моделях, обдуваемых воздушным потоком в аэродинамической трубе), для изучения эффективных и безопасных способов ведения горных работ и т.д.
Символическое (знаковое) моделирование связано с представлением в качестве моделей разнообразных схем, графиков, чертежей, формул. Особой разновидностью символического моделирования является математическое моделирование. Символический язык математики позволяет выражать свойства, стороны, отношения объектов самой различной природы. Взаимосвязи между различными величинами, описывающими функционирование изучаемого объекта, выражается соответствующими уравнениями.
Численное моделирование на ЭВМ основывается на математической модели изучаемого объекта и применяется в случаях больших объемов вычислений, необходимых для исследования данной модели, для чего создается специальная программа. В этом случае в качестве модели выступает алгоритм (программа для ЭВМ) функционирования изучаемого объекта.
3. Формы научного знания
Осваивая действительность самыми разнообразными методами, научное познание проходит разные этапы. Каждому из них соответствует определенная форма знаний. Основными из них являются факт, теория, проблема (задача), гипотеза, программа.
Факт. В обычном смысле слова «факт» (от лат. factum – сделанное, совершившееся) является синонимом слова «истина», «событие», «результат». Как логическая форма факт – суждение о единичном. Например, «Земля обращается вокруг Солнца», «Вода при 100С превращается в пар».
Большую роль в выработке и накоплении фактов в естествознании всегда играли наблюдения и эксперименты. Можно утверждать, что наука начинается с фактов. Каждая научная дисциплина проходит длительный период их накопления. Для естественных наук он охватывает ХV-ХVII века, значительную роль в формировании фактической базы естествознания сыграли великие географические открытия.
Теория является логически организованной системой научных знаний, которая дает целостное и всестороннее описание объекта.
Структура научной теории:
исходный эмпирический базис – факты наблюдений и данные экспериментов;
исходный теоретический базис – аксиомы, постулаты, допущения, законы и т.д.
логический аппарат – правила вывода и доказательства;
совокупность выведенных следствий с их доказательствами.
Функции теории: 1) объяснительная; 2) систематизирующая; 3) предсказательная; 4) методологическая.
1) Объяснить факт – значит, подвести его под эмпирический или теоретический закон, если теория носит завершенный характер. Подчинение факта теории носит дедуктивный характер и принимает форму силлогизма.
2) В процессе систематизации факт (в результате объяснения) включается в более широкий контекст знаний, тем самым происходит установление связей факта с другими фактами и, таким образом, факты приобретают определенную целостность.
3) Предсказание реализуется в способности теории к дальним и точным прогнозам. Предсказательная мощь теории зависит главным образом от двух факторов: во-первых, от глубины и полноты познания сущности явлений, во-вторых, теоретическое предсказание находится в обратной зависимости от сложности и нестабильности исследуемого процесса, и чем сложнее и неустойчивее этот процесс, тем рискованнее прогноз. К самым простым системам причисляют, как известно, системы, изучаемые небесной механикой. Даже простые первоначальные обобщения астрономических наблюдений, сделанные древними китайцами более 2000 лет до н. э., позволили им с большой точностью предсказывать солнечные затмения. Геоцентрическая система Птолемея была более мощной в своих предсказаниях и позволяла предвидеть также расположения планет на небосклоне, моменты равноденствий и др. Пользуясь ею, прокладывали пути своих каравелл Колумб, Васко де Гама, Америго Веспуччи. Однако она была беспомощна во многих предсказаниях, в частности, при определениях длительности года, и, в конце концов, привела к созданию гелиоцентрической системы Коперника, где многие трудности тогдашней астрономии были преодолены.
4) Методологическая функция означает, что теория выступает в качестве опоры и средства дальнейшего исследования. Наиболее эффективный научный метод есть истинная теория, направленная на практическое применение, на разрешение определенного множества задач и проблем. Квантовая теория, например, - не только объяснение процессов атомного масштаба, но и действенный метод дальнейшего познания микромира.
Задача и проблема. Под научной задачей понимают решаемый наукой вопрос, имеющий достаточно средств для своего разрешения. Если же их недостаточно, то он называется научной проблемой. В структуре задачи или проблемы выделяются: 1) неизвестное (искомое); 2) известное (условие или предпосылки задачи или проблемы).
Итак, проблема – это такой научный вопрос, на который нельзя ответить, пользуясь имеющимися в наличии знанием и средствами. Осознание такой ситуации, когда невозможно старыми средствами решить данную задачу, означает наличие проблемной ситуации. Она характеризуется:
1) фиксацией существующего пробела в имеющемся знании, противоречия между знанием и незнанием, известным и неизвестным, осознанием невозможности имеющимися средствами объяснить какие-то факты;
2) осознанием материала и средств, имеющихся в распоряжении исследователя для достижения поставленной цели. Лишь на определенной ступени развития общества приходит время для постановки тех или иных проблем. Каждая проблема – это дитя своего времени.
Противоречия между теорией и фактами – главный источник проблем и задач в науке. Наличие этого противоречия и есть проблемная ситуация. Проблема появляется в результате осознания потребности в разрешении противоречия. Конкретный анализ проблемных ситуаций показывает, что далеко не каждая проблема сразу же приобретает характер вопроса. Не всякое исследование начинается с выдвижения проблемы и кончается ее решением. Нередко бывает так, что проблема формулируется одновременно с ее решением. Иногда бывает даже, что она осознается полностью только через некоторое время после решения. Зачастую поиск проблемы сам вырастает в отдельную проблему, решение которой требует особого таланта. «Великая проблема, - писал Ф. Ницше, - подобна драгоценному камню: тысячи проходят мимо, пока, наконец, один не поднимет его».
Сложность процесса созревания и раскрытия проблем хорошо чувствуют сами ученые, постоянно сталкивающиеся с самыми разнообразными проблемами. Альберт Эйнштейн говорил о том, что сформулировать проблему часто важнее и труднее, чем решить ее.
Таким образом, в содержание проблемы входит знание о том, чего можно достичь при имеющихся в наличии предпосылках. В этом смысле проблема есть способ организации научного исследования. Она ориентирует исследование в определенном направлении и указывает на все возможные известные средства, которые необходимо применить для получения нового знания. Поскольку между знанием и незнанием существует некая связь, научная проблема в процессе исследования перерастает в гипотезу.
Гипотеза. В первоначальном значении термин «hypothese» означал недоказанное утверждение, принимаемое с целью доказательства. Отсюда легко делался вывод, что гипотеза опережает всякое доказательство, и значит, гипотеза есть создание ума, предоставленного самому себе. Поэтому знанию, претендующему на объективность, следует избегать гипотез. «Гипотез не измышляю!» – этими словами Ньютона можно выразить негативное отношение к гипотезе как источнику заблуждений, которое сложилось в бурно развивающемся естествознании Нового времени. Ученые XVI-XVIII вв., тем не менее, пользуются гипотезами, выдвигают их, тем самым, доказывая, что научное познание невозможно без гипотез. Дидро, Пристли, Ломоносов – первыми сделали решительный шаг по пути признания роли гипотез в научном исследовании. Теория и эксперимент связаны прочными узами: все в эксперименте делается для того, чтобы открыть какую-нибудь гипотезу, гипотеза, в свою очередь, ведет к новым экспериментам, которые дают новые факты, развивающие знание об объекте.
Гипотеза - это научное предположение, опирающееся на факты, выраженное в форме суждения, или системы взаимосвязанных суждений, о причине, механизме изучаемых явлений. По своей логической структуре гипотеза является вероятностным суждением, т.к. истинность ее не определенна. По своей познавательной функции гипотеза выступает либо как форма развивающегося знания от проблемы к теории, либо как структурный элемент теории. Гипотеза как процесс мышления складывается из двух последовательных этапов: 1) построение гипотезы; 2) обоснование ее логическими методами.
Построение гипотезы начинается с выдвижения предположения о возможной причине интересующего нас явления. Это сложный логический процесс, в котором используются различные методы: индукция, дедукция, аналогия, анализ, синтез. Мышление идет от анализа фактов к заключению о причинах явлений и, следовательно, к объяснению фактов. Опора на факты, их анализ – вот что отличает гипотезу от простой догадки, фантазии или вымысла. Для построения гипотезы, поэтому, следует оперировать как можно большим объемом фактического материала.
Гипотезы возникают не только для объяснения эмпирического материала, но и для разрешения противоречий, появляющихся на теоретическом уровне. Например: 200 лет в физике сосуществовали две теории света: корпускулярная (Ньютона) и волновая (Гюйгенса). Луи де Бройль в 20-е годы ХХ в. выдвинул гипотезу, что любая частица, независимо от ее движения, есть одновременно и волна, и корпускула. В результате этого два обособленных раздела физики – механика и волновая оптика – оказались взаимосвязаны.
Таким образом, гипотеза может возникать как путем индуктивного обобщения опытных данных, так и в результате интуиции и последующей дедукции.
Проверка (доказательство) гипотезы – необходимый этап на пути движения научного познания к достоверному знанию, и, чтобы стать достоверным, оно должно быть обосновано. В процессе проверки гипотеза либо принимается, т.е. входит в качестве элемента в научную теорию или же сама превращается в теорию, либо отвергается. Проверка гипотезы на ее состоятельность проходит последовательно два этапа: из данной гипотезы выводятся логические следствия, и затем проводится их эмпирическая проверка с целью установления соответствия следствий и данных опыта. Если соответствие установлено, то гипотезу можно применять в качестве научного предположения. Дополнительная достоверность гипотезы определяется тем, что следствия, выводимые из нее, предсказывают факты, существование которых подтверждается ходом исследований. В этом состоит эвристическая роль гипотезы. На основе квантово-релятивистской теории Поль Дирак предположил, что существует частица, сходная с электроном, но противоположная по заряду, и предвосхитил открытие позитрона. Состоятельность гипотезы проверяется и путем сопоставления ее следствий с теоретическими положениями, истинность которых доказана. Если нет противоречия, то можно говорить о ее достоверности.
Очень часто ученым приходится безвозвратно отказываться от гипотезы в связи с ее опровержением. Такая судьба, например, оказалась у гипотезы истечения Ньютона, в которой считалось, что скорость распространения света в стекле, воде и т.д. является более высокой, чем в воздухе, у гипотезы вечного двигателя в связи с открытием законов сохранения и др.
Обычно при анализе фактических данных выдвигается несколько гипотез, объясняющих данный класс явлений, - так называемые «конкурирующие гипотезы». В борьбе конкурирующих гипотез большую роль играют «решающие эксперименты». Они проводятся тогда, когда из этих гипотез удается вывести следствия, противоречащие друг другу, но которые можно сопоставить с данными эксперимента. Подтверждение следствий одной гипотезы будет свидетельствовать об опровержении следствий другой. Это значит, что и гипотеза, из которой получены такие следствия, также признается ложной. Гипотеза, альтернативная ей, хотя и не признается пока истинной, но приобретает большую вероятность.
Требования к гипотезе:
Гипотеза должна быть принципиально проверяемой, т.к. ее содержание должно быть сопоставимо с содержанием эмпирических данных.
Гипотеза должна быть обоснована не только эмпирически, но и теоретически (не противоречить установленным наукой законам).
Гипотеза не должна быть внутренне противоречивой.
Простота гипотезы. Из «конкурирующих» гипотез выбирается та, которая является наиболее простым объяснением. Сами ученые называют это требование «бритвой Оккама» по имени философа Уильяма Оккама. Смысл этого правила в том, что более простые объяснения природных явлений с большей вероятностью могут оказаться правильными, чем более сложные. Если мы располагаем двумя гипотезами, объясняющими одни и те же явления, то следует выбирать ту из них, которая включает наименьшее из возможных число допущений или сложных выкладок, отсекая (как бритвой) те, которые содержат избыточные принципы. «Бритва Оккама» оказалась исключительно полезным методологическим правилом, однако в современной науке его применяют с осторожностью, т.к. он не является верным в каждом конкретном случае.
Закон науки. Чаще всего научное познание связано с поиском универсальных общезначимых и достоверных законов, которые могут быть в любой момент экспериментально проверены. Научные дисциплины такого типа называют номологическими (от греч. nomos– закон). К ним относится большая часть научных дисциплин. Закон – устойчивая повторяющаяся связь явлений. Установление законов науки связано с обнаружением повторяемых и воспроизводимых феноменов. Законы науки играют роль важнейших принципов объяснения каких-либо фактов. Поэтому закон является главным структурным элементом научной теории. Противоречие фактов закону, как мы уже видели, означает проблемную ситуацию, разрешением которой является гипотеза. Например, проводившиеся в Х1Х в. наблюдения за движением планеты Уран показали, что оно противоречит предсказаниям, сделанным на основании законов Ньютона. Это влекло за собой предположение о ложности законов Ньютона. Однако вместо того, чтобы опровергать законы Ньютона, Леверье и Адамс выдвинули догадку о том, что вблизи Урана может находиться не обнаруженная до сих пор планета, которая и отвечает за аномальное движение Урана. Галле занялся поисками этой планеты. Так была открыта планета Нептун.
В зависимости от методологии законы науки делятся на эмпирические, полученные с помощью индуктивного обобщения, и теоретические, полученные путем идеализации.
Научная программа. Достижение научных целей невозможно без решения комплексов проблем и задач. Для обозначения этих комплексов в методологию научного познания было введено понятие «научная программа». Научная программа представляет собой систему целей, средств, ценностей. В рамках научной программы формулируются общие теоретические положения, задаются идеалы научного познания и организации научного знания, его оценки.
4. Принципы естествознания. Способы обоснования (модели) естественнонаучного знания
Принципы естествознания:
Формально-логические принципы: обоснованности, однозначности, непротиворечивости, полноты, которые выражаются в основных законах логики:
Закон тождества – в процессе рассуждения всякая мысль должна оставаться равной самой себе ( А=А)
Закон непротиворечия - никакое суждение и его отрицание не могут быть истинными в одно и то же время (неверно, что А и не-А)
Закон исключенного третьего – из двух противоречащих суждений только одно является истинным (либо А, либо не-А)
Закон достаточного основания - каждая мысль должна быть достаточно обоснованной.
А также принцип соответствия: должно быть соответствие между старой и новой теорией, в некотором пределе математический аппарат новой теории должен совпадать с математическим аппаратом старой теории.
Эмпирические принципы (верификация - соответствие фактам): согласованность теоретических утверждений с фактическим материалом, возможность их эмпирического подтверждения и опровержения. От научных положений требуется, чтобы они допускали принципиальную возможность опровержения (фальсификация) и предполагали определенные процедуры своего подтверждения. Если этого нет, то относительно какого-то положения нельзя сказать, какие ситуации и факты несовместимы с ним, а какие – поддерживают его. Например, в начале ХХ века биолог Г. Дриш попытался обосновать наличие у живых существ так называемой «жизненной силы», заставляющей их вести себя определенным образом. Эта сила, названная им «энтелехией», имеет различные виды в зависимости от стадии развития организма. В простейших организмах энтелехия сравнительно проста, у человека она значительно сложнее и отвечает за все, что происходит в его теле. Дриш не определял, чем энтелехия, например, дуба отличается от энтелехии бегемота. Он просто утверждал, что каждый организм имеет собственную энтелехию. Законы биологии он истолковывал как проявление энтелехии. Так, например, если полностью отрезать у морского ежа конечность, он не выживет; если отрезать другим способом, то еж выживет, и у него вырастет неполная конечность; если разрез сделать иначе и на определенной стадии роста ежа, то конечность восстановится полностью. Можно ли было эмпирически проверить наличие энтелехии? Нет, поскольку она ничем себя не проявляла. Гипотеза энтелехии ничего не добавляла к научному объяснению, и вскоре была отброшена как бесполезная.
Прагматические принципы:
принцип простоты - требование использовать при объяснении изучаемого объекта как можно меньше независимых допущений, которые при этом должны быть как можно более простыми;
принцип привычности – требование объяснять, насколько это возможно, новые явления с помощью известных законов;
принцип технологической применимости - требование максимальной эффективности практического применения полученного знания.
В истории естественнонаучного познания сложились три модели построения научного знания (или теории):
Дедуктивно-аксиоматическая модель – способ построения научного знания, при котором в основу кладутся некоторые исходные положения, не требующие доказательства в силу своей очевидности, - аксиомы или постулаты. Все остальные утверждения выводятся из них чисто логическим дедуктивным путем, посредством доказательства. Исходные положения, принимаемые без доказательства, называются постулатами, положения, доказываемые на их основе, - теоремами. Аксиоматический метод зародился в Древней Греции и приобрел известность благодаря «Началам» Эвклида – это было первое аксиоматическое истолкование геометрии.
В настоящее время дедуктивно-аксиоматическая модель стала использовать особый подход – формализацию. В научном исследовании стали применяться формализованные (искусственные) языки. Процесс формализации связан с наличием трех условий: 1) алфавита – определенного набора знаков, имеющих только одно значение; 2) алгоритма - правил перевода научных высказываний на язык формул; 3) правил вывода.
Формализованные языки имеют перед естественным языком важнейшие преимущества: 1) возможность проведения исследования чисто формальным путем (оперирование знаками) без непосредственного обращения к объекту;
2) моносемичность (каждый знак имеет только одно значение). Однако возможности любого формализованного языка остаются принципиально ограниченными, что показал в своей знаменитой теореме неполноты в начале 30-х годов ХХ в. австрийский математик и логик Курт Гёдель. Дедуктивно-аксиоматическая модель обоснования научного знания лежит в основе концепции рационализма.
2. Индуктивистская модель связана с принципами научной индукции. Как мы уже выяснили, научная индукция основана на выявлении причинной связи между явлениями (каузальное объяснение). Эта модель обоснования научного знания лежит в основе концепции эмпиризма.
3. Гипотетико-дедуктивная (стандартная) модель представляет собой взаимосвязь индукции и дедукции и является способом получения теоретических законов с помощью гипотез. Суть этой концепции состоит в следующем: единообразие мира, которое наука выражает в виде законов различной степени общности; познание начинается с фактов, т.е. результатов наблюдений и экспериментов; в процессе обобщения фактов (индукция) формулируются эмпирические законы, которые объясняют именно данные факты. Однако от фактов и эмпирических законов нет прямого пути к теоретическим законам. Из теоретических законов можно дедуцировать эмпирические законы, но сами теоретические законы получены путем гипотезы (догадки). Именно в этом контексте становится понятной фраза Эйнштейна о том, что никакой логический путь не ведет от наблюдений к основным принципам теории. Возникновение догадки – это иррациональный компонент познания, в этом процессе огромная роль принадлежит интуиции.
Если же рассматривать знание о природе с точки зрения его формы и используемого языка, то можно выделить такие виды естествознания, как: математическое, таксономическое и дескриптивное. Математическое естествознание – высшая форма развития научного знания. Наиболее математизированной из всех наук о природе является физика, затем химия, которая в своем учении об атомно-молекулярной структуре вещества тесно связана с физикой. Математический аппарат используется и в биологии, а также в других естественных науках, однако в них он не является основным способом изложения знания, здесь главную роль играют классификации (таксономия) и описание (дескрипция).
Блестящим примером научной классификации является периодическая система элементов Д.И. Менделеева. Она фиксирует закономерные связи между химическими элементами и определяет место каждого из них в единой таблице. Это позволило сделать замечательно подтвердившиеся прогнозы относительно неизвестных еще элементов.
Всеобщую известность в ХVIII – ХIХ вв. получила классификация живых существ К. Линнея. Он видел задачу описательного естествознания в расположении объектов наблюдения – элементов живой и неживой природы – в строгий порядок по ясным и конкретным признакам. Классификация должна была выявить строгие закономерности и порядок в строении мира, с помощью которых можно было бы дать полное и глубокое объяснение природы.
В описательных науках мысль исследователя вынуждена обращаться непосредственно к данным наблюдения и эксперимента, здесь реже удается обнаружить закономерные связи. Описательные методы широко используются в биологии, медицине и т.п. Описание изучаемых явлений может быть словесным, графическим, схематическим. Для некоторых особенно сложных явлений этот метод является наиболее подходящим; сами явления таковы, что они не подчиняются жестким требованиям гипотетико-дедуктивного метода.
Основные понятия темы:
Природа – это весь материально-энергетический и информационный мир Вселенной.
Метод – совокупность принципов, правил и приемов практической и теоретической деятельности.
Эмпиризм – направление в методологии, признающее опыт единственным источником достоверного знания, сводящее содержание знания к описанию этого опыта.
Рационализм – направление в методологии, согласно которому достоверное знание дает только разум, логическое мышление.
Факт – 1) действительное событие, то, что существует на самом деле;
2) (научный факт) – суждение о единичном, полученное в результате наблюдения, эксперимента.
Принцип – сложная, концентрированная форма знания, которая аккумулирует в себе основное направление исследования, его «дух».
Теория – логически организованная система научных знаний, которая дает целостное и всестороннее описание объекта.
Проблема – это такой научный вопрос, на который нельзя ответить, пользуясь имеющимися в наличии средствами.
Концепция – основной способ понимания, трактовки каких-либо явлений.
Гипотеза - это научное предположение, опирающееся на факты, выраженное в форме суждения, или системы взаимосвязанных суждений, о причине, механизме изучаемых явлений.
Верификация (эмпирическое подтверждение) – процедура проверки научных высказываний через сведение их к опыту.
Натурфилософия – умозрительный подход к пониманию природы как целого.
Тема 3. Динамика естествознания и тенденции его развития
1. Возникновение естествознания. Проблема начала науки
Для понимания того, что представляет собой современное естествознание, важно выяснить, когда оно возникло. Существует несколько точек зрения по вопросу о начале науки. Иногда отстаивается позиция, что естествознание возникло в каменном веке, когда человек стал накапливать и передавать знания о мире. Джон Бернал в книге «Наука в истории общества» пишет: «Так как основное свойство естествознания заключается в том, что оно имеет дело с действенными манипуляциями и преображениями материи, главный поток науки вытекает из практических технических приемов первобытного человека…»
Некоторые историки науки считают, что естествознание возникло в Древней Греции, где на фоне разложения мифологического мышления возникают первые программы исследования природы. Уже в Древнем Египте и Вавилоне были накоплены значительные математические знания, но только греки начали доказывать теоремы. Если науку трактовать как знания с его обоснованием, то вполне справедливо считать, что она возникла примерно в V веке до н.э. в городах-полисах Греции – очагах будущей европейской культуры.
Большинство историков науки считает, что о естествознании в современном значении этого слова можно говорить только начиная с ХVI- ХVII вв. Это эпоха научной революции, связанная с именами И. Кеплера, Х. Гюйгенса, Г. Галилея, И. Ньютона. Рождение естествознания в этом случае отождествляется с рождением современной физики и необходимого для нее математического аппарата. В это же время происходит становление науки как социального института. В 1662 г. возникает Лондонское Королевское общество, в 1666 г. – Парижская Академия Наук.
Существует точка зрения, что современное естествознание возникло в конце ХIХ в. В это время наука оформляется в особую профессию благодаря в первую очередь реформам Берлинского университета, проходившим под руководством Вильгельма Гумбольдта. В результате этих реформ появилась новая модель университетского образования, в которой обучение совмещено с научно - исследовательской деятельностью. Эта модель науки была лучше всего реализована в лаборатории известного химика Ю. Либиха в Гессене. Процесс превращения науки в профессию завершает ее становление как современной науки.
Таким образом, наука – это сложное многогранное социальное образование, поэтому в зависимости от того, какой аспект ее развития мы делаем предметом анализа, мы получим разные точки отсчета возникновения науки:
- как знания и деятельность по производству этих знаний – с начала человеческой культуры;
- как форма общественного сознания – Др. Греция V века;
- как социальный институт – Новое время;
- как система подготовки кадров – середина ХIХ века;
- как непосредственная производительная сила – вторая половина ХХ века.
2. Основные модели развития естественнонаучного знания
В методологии науки существует множество моделей логики развития научного знания, но некоторые из них все же являются приоритетными. Рассмотрим некоторые из них.
Концепция развития науки, разработанная американским философом Томасом Куном и представленная в его книге «Структура научных революций», еще в 60-е годы ХХ века собрала наибольшее число сторонников. Т. Кун отметил такой интересный факт: ученые-обществоведы спорят, в основном, по фундаментальным вопросам, представители естествознания по таким вопросам спорят очень редко, только тогда, когда их науки переживают кризис. Обычно естествоиспытатели долго работают в определенных рамках, очерченных фундаментальными научными открытиями.
Т. Кун ввел понятие «парадигма» (признанная научным сообществом модель постановки и решения проблем). В рамках парадигмы формулируются общие базисные положения, используемые в теории, задаются идеалы научного объяснения и организации научного знания, его оценки.
Парадигма содержит особый способ организации знания, влияющий на выбор направления исследований и образцы решения конкретных проблем. Сама парадигма не выполняет непосредственно объяснительной функции и не является теорией, хотя и основана на определенной фундаментальной теории. Она выступает в роли предпосылки построения и обоснования различных теорий и определяет стиль научных исследований. Т. Кун причислял к парадигмам в истории науки аристотелевскую динамику, птолемеевскую астрономию, ньютоновскую механику и т.д.
Развитие научного знания внутри парадигмы получило название «нормальной науки». Смена парадигм является научной революцией. Например, смена классической ньютоновской физики релятивистской эйнштейновской.
Таким образом, согласно модели Куна, развитие науки представляет собой единство экстенсивного («нормальная наука») и интенсивного (научная революция) этапов. Утверждение новой парадигмы происходит в условиях огромного противодействия сторонников прежней. Поскольку новых подходов может быть несколько, то выбор принципов, составляющих будущую парадигму, происходит не рациональным способом, а скорее в результате иррационального акта веры в то, что мир устроен именно так.
В ответ на это появились другие альтернативные модели науки. Имре Лакатос (Лакатош) предложил методологию научно-исследовательских программ, которая в отличие от модели Т. Куна основана на выборе одной из конкурирующих программ путем применения четких, рациональных критериев. История развития науки – это конкуренция научно - исследовательских программ, имеющих следующую структуру:
- «жесткое ядро», заключающее в себе исходные положения, неопровержимые для сторонников программы.
- «защитный пояс» – включает гипотезы, изменения в нем не затрагивают «жесткого ядра».
- «негативная эвристика» – защита ядра программы с помощью вспомогательных гипотез и допущений, которые снимают противоречия с аномальными фактами.
- «позитивная эвристика» – предположения, направленные на то, чтобы изменять и развивать «опровержимые варианты» исследовательской программы, т.е. определять проблемы, выделять защитный пояс вспомогательных гипотез, предвидеть аномалии и т.п. Ученые, работающие в рамках какой-либо научно-исследовательской программы, могут долгое время игнорировать противоречивые факты и критику. Они считают, что решение конструктивных задач, которое определяется «позитивной эвристикой», приведет к объяснению непонятных фактов. Это дает устойчивость развитию науки. Однако позитивная эвристическая сила любой научно-исследовательской программы все же исчерпывает себя и на смену ей приходит другая. Такое вытеснение одной программы другой является научной революцией.
Таким образом, источником развития науки является конкуренция научных программ, обусловливающая непрерывный рост научного знания.
Третья модель развития науки принадлежит американскому философу К. Попперу. Она получила название «концепции перманентной революции». В ее основе лежит принцип фальсификации: теория считается научной, если она опровержима. Прямое подтверждение теории часто затруднено невозможностью учета всех частных случаев ее действия, а для опровержения теории достаточно всего одного случая, с ней не совпадающего. Если теория сформулирована так, что ситуация, в которой она будет опровергнута, может существовать, то она является научной. Теория, не опровержимая в принципе, не может быть научной. Познание идет в направлении: теория – факты – новые проблемы. Развитие науки и есть движение от одних проблем к другим в ходе непрерывной революции.
3. Научные революции и смена картин мира
Естествознание – это такая система знаний о природе, которая представляет собой нечто единое и цельное. Чтобы подчеркнуть фундаментальный характер основных и важнейших знаний о природе, ученые ввели понятие естественнонаучной картины мира (ЕНКМ), под которой понимают систему важнейших принципов и законов, лежащих в основе объяснения природы. (Картина мира – целостный, непротиворечивый образ действительности).
Как правило, в формировании такой картины важную роль играют концепции и теории наиболее развитых отраслей естествознания, которые выдвигаются в качестве его лидеров. Это не означает, что другие науки не участвуют в формировании картины природы. ЕНКМ – результат синтеза фундаментальных открытий и результатов исследования всех отраслей естествознания. ЕНКМ оказывает воздействие на другие отрасли науки, в том числе и гуманитарные, и определяет научный климат эпохи.
ЕНКМ – целостная система представлений об общих свойствах и закономерностях природы, возникающая в результате синтеза основных естественнонаучных принципов.
История естествознания свидетельствует о том, что лидером естествознания была и остается физика – наиболее развитая и систематизированная наука о природе. Когда формировалось мировоззрение европейской цивилизации Нового времени, и складывалась научная картина мира, ее определяли именно принципы и концепции физики.
В истории естествознания сменяли друг друга физические картины мира:
Механическая картина мира (МКМ)
Электромагнитная картина мира (ЭМКМ)
Квантово-релятивистская картина мира (КРКМ).
Как видно, физическая картина мира обусловлена той фундаментальной теорией, с помощью которой объясняли или пытались объяснить любые явления природы. Рассмотрим особенности каждой из них.
Характерные особенности механической картины мира:
- атомизм – учение о мире как совокупности огромного числа неделимых частиц, перемещающихся в пространстве и времени. Поэтому МКМ часто называют корпускулярной концепцией природы. Материя – это атомы.
- движение – ключевое понятие, из него выводились понятия силы, массы, тяготения. (Ньютон: законы движения есть законы мироздания).
- принцип дальнодействия (Ньютон): взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников;
- принцип абсолютности пространства и времени, которые не связаны с движением тел. Пространство является пустым вместилищем тел, время – чистая длительность.
- принцип детерминизма: любые события жестко предопределены законами механики. Согласно этому принципу можно точно и однозначно определить состояние механической системы ее предыдущим состоянием, случайности исключаются.
- принцип редукционизма: сведение закономерностей более высоких форм движения материи к законам простейшей формы – механической. Образ мира – машина, совершенный часовой механизм.
Световые, тепловые, электрические, магнитные явления не вписывались в механическую картину мира.
Электромагнитная картина мира.
Майкл Фарадей ввел понятие электромагнитного поля, проводил опыты по его изучению, пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными. (Континуальность – непрерывность). На основе опытов по изучению электромагнитного поля Джеймс Клерк Максвелл создал электромагнитную теорию, которая легла в основу новой картины мира.
Основные черты ЭМКМ:
- электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точечными силовыми центрами. Поэтому ЭМКМ называют континуальной концепцией природы.
- в корне изменились взгляды на материю, пространство, время и силу. Материя – единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами (электрическими зарядами) и волновое движение в нем (колебания). Движение не есть механическое перемещение, а распространение колебаний в поле, которые описываются не законами механики, а законами электродинамики.
- пустого пространства нет, так как поле является абсолютно непрерывной материей. Реляционное понимание пространства и времени. Пространство и время зависят от материи.
- принцип близкодействия (Фарадей): любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.
- принцип детерминизма стал включать понятие вероятности. Случайность – форма проявления необходимости.
- отказ от механистического редукционизма.
Квантово-релятивистская картина мира.
В современной физике в основе объяснения мира лежат две фундаментальные теории - квантовая теория и теория относительности Эйнштейна. Хотя они и пересекаются, но относятся к разным уровням наблюдения. Квантовая теория необходима для изучения явлений на микроуровне (атомы, ядерные и субъядерные феномены), теория относительности относится к астрономическим скоростям и расстояниям.
Характерные черты КРКМ:
- Корпускулярно-волновой дуализм.
- Основным материальным объектом является квантовое поле, переход которого из одного состояния в другое меняет число частиц. Основная особенность элементарных частиц – универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость.
- Движение – частный случай физического взаимодействия. Известны 4 вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Они описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи всегда конечна и не может превышать скорость света в вакууме (300 тыс. км/сек).
- Окончательно утверждается принцип относительности пространства и времени, зависимость их от материи. Пространство-время образуют единый четырехмерный континуум.
- Закономерность и причинность выступают в вероятностной форме, так называемых, статистических законов.
- В картину мира включается наблюдатель, от присутствия которого зависят исследуемые свойства объектов. Мир предстает как мыслеобраз.
К концу ХХ в. облик естествознания существенно изменился. Изменения в фундаментальных науках определяют общие контуры новой научной картины мира. Для нее характерны:
- глобальный эволюционизм – применение идеи развития ко всей материи, в том числе и Вселенной в целом. Эволюционная концепция проникла во все естественные науки – от физики до геологии. Возникающие в результате процессов дифференциации и интеграции новые научные дисциплины изначально эволюционны (экология, биогеохимия, антропология).
- рассмотрение всех процессов природы с точки зрения самоорганизации (теория самоорганизации – синергетика). Синергетика пытается открыть универсальный механизм, осуществляющий самоорганизацию как живой, так и неживой природы. Самоорганизация понимается как спонтанный (самопроизвольный) переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Открытые системы – это системы, которые обмениваются веществом, энергией с внешней средой. Неравновесные – это системы, которые находятся в состоянии, далеком от термодинамического равновесия (= максимальная энтропия, т.е. хаос).
- системность – принцип, согласно которому все в мире, в том числе и сама Вселенная, имеет системную организацию, т.е. образовано из множества элементов разного уровня сложности и упорядоченности. Для системы характерны: интегративность, иерархичность, субординация элементов.
- историчность означает принципиальную незавершенность научной картины мира.
Развитие естествознания вело к смене картин мира, а значит, к смене основных принципов и законов объяснения природы. Этот период развития естествознания принято называть революционным. Научная революция – это интенсивный период развития науки, ведущий к радикальным изменениям в системе знаний, в принципах и методах научного познания. Для научной революции всегда характерно возникновение кризисных ситуаций, связанных с коренной ломкой устоявшихся господствующих представлений о природе. В истории науки выделяют несколько типов научных революций:
частная – затрагивает одну область знания;
комплексная – затрагивает ряд областей знания;
глобальная – радикально меняет основания науки.
В истории науки глобальных революций было три: В VI – IV вв. до н.э. возникла наука как рациональный способ познания мира; ХVI-ХVII вв. – революция привела к созданию классического естествознания; ХХ в. – научно-техническая революция – вела не только к радикальным изменениям в науке и технике, но и к масштабным социально-экономическим преобразованиям, в том числе качественным изменениям в производительных силах общества.
Итак, глобальная научная революция означает «потрясение основ», в результате которого происходит смена парадигм. В истории развития естествознания принято выделять три глобальные научные революции и называть по именам ученых, сыгравших в них решающую роль: аристотелевская, ньютоновская и эйнштейновская.
В VI – IV вв. до н.э. возникла наука как рациональный способ познания мира. Аристотель создал формальную логику – науку о доказательстве, главный инструмент выведения и систематизации знания. Аристотель впервые предметно дифференцировал научное знание: отделил науки о природе от метафизики (философии) и математики. Аристотелевские нормы научности знания, способы обоснования в науке успешно использовались в течение 1000 лет, а законы формальной логики действуют и поныне.
Революция в естествознании, начавшаяся в 90-х гг. ХIХ в. и продолжавшаяся до середины ХХ в. также носила глобальный характер. Она началась в физике, а затем распространилась на все остальные науки.
I этап (90-е гг. ХIХ в. – 20-е гг. ХХ в.): были сделаны открытия, в корне изменившие научные представления о мире,-
электромагнитных волн (Герц);
коротковолнового электромагнитного излучения (Рентген);
радиоактивности (Беккерель);
электрона (Томсон);
светового давления (Лебедев);
идеи кванта (М. Планк);
создание теории относительности (Эйнштейн) и др.
Крушение прежних представлений о материи и ее строении, свойствах, формах движения и типах закономерностей, о пространстве и времени получило название «кризиса физики», которое обозначало кризис механистических оснований классической науки.
II этап (сер. 20-х гг. – 40-е гг. ХХ в.) – создание квантовой механики и соединение ее с теорией относительности в новой квантово-релятивистской картине мира.
III этап (40-е – 70-е гг. ХХ в.) - овладение атомной энергией, создание ЭВМ и кибернетики, начало освоения космоса и развитие космонавтики и др. Научная революция соединяется с технической, что приводит к НТР.
В настоящее время происходит очередная глобальная революция, в результате которой рождается новая наука – постнеклассическая, в которой сосуществуют несколько парадигм.
4. Классическое, неклассическое и постнеклассическое естествознание
Тенденции современного естествознания.
Классическая наука сложилась в результате революции ХVI – ХVII вв. и охватывает период с ХVIII в. по 20-е гг. ХХ в., т.е. до появления квантово-релятивистской картины мира.
Специфика классической науки:
- стремление к завершенной системе знаний;
- ориентация на классическую механику, ее законы и принципы;
- механическая картина мира: мир – гигантский механизм.
- механистический детерминизм, который трактовал все типы взаимосвязи и взаимодействий как механические и отрицал объективный характер случайности. (Б. Спиноза: случайным мы называем явление только по причине недостатка наших знаний о нем.) Следствием механистического детерминизма является фатализм – учение о всеобщей предопределенности явлений.
- субстанционализм – поиск первоосновы.
- принцип отражения – познание как зеркальное отображение действительности, следствием чего является признание объективности знания.
- принцип абсолютности знания – знание абсолютно достоверно, а потому и неизменно.
- Механицизм и метафизика: природа - неизменное, всегда тождественное, неразвивающееся целое. (Метафизика понимается здесь как познание явлений вне связи и вне развития.) Отсюда следует, что если все в мире подчиняется законам механики, то человек – тоже машина, а жизнь ничтожна и случайна. Все существующее подчиняется действию, так называемых, динамических закономерностей, которые повторяются в каждом конкретном случае и имеют однозначный характер. Механистический детерминизм абсолютизировал динамические закономерности. Утверждалось, что, зная состояние объекта в исходный момент времени, можно определенно предсказать его состояние в любой другой момент времени, т.е. механический процесс носит линейный характер, а время обратимо.
Основные черты неклассической науки (10-20-е гг. – 70-80-е гг. ХХ в.):
- отказ от классической механики как основы познания и объяснения действительности, замена ее квантово- релятивистскими теориями;
- разрушение классической модели мира – механизма. На смену пришла модель мира-мысли;
- смена стиля мышления как отказ от механистических и метафизических установок;
- вероятностный детерминизм выражается в отказе от динамических и введении статистических закономерностей. Статистические закономерности проявляются в массе явлений, имеют форму тенденции и описывают состояние объекта с определенной долей вероятности. Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов и поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость здесь проявляется через действие множества случайных факторов. Пример статистических закономерностей – законы квантовой механики и законы в обществе и истории. Понятие вероятности в статистических закономерностях выражает степень возможности наступления, осуществимости явления или события в конкретных условиях. Вероятность – это количественное выражение (мера) возможности: если вероятность события равна единице, то это действительность, при вероятности ноль – наступление события невозможно, между единицей и нулем – вся шкала возможностей;
- активная роль исследователя в познании, признание влияния исследователя, приборов и условий на проводимый эксперимент и полученные в ходе него результаты;
- отказ от субстанционализма, т.к. материя неисчерпаема вглубь.
Основные черты постнеклассической науки (с 80-х гг. ХХ в.):
- глобальный эволюционизм: идея эволюции вышла за рамки биологии, естествознание ведет поиск закономерностей и механизмов эволюции на всех уровнях организации материи;
- самоорганизация материальных систем: развитие сложных, открытых, нелинейных, неравновесных систем ведет к переходу их в неустойчивое состояние, выход из которого осуществляется путем перестройки элементов системы, возникает согласование поведения элементов, приводящее в качественно новое состояние с упорядоченной структурой. Поскольку существует множество возможных ходов развития, то выбор одного из них случаен. Порядок возникает из хаоса, случайность встроена в механизм эволюции;
- антропный принцип: наблюдатель осознает себя частью исследуемого мира, активно взаимодействует с наблюдаемым объектом. Поэтому Вселенная такова, какая она есть, потому, что в ней существует человек (наблюдатель);
- плюрализм истины: нет застывшего, неизменного образа объекта;
- антиредукционизм: отказ от возможности объяснить сложное чем-то простым, элементарным. Мир состоит не из элементов-кирпичиков, а из совокупности процессов – вихрей, волн, турбулентных движений, и представляет собой бесконечное многообразие взаимодействующих открытых систем с обратной связью.
- комплексность науки: преобладают процессы интеграции, ведущие к интенсификации междисциплинарных исследований.
Основные понятия темы:
Парадигма (Т. Кун) – признанная научным сообществом модель постановки и решения проблем.
Принцип фальсификации (К. Поппер) – это принцип, позволяющий отличать научное знание от ненаучного, утверждающий принципиальную опровергаемость любой научной теории.
Естественнонаучная картина мира (ЕНКМ) – система важнейших принципов и законов, лежащих в основе объяснения природы как единого целого.
Принцип дальнодействия (Ньютон) – взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных посредников.
Принцип редукционизма – сведение закономерностей более высоких форм движения материи к законам простейшей формы – механической.
Принцип детерминизма – признание всеобщей обусловленности явлений и событий. Механистический детерминизм признает необходимость и отрицает случайность в природе. Вероятностный детерминизм рассматривает случайность как форму проявления необходимости.
Принцип близкодействия (Фарадей) – любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.
Вероятность - количественное выражение (мера) возможности наступления какого-либо события (явления) в конкретных условиях.
Корпускулярно-волновой дуализм – признание двойственной природы объектов микромира, которые одновременно обладают свойствами волны и частицы (корпускулы).
Динамические закономерности характеризуют поведение изолированных, индивидуальных объектов и позволяют установить точно определенную связь между отдельными состояниями объекта, они выражают однозначный характер связи.
Статистические закономерности – результат взаимодействия большого числа элементов и характеризуют их поведение в целом. Иначе их называют законами средних величин.
Глобальный эволюционизм – применение идеи развития ко всей материи, в том числе и Вселенной в целом.
Синергетика – теория самоорганизации.
Научная революция – это интенсивный период развития науки, ведущий к радикальным изменениям в системе знаний, в принципах и методах научного познания.
Тема 4. История естествознания
1. Знание о природе в древних цивилизациях
Тяжелой, полной опасности была жизнь людей в первобытном обществе. Им непрерывно угрожал голод, холод, эпидемии и междоусобные войны. Чтобы обеспечить себя продуктами питания, необходимо было собирать съедобные растения, охотиться на диких зверей, ловить рыбу. Собирательство позволило накапливать знания о свойствах растений и почвы, которые позже сыграли большую роль в распространении земледелия. В процессе охоты древний человек наблюдал за повадками животных. Пещерная живопись свидетельствует о том, что древних интересовало строение тела животных. На стенах пещер сохранились изображения костей, сердца, внутренностей животных. Всё это пригодилось тем, кто позднее начал заниматься скотоводством.
Различные виды знания, приобретаемые первобытными людьми, сохранились в виде ритуалов и мифов. Иначе они не могли быть использованы в первобытном обществе. Любая информация об явлениях природы, культуры, социальной стороне жизни коллектива воспроизводились как в вербальных, так и в ритуально-предметных формах. В мифах запечатлен сложный донаучный опыт культурного развития человечества, причем опыт целиком не религиозный. Наряду с религиозными идеями, культурными обрядами и мистическими ритуалами, в мифах кристаллизуется и позитивный познавательный и практический опыт древних людей.
Многие мифы имели этиологический характер, то есть рассказ о происхождении мира и человека. Этот рассказ не есть объяснение причинных связей, а просто «картинка того, что было». Мифы являются следствием неадекватного отражения сущности явлений в мышлении человека. В них отражены определенные черты объективной реальности, но фрагментарно. В этом аспекте миф не является просто заблуждением. Он дает «чистое» описание некоторой эмпирической совокупности фактов и явлений.
Миф в первобытном обществе составлял мотивацию любого типа деятельности и обычаев, прежде всего ритуалов, являясь важным элементом общественных отношений. Усложнение структуры практики, дифференциация общества обусловили эволюцию мифологии.
Люди древнего каменного века, занимавшиеся присваивающим хозяйством (охота, собирательство), были неразрывно связаны с природой и зависимы от нее. В эпоху нового каменного века возникает производящее хозяйство, сделавшее человека относительно независимым от окружающей природы. В период неолитической революции, продолжавшейся около семи тысячелетий, как подчеркивается в «Хрониках человечества», были заложены материальные и духовные основы культур Месопотамии, Египта, Китая, Японии и древней Америки.
Коренное изменение материальной и духовной сторон жизни людей произошло (после появления в IV тысячелетии до н.э. письменности) в древних рабовладельческих государствах Шумера и Египта. Появление письменности было вызвано необходимостью регулирования в общегосударственных масштабах ирригационного земледелия, вести учет сбора дани, поддерживать связь с правительственными властями и зарубежными вассалами.
Орошение земель, водоснабжение, прокладывание водных путей сообщения, строительство пирамид, храмов и дворцов невозможно без определенного минимума знаний. Носителями этих знаний была каста жрецов. Они накапливали знания в области астрономии, математики, химии, фармакологии, медицины, психологии, использовали гипноз, разрабатывали и тщательно готовили ритуальные действия, чтобы вызвать уважение и страх, возбудить надежду и веру и тем самым эффективнее осуществлять контроль над обществом.
Вавилоняне изобрели систему письменного исчисления в математике, создали замечательную для столь глубокой древности алгебру и зачатки геометрии. Высшим достижением древнее египетской геометрии были вычисления точной формулы объема усеченной пирамиды с квадратным основанием, площадей треугольника, прямоугольника, трапеции, круга.
Развитие наблюдений за планетами привело вавилонян к уяснению правильной последовательности их отдаления от Земли. Важное практическое значение имело установление древними египтянами солнечного календаря, с «жестко закрепленными датами» (в отличие от лунного, месяцы которого свободно «гуляли по сезонам года»).
В древнем Египте впервые определили продолжительность года, здесь возникла медицина в современном значении этого слова. В начале III тысячелетия до н. э. были накоплены знания в области терапии, хирургии, офтальмологии. Во второй половине III тысячелетия до н. э. в Египте появился первый учебник по хирургии. В 2300 году до н. э. был составлен шумерский сборник врачебных рецептов, где в качестве лечебных средств использовались растения.
На протяжении тысячелетий шло непрерывное накопление сведений и наблюдений о процессах и предметах природы: о жизни животных и движении звезд, о развитии растений и свойствах различных материалов. Так возник огромный запас эмпирических знаний о том, как плавить металлы, делать стекло, получать вину и уксус, пользоваться целебными травами, люди узнали очень давно. Древний Китай знал сейсмограф и магнитную иглу, создал бумагу; шумеры придумали гальваническую ванну; майя разработали методы трепанации черепа.
Таким образом, в сакральных цивилизациях наука еще не выделилась специфическую сферу духовной деятельности. Теоретическое мышление, будучи элементом религиозно-этических представлений, не приобрело самостоятельного развития. Здесь происходило переплетение элементов научного знания с мистикой и суеверием (астрономии с астрологией, математики с кабалистикой, медицины с магией). Зачатки математических и других рационально-практических познаний, измерения, счет, наблюдения мореплавателей еще не получили интегрированного выражения в соответствующих теориях.
2. Античная наука о природе
Впервые наука в истории человечества возникает в Древней Греции в VI веке до н. э. В отличие от ряда древних цивилизаций (Египта, Вавилона, Ассирии) именно в культуре Древней Греции обнаруживаются характерные особенности зарождающейся науки. Древнегреческие мыслители были одновременно и философами, и учеными. Господство натурфилософии обусловило такие особенности древнегреческой науки, как абстрактность и отвлеченность от конкретных фактов. Каждый ученый стремился представить все мироздание в целом, совсем не беспокоясь об отсутствии достаточного фактического материала о явлениях природы. Вместе с тем, достижения античных мыслителей в математике и механике навечно вошли в историю науки.
В ранней древнегреческой натурфилософии господствовала идея о некоторых исходных первоначалах, лежащих в основе мироздания. К таким первоначалам относили четыре стихии (воду, воздух, огонь, землю), либо некое мифическое первовещество – апейрон. Но уже в этот период на смену подобным представлениям о мире приходит стройное по тому времени атомистическое учение о природе. Представителями атомизма были Левкипп, Демокрит, Эпикур, а в натурфилософии Древнего Рима – Тит Лукреций Кар. Основные принципы их атомистических воззрений можно свести к следующим положениям:
1. Вся Вселенная состоит из мельчайших материальных частиц – атомов и незаполненного пространства – пустоты.
2. Атомы неуничтожимы, вечны, а потому вся Вселенная существует вечно.
3. Атомы представляют собой мельчайшие, неизменные, непроницаемые и абсолютно неделимые частицы, которые находятся в постоянном движении, изменяют свое положение в пространстве.
4. Различаются атомы по форме, величине, тяжести и т. д.
5. Все предметы материального мира образуются из атомов различных форм и различного порядка их сочетаний.
Одним из величайших ученых и философов античности был Аристотель. В круг его научных интересов входили математика, физика, астрономия, биология. В истории науки Аристотель известен как автор космологического учения, которое оказало огромное влияние на миропонимание многих последующих столетий. Космология Аристотеля – это геоцентрическое воззрение: Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывает в центре Вселенной. Вокруг Земли распределена вода, затем воздух, затем огонь. Огонь простирается до орбиты Луны – первого небесного тела. Небесные тела вращаются вокруг Земли по круговым орбитам, они прикреплены к материальным, сделанным из эфира, вращающимся сферам. Космология Аристотеля включала представление о пространственной конечности мироздания. В этой конечной протяженности космоса расположены твердые кристально-прозрачные сферы, на которых неподвижно закреплены звезды и планеты. Их видимое движение объясняется вращением указанных сфер. С крайней сферой соприкасается Перводвигатель Вселенной, под ним Аристотель понимал Бога.
Историческая заслуга Аристотеля в том, что он стал основателем системы знаний о природе – физики. Центральное понятие аристотелевской физики – понятие движения. Аристотель разработал первое в истории науки учение о движении – механику. Все механические движения он разбил на две большие группы: движение небесных тел в надлунном мире (круговое движение) и движение тел в подлунном мире (насильственные и естественные). Аристотель высказывал интересные идеи и в биологии. Он не только описывал мир живого, он заложил традицию систематизации видов животных. Он первый поставил классификацию животных на научную основу, группируя виды не только по их сходству, но и по родству. Всех животных Аристотель подразделил на кровяных и бескровных. Такое деление соответствует современному делению на позвоночных и беспозвоночных. Аристотель вводит в биологию понятие аналогичных и гомологичных частей тела, идею о сходстве путей эмбриогенеза у животных и человека, понятие «лестницы существ», то есть расположения живых существ на определенной шкале и т.д.
Геоцентрическая космология Аристотеля была впоследствии математически оформлена и обоснована Клавдием Птолемеем (90-168). Птолемей по праву считается одним из крупнейших ученых античности. Он серьезно занимался математикой, увлекался географией, много времени посвящал астрономическим наблюдениям. Главный труд Птолемея - «Математическая система». Греческий оригинал был утерян, но сохранился его арабский перевод, который много позднее, уже в XII веке был переведен на латынь. Он существенно дополнил и уточнил теорию движения Луны, усовершенствовал теорию затмений. Птолемей разработал математическую теорию видимого движения планет, которая основывалась на следующих постулатах: шарообразность Земли, удаленность от сферы звезд, равномерность и круговой характер движений небесных тел, неподвижность Земли, центральное положение Земли во Вселенной. Теория Птолемея позволяла предвычислять сложные петлеобразные движения планет (их ускорения и замедления, состояния и попятные движения). На основе созданных Птолемеем астрономических таблиц положение планет вычислялось с весьма высокой по тем временам точностью (погрешность менее 10''). В течение длительного времени система Птолемея была не только высшим достижением теоретической астрономии, но и ядром античной картины мира.
Геоцентрическая система мира Аристотеля-Птолемея просуществовала чрезвычайно долго – вплоть до опубликования знаменитого труда Н. Коперника, заменившего эту систему гелиоцентрической.
Древнегреческая натурфилософия прославилась вкладом ее представителей в формирование и развитие математики. Прежде всего следует отметить знаменитого древнегреческого мыслителя Пифагора. На счету этого античного ученого имеется целый ряд научных достижений. К их числу помимо «теоремы Пифагора» относится открытие того факта, что отношение диагонали и стороны квадрата не может быть выражено целым числом и дробью. Тем самым в математику было введено понятие иррациональности.
Одним из крупнейших ученых-математиков античности был Евклид, живший в III веке до н. э. В своем объемистом труде «Начала» он привел в систему все математические достижения того времени. Созданный Евклидом метод аксиом позволил ему построить здание геометрии, которая по сей день носит его имя.
Известным ученым, математиком и механиком античности был Архимед (287-212 до н. э.). Он решил ряд задач по вычислению площадей поверхностей и объемов, определил значение числа π (представляющего собой отношение длины окружности к своему диаметру). Архимед ввел понятие центра тяжести и разработал методы его определения для различных тел, дал математический вывод законов рычага. Ему приписывают «крылатое» выражение: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю». Архимед положил начало гидростатике, которая нашла широкое применение при проверке изделий из драгоценных металлов и определении грузоподъемности кораблей. Широкое распространение получил закон Архимеда, касающийся плавучести тел. Научные труды Архимеда имели выход и на практику. Ему принадлежат многочисленные изобретения: так называемый «архимедов винт» (устройство для подъема воды на более высокий уровень), различные системы рычагов, блоков, винтов для поднятия больших тяжестей, военные метательные машины. Архимед был одним из последних представителей естествознания Древней Греции.
3. Эпоха Средневековья: религиозная картина мира и естественнонаучное познание
После расцвета античной культуры на европейском континенте наступил длительный период застоя и даже регресса – отрезок времени более 1000 лет, который принято называть Средневековьем. Этот упадок объяснялся все убыстряющимся разложением рабовладельческого общества, которое сопровождалось большими потрясениями в Европе. В образовавшихся государствах жизнь ушла в деревню. Среди самых высших слоев общества царило глубокое невежество. Единственными очагами грамотности были монастыри.
Особенности феодальной жизни привели к тому, что прямые наследники культуры древних греков возвратились к самым примитивным представлениям о природе. «Небо повисло над Землей и сжимало ее в ужасных объятиях».
Культура Средневековья не знала науки в строгом понимании. Астрология, алхимия, натуральная магия представляли собой сплав априоризма, умозрительности и грубого наивного эмпиризма. Единственно возможным способом научно - теоретического освоения мира стала схоластическая натурфилософия. В соответствии с интерпретаторским характером схоластики сложились основные методы средневековой «науки»: компиляция; систематизация; классификация; комментарий и универсальные способы выражения средневековой учености: энциклопедия; словник; сумма.
В начале VII века Исидор Севильский (ок.560 – 636 гг.) в 20 книгах «Этимологии» (своеобразной энциклопедии раннего средневековья) изложил сведения по медицине, естествознанию, геометрии и т.п.
В VIII веке аббат Фульдского монастыря Грабан (Рабан) Мавр выпустил энциклопедический сборник «de Universo libri XXII», в котором были собраны сведения из многих наук, но они не были оригинальными, а почти полностью представляли собой выписки из трактатов античных ученых.
Наряду с ними широкое распространение получил алхимический рецепт как особая форма познавательно-практического освоения действительности.
«Огоньком» в средневековой тьме называют арабский Восток, столица которого становится в начале IX века центром научной деятельности. В VII и особенно IX – X веках арабские ученые сделали важные открытия в области геометрии, тригонометрии, астрономии и географии. Крупнейшим математиком и астрологом IX века был Сабит Ибн Корра. Именно в его переводах дошли до нас сочинения Архимеда, которые сохранились в греческом оригинале. Знание античных медиков осмыслил таджикский мыслитель Абу-Али Ибн Сина (Авиценна) и объединил их с медицинскими предписаниями своего времени в «Каноне лечебной науки». Здесь затрагивались также вопросы астрономии и минералогии.
Фундаментальные работы по математике, астрономии, физике, ботанике, географии, общей геологии и минералогии создал ученый-энциклопедист, современник Авиценны, Абу-Рейхан аль Бируни. Мыслитель допускал возможность движения Земли вокруг Солнца. В области минералогии и геологии он впервые установил плотность и удельный вес многих минералов и металлов.
С конца XI века намечаются некоторые сдвиги в изучении природы на западе Европы. Они были вызваны серьезными переменами в экономике. К этому времени повышается эффективность сельского хозяйства, возникают ремесла, развивается торговля, усиливается рост городов. Крестовые походы способствует знакомству Европы с культурными достижениями Востока.
В XII-XIII вв. европейская научная литература обогатилась большим числом латинских переводов с арабского и греческого языков. Стали доступными сочинения Евклида, Архимеда, Птолемея, Аль-Хорезми, Сабита Ибн Корры, Ибн Сины.
Толчком к возрождению описательного естествознания послужили сочинения Альберта Великого (ок. 1193 – 1280 г. г.). В своих трудах он проявил обширные знания не только в области алхимии и астрономии, но и в физике, географии, биологии и ботанике.
Основы для развития экспериментального метода в естественных науках заложил Роберт Гроссетет (1168-1258 г. г.). Он считается пионером эмпирического доказательства аристотельского естествознания.
Во второй половине XIII в. польский физик и оптик Виттелий (ок. 1125 – 1280 г. г.), занимаясь исследованиями в области оптики, сделал ряд открытий, в частности объяснил явления радуги как результат преломления солнечных лучей отдельными каплями воды.
Роль экспериментального метода в естествознании обосновывает в своих трудах Роджер Бэкон (1214 – 1294 г. г.). В сочинении «Великое дело» он дал энциклопедический анализ науки, включая достижения предшествующих поколений. Р. Бэкон развивает новое представление о материи, которую он отделяет от Бога, о фигурах тел, о движении, о времени и вечности. Он указывает на то, что живые и неживые тела природы состоят из одних и тех же материальных частиц. Он высказал ряд гениальных для того времени научных догадок (о телескопе, летательных аппаратах, порохе). Еще при жизни ему присвоили титул «удивительный доктор», несмотря на то, что он за свои идеи подвергался преследованию. Он разработал проект реформы юлианского календаря, которая, однако, была осуществлена спустя три века.
Томас Брадвардин (1290 – 1349 г. г.) предпринял первую попытку разработать математические начала натурфилософии. Он стремился математически выразить зависимость между скоростью, движущей силой и сопротивлением. Он разрабатывал учения о континууме, актуальной и потенциальной бесконечности.
Смелостью, новизной и парадоксальностью поражало физическое учение Николая из Отрекура. Он возрождает атомистическое учение древних. По его мнению, рождение и разрушение тел состоит в том, что атомы, сцепляясь, образует тела, а рассеиваясь в пространстве, производят их разложение. Как и Николай из Отрекура, вопросами физики и механики интересовался профессор Парижского университета Жан Буридан. Он стремился объяснить, каким образом движения небесных тел могут вечно продолжаться сами собой, без посторонних двигателей, после того, как Бог дал им в начале сотворения известный импульс, сохраняющийся в дальнейшем в силу обычного божьего содействия. Созданная им динамическая «теория импетуса» была мостом, соединившим динамику Аристотеля с динамикой Галилея. Согласно этой теории при падении тела тяжесть запечатлевает в нем импетус, поэтому скорость тела во время падения возрастает. Величина импетуса определяется и скоростью, сообщенной телу, и качеством материи этого тела. Импетус расходуется в процессе движения на преодоления трения: когда импетус растрачивается, тело останавливается. Эта идея стала предпосылкой для перехода к понятию инерция. Теория импетуса способствовала уточнению и переосмыслению понятия силы. Его развитие пошло по двум направлениям: сила как внешнее воздействие на тело (Ньютон); сила как количество движения, т.е. факторы, связанные с самим движущимся телом (Декарт).
Большой вклад в разработку проблемы движения внес Николь Орем, преподаватель Парижского университета (1323 – 1382 г. г). Он впервые представил графическое изображение движения, которое напоминало разработанный впоследствии метод координат. Он сформулировал закон падения тел, развивая учение о суточном вращении Земли.
В XV – XVI в.в. фактически заканчивается эпоха Средневековья, начинается эпоха Возрождения, которая ознаменовалась возрастанием интереса к природе. Переход от Средневековья к Новому времени ознаменовался началом первой глобальной научной революции и становлением классического естествознания.
4. Эпоха Возрождения: революция в мировоззрении и науке.
Предпосылки классической науки
Научная революция, которая произошла в эпоху Возрождения в XV–XVI веках и подготовила возникновение классического естествознания, была обусловлена всем ходом социокультурных преобразований Западной Европы. Становление капиталистических отношений и промышленный переворот вели к существенному прогрессу науки и техники, способствовали радикальным изменениям в мировоззрении общества и индивида. Менялся не только социальный статус человека, но и менялось представление о его месте и роли в мире. Человек – это Творец. Если Бог – это Творец Вселенной, то человек – преобразователь природы и жизни, и Богом ему отведено особое место в мире.
Революция в мировоззрении эпохи Возрождения вела к радикальным изменениям в отношении к Природе, к Богу, к самому себе. Теоцентрическая картина мира заменяется и постепенно вытесняется антропоцентрической. Однако, эта – картина, в которой два центра: Бог и Человек, два Творца мира. Такой целостный образ мира опирался на пантеизм – учение о тождестве Бога и Природы («Бог во всем»), и на гуманизм – признание человека, его свободы и достоинства высшей ценностью.
Польский астроном Николай Коперник (1473 – 1543 г. г.) на основе большого количества астрономических наблюдений и расчетов создал новую гелиоцентрическую систему мира. В этой системе Коперник низвел Землю до роли рядовой планеты, которая одновременно вращается вокруг Солнца и вокруг собственной оси. В своем труде «Об обращении небесных сфер» Коперник утверждал, что движение – это естественное свойство небесных и земных механизмов, выражаемое некоторыми общими закономерностями механики. Это учение опровергало догматизированное представление Аристотеля о «неподвижном перводвигателе», приводящем в движение Вселенную, и разрушало опиравшуюся на идеи Аристотеля религиозную картину мира. Вместе с тем польский астроном считал, что Вселенная конечна, она где-то заканчивается твердой сферой, на которой закреплены неподвижные звезды. Вселенная похожа на мир в скорлупе.
Философское обоснование идеям Коперника дал знаменитый итальянский философ Джордано Бруно (1548 – 1600). Он настаивал на том, что Вселенная бесконечна, что существует множество миров, подобных нашему миру, многие из них обитаемы. Инквизиция в 1592 году арестовала Джордано Бруно. 8 лет он находился в тюрьме, где подвергался страшным пыткам . 17 февраля 1600 года он был сожжен на костре, на Площади Цветов в Риме. Это произошло на рубеже двух веков, ознаменовавшемся рождением классического естествознания.
Большую роль в формировании предпосылок классического естествознания сыграл Г. Галилей.
5. Галилео Галилей и его роль в становлении классической науки
Галилео Галилея (1564 – 1624) называют «отцом современного естествознания». Именно он стоял у истоков классической механики и экспериментального естествознания. До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения, выработанное Аристотелем и сводившееся к следующему принципу: тело движется только при наличии внешнего на него воздействия, и, если это воздействие прекращается, тело останавливается. Галилей показал, что этот принцип Аристотеля является ошибочным, и сформулировал совершенно иной принцип, получивший впоследствии наименование принципа инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется равномерно и прямолинейно, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия. Большое значение для становления механики как науки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы, как утверждал Аристотель. Пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. При этом траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и земного притяжения, является параболой. Галилею принадлежит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника, и многое другое.
Истинное знание, по мнению Галилея, достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения, опыта и математики. Интересны астрономические наблюдения Галилея, обосновывающие и утверждавшие гелиоцентрическую систему Коперника. Он приводит естественнонаучное доказательство справедливости гелиоцентрической системы в работе «Диалог о двух системах мира – Птолемеевской и Коперниковой».
Галилей успел многое: разработал экспериментально - математический метод и обосновал его принципы; сформулировал принцип инерции, принцип относительности, законы свободного падения тел, дал строгое определение понятий скорости и ускорения; с помощью сконструированного им телескопа он экспериментально доказал справедливость учения Коперника.
6. И. Ньютон и его роль в становлении классической науки
Исаак Ньютон (1643-1727) завершил процесс становления классического естествознания, четко сформулировав механические законы всех процессов движения и взаимодействия макроскопических тел и создав для их описания математический язык бесконечно малых. В этом было отступление от атомистических воззрений, но это привело к значительному продвижению в описании и понимании природы. Несмотря на то, что в настоящее время его подход кажется естественным и очевидным на фоне абстрактных представлений современной физики, и с него начинают знакомство с этой наукой в школе, в то время понадобилось почти семьдесят лет, чтобы этот подход окончательно утвердился в умах ученых. Дав свое определение понятиям скорости, ускорения, силы, массы, Ньютон сформулировал законы динамики в виде связей между этими величинами. Проанализировав законы движения небесных тел, обнаруженных Т. Браге и И. Кеплером, он установил закон всемирного тяготения, введя в науку меру гравитационного взаимодействия тел в нашей Вселенной. В результате стало возможным точно предсказывать солнечные затмения и понять природу морских приливов. Отличительной чертой классической механики являлась обратимость движений во времени, что следовало из соответствующих уравнений. При описании механических процессов в различных системах координат, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, следовало использовать принцип относительности Галилея. Согласно этому принципу на ускорения тел, возникшие в результате их силового взаимодействия, относительное движение систем отсчета никакого влияния не оказывает. При этом никакими механическими опытами невозможно установить, какая именно из систем движется. Для расчета достаточно было просто сложить скорость движения тела в данной системе отсчета и скорость относительного движения систем отсчета. Поэтому можно выбрать наиболее удобную систему отсчета и работать с ней. Например, в движущемся вагоне отпущенный камень упадет вдоль вертикальной прямой, но при наблюдении с неподвижной платформы его траектория будет иметь вид кривой линии - параболы. Если описать движение (и предсказать положения камня) в системе движущегося вагона (что проще), то, чтобы сказать, когда и в какой точке он будет при наблюдении с платформы, достаточно просто учесть относительную скорость (скорость вагона) в конечном ответе.
. Научное наследие И.Ньютона разнообразно: создание дифференциального и интегрального исчисления (параллельно с Лейбницем, но независимо от него), важные астрономические наблюдения, которые Ньютон проводил с помощью собственноручно построенных зеркальных телескопов. Он внес большой вклад в развитие оптики: он поставил опыты по изучению дисперсии света (дисперсия света – разложение луча света при прохождении через призму на отдельные спектральные лучи) и дал объяснение этому явлению.
В 1687 году вышел главный труд Ньютона «Математические начала натуральной философии», заложивший основы современной теоретической физики. Свою научную программу Ньютон назвал «экспериментальной философией», подчеркивая решающее значение опыта, эксперимента в изучении природы. Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физику и эксперимент, определили направление развития естествознания на многие десятилетия вперед.
7. Научная революция XVI-XVII веков, ее ход, содержание и основные итоги
Отрезок времени примерно от даты публикации работы Николая Коперника «Об обращениях небесных сфер», т.е. с 1543 г., до деятельности Исаака Ньютона обычно называют периодом «научной революции». Научная революция XVI-XVII в.в. представляет собой мощное движение, которое обретает характерные черты в работах Галилея, идеях Бэкона, Декарта и впоследствии получает свое завершение в классическом механическом образе Вселенной, подобной часовому механизму.
Все началось с астрономической революции Коперника, Тихо Браге, Кеплера и Галилея – наиболее выдающихся ее представителей. Шаг за шагом меняется образ мира, с трудом, но неуклонно разрушаются опоры космологии Аристотеля – Птолемея. Коперник помещает в центр мира вместо Земли Солнце. Тихо Браге устраняет материальные сферы, которые согласно старой космологии вовлекали в свое движение планеты, а идею материальной сферы заменяет современной идеей орбиты. Кеплер предлагает математическую систематизацию открытий Коперника и завершает революционный переход от теории кругового движения планет («совершенного» в понимании старой космологии) к теории эллиптического движения. Галилей показывает ошибочность различения физики земной и физики небесной, доказывая, что Луна имеет ту же природу, что и Земля, и формулирует принцип инерции. Ньютон в своей теории гравитации объединяет физику Галилея и физику Кеплера.
Однако за те 150 лет, которые отделяют Коперника от Ньютона, меняется не только образ мира, меняется образ человека, но постепенно меняется также и образ науки. Научная революция XVI-XVII в.в. – это не только создание новых теорий, одновременно это коренное изменение представлений о знании, о науке. Этот итог революции Галилей объяснил очень четко: наука больше не является ни особой интуицией отдельного мага или просвещенного астролога, ни комментарием к авторитету Аристотеля, который все сказал. Наука становится исследованием и раскрытием мира природы.
У истоков классического естествознания стоял Г.Галилей. Он создал экспериментальное естествознание, обосновав научный метод. В результате наука приобретает автономию от веры и философии. Начиная с Галилея, наука намерена исследовать не что, а как, не субстанцию, а функцию.
Еще один важный итог научной революции – превращение науки в социальный институт: возникновение академий, лабораторий, международных контактов (вспомним переписку ученых).
Другая фундаментальная характеристика научной революции – формирование знания, которое в отличие от предшествующего объединяет теорию и практику, науку и технику, создавая новый тип ученого. Он больше не маг или астролог, владеющий частным знанием посвященных, и не университетский профессор, комментатор и интерпретатор текстов прошлого. Научная революция порождает современного ученого-экспериментатора, сила которого – в эксперименте, становящемся все более строгим благодаря новым измерительным приборам, все более и более точным. Деятельность ученого нового типа часто протекает вне старых структур познания, например, университетов. В XVI и XVII веках университеты и монастыри уже больше не являются, как это было в средневековье, единственными центрами культуры. Инженер или архитектор, проектирующий каналы, плотины, укрепительные сооружения, занимает равное или даже более престижное положение, чем врач, придворный астроном, профессор университета. «Механические искусства» раньше считались «низкими, презренными», недостойными свободного человека. Теперь они стали приравниваться к «свободным искусствам», т.е. интеллектуальному труду. Это сближение техники и науки, их последующее слияние рождает современную науку и составляет ее суть. Науку создали ученые, но развивается она благодаря технологической базе, машинам и инструментам. «Широкое поле для размышлений, - пишет Галилей в «Беседах о двух новых науках», - представляет наблюдательному уму практика в вашем знаменитом арсенале, господа венецианцы, и особенно в том, что касается механики: каждый инструмент и механизм постоянно используют разные мастера, среди которых… есть очень опытные и умнейшие люди». Наука утверждается с помощью экспериментов, которые осуществляются на конкретном материале с помощью испытательных приборов, созданных вручную с использованием инструментов. Чтобы стать ученым теперь не обязательно знание латыни, не требовалась знакомство с книгами или университетская кафедра. Публикации в «Актах» академий и участие в научных обществах были доступны всем – профессорам, экспериментаторам, ремесленникам, дилетантам. Наука распространяется через книги, периодические издания, частные письма, деятельность научных обществ, но не через университетские курсы. Обсерватории, лаборатории, музеи, мастерские, дискуссионные клубы зарождаются вне университетов.
Научная революция проявилась и в быстром росте и совершенствовании инструментария – компаса, весов, механических часов, астролябий, печей и т.д., которые быстро модернизируются. В начале XVI века весь инструментарий сводился к немногим предметам, связанным с астрономическими наблюдениями и топографическими открытиями, а в механике применялись рычаги и блоки. Теперь же в течение всего лишь нескольких десятилетий появляются телескоп Галилея (1610), микроскоп Мальпиги (1660), Гука (1665) и Ван Левенгука, циклоидальный маятник Гюйгенса (1673), воздушный термометр Галилея (1638), водяной термометр Жана Рея (1632), спиртовой термометр Магалотти (1666), барометр Торричелли (1643), пневматический насос Роберта Бойля (1660) и т.п. Главная задача инструментов, по мнению ученых, - усиливать познавательные способности органов чувств. И в то же время использование оптических инструментов, таких, как призма или тонкие металлические пластинки (например, в опытах Ньютона), позволяет характеризовать их не только как вспомогательное средство для увеличения возможностей органов чувств, но и как способ устранить обман зрения. Проникая внутрь объектов, инструмент обеспечивает большую объективность по сравнению со свидетельствами чувств. В это же время возникает и другая важная проблема инструмента – искажение исследуемого объекта. В важной полемике Ньютона и Гука по поводу теории цветов и функционировании призмы возникло существенное разногласие. Гук оценил опыты Ньютона с призмой, отмечая их точность и изящество, но он отверг гипотезу о том, что белый цвет может иметь сложную природу. Гук считал, что цвет не является исходной принадлежностью лучей. По его мнению, белый цвет – продукт движения частиц, проходящих через призму. А это означает, что рассеивание цветов – результат искажения, образуемого призмой. Эта проблема инструмента – исказителя исследуемого объекта в дальнейшем развитии физики (в XX веке) возникнет вновь.
Деятельность Галилея и Кеплера по раскрытию законов механики успешно продолжил английский ученый Исаак Ньютон (1643 – 1727 г.г.). Его научное наследие чрезвычайно разнообразно. Он открыл три закона механики, сформулировал закон всемирного тяготения, динамически обосновав систему Коперника и законы Кеплера. Открытие закона всемирного тяготения оказало огромное влияние на дальнейшее развитие естествознания. Это был универсальный закон природы, которому подчинялось все малое и большое, земное и небесное. На основе ньютоновской классической механики сложилась картина мира, которая представляла Вселенную как совокупность огромного числа неделимых и неизменных атомов, перемещающихся в абсолютном пространстве и времени, взаимосвязанных силами тяготения, мгновенно передающихся от тела к телу через пустоту. Свойства пространства и времени неизменны и не зависят от самих тел. Природа, согласно этой картине мира, являет собой простую машину, части которой подчиняются жесткой детерминации.
8. Естествознание в XVIII-XIX вв.
В ХVIII в. естествознание остается в целом механистическим. Физика, выделившись из натурфилософии, была нацелена главным образом на количественные исследования отдельных явлений, установление отдельных экспериментальных фактов, выявление частных закономерностей.
В первой половине ХVIII в. были достигнуты определенные результаты в изучении электрических явлений. Изобретение А. Вольтом источника постоянного тока открыло дорогу стремительному развитию физики и тех ники электричества. В 80-е годы ХVIII в. Ш. Кулон установил основной закон электричества. Таким образом, к концу ХVIII в. прояснилась природа электричества.
Химия в начале XVIII в. отставала в своем развитии от других наук. Вcе дело в том, что количественные методы, разработанные Галилеем и Ньютоном практически не применялись в химии. Не осознавалась важность точных измерений. Однако к концу ХVIII в. ученые накопили большой экспериментальный материал, который был систематизирован в рамках единой теории. Создателем этой теории стал французский химик А.Лавуазье. Проведя целую серию опытов, он установил закон сохранения массы, который стал краеугольным камнем химии XIX в.
Астрономия в XVIII в. становится наукой, основанной на постоянных исчислениях. Поэтому не удивительно, что среди астрономов были в то время математики: Ж. Л. Д'Аламбер, Л.Эйлер, Ж. Д. Лагранж.
В биологии XVIII в. важное место занимала систематика. Шведский натуралист К. Линней разработал систему классификации растений и животных, в которой было выделено несколько соподчиненных групп: классы, отряды, роды, виды и разновидности. Им была узаконена бинарная или двойная номенклатура видовых названий.
Сформулированная в космогонии идея развития природы постепенно переходит в биологию. Французский естествоиспытатель Ж.Бюффон одним из первых в развернутом виде изложил концепцию трансформизма (ограниченной изменчивости видов и происхождения видов в пределах относительно узких подразделений).
Особенностью развития естествознания во второй половине XVIII в. и на протяжении XIX в. является процесс его стихийной диалектизации. Начало этому процессу положила работа немецкого ученого и философа Иммануила Канта (1724 – 1804) «Всеобщая естественная история и теория неба». В этой работе, опубликованной в 1755 году, была сделана попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы. Гипотеза Канта утверждала, что Солнце, планеты и их спутники возникли из некоторой первоначальной, бесформенной туманной массы, некогда равномерно заполнявшей мировое пространство. Кант пытался объяснить процесс возникновения Солнечной системы действием сил притяжения, которые присуще частицам материи, составляющим эту огромную туманность. Идеи Канта о возникновении и развитии небесных тел были несомненным завоеванием науки середины XVIII века. Его космогоническая гипотеза поколебала прочность метафизического взгляда на мир. Через 40 с лишним лет французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас (1749–1827) в своем труде «Изложение системы мира», опубликованном в 1796 г., совершенно независимо от Канта высказал идеи, развивавшие и дополнявшие кантовское космогоническое учение (гипотеза Канта-Лапласа). В XIX веке диалектическая идея развития распространилась на широкие области естествознания. В первую очередь, на геологию и биологию. Важную роль в утверждении этой идеи сыграл трехтомный труд «Основы геологии» английского естествоиспытателя Чарльза Лайеля (1797 – 1875). В этом труде подчеркивалась идея развития очень длительного существования Земли. Геологический эволюционизм оказал немалое влияние на дальнейшее совершенствование эволюционного учения в биологии. В 1859 году вышел главный труд Чарльза Дарвина (1809 – 1882) «Происхождение видов в результате естественного отбора». В нем Дарвин, опираясь на огромный естественнонаучный материал, изложил факты и причины биологической эволюции. Он показал, что вне саморазвития органический мир не существует и поэтому органическая эволюция не может прекратиться. Развитие – это условие существования вида, условие его приспособления к окружающей среде. Наряду с фундаментальными работами, раскрывающими процесс эволюции, развития природы, появились новые естественнонаучные открытия, подтверждавшие наличие всеобщих связей в природе. К числу этих открытий относится клеточная теория, созданная в 30-х годах XIX века. Ее авторами были ботаники Маттиас Якоб Шлейден (1804 – 1881), установивший, что все растения состоят из клеток, и профессор, биолог Теодор Шванн (1810 – 1882), распространивший это учение на животный мир. Еще важное открытие этого времени – закон сохранения и превращения энергии. Первооткрывателем этого закона считают немецкого врача Юлиуса Роберта Майера (1814 – 1878) и английского исследователя Джеймса Прескотт Джоуля (1818 – 1889). В отстаивании этого закона и его широком признании в научном мире большую роль сыграл один из наиболее знаменитых физиков XIX века Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821 – 1894). Признавая приоритет Майера и Джоуля в открытии закона сохранения энергии, Гельмгольц установил, что в соответствии с этим принципом идея вечного двигателя невозможна. Доказательство сохранения и превращения энергии утверждало идею единства, взаимосвязанности материального мира. Вся природа рассматривалась как непрерывный процесс превращения универсального движения материи из одной формы в другую. Свой вклад в диалектизацию естествознания внесли и некоторые открытия в химии. К их числу относится открытие в 1828 году немецким химиком Фридрихом Велером (1800 – 1882) искусственного органического вещества – мочевины. Оно положило начало целому ряду синтезов органических соединений из исходных неорганических веществ. Эпохальным событием в химической науке, внесшим большой вклад в процесс диалектизации естествознания, стало открытие периодического закона химических элементов Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834 – 1907). Он обнаружил, что существует закономерная связь между химическими элементами, которая заключается в том, что свойства элементов изменяются в периодической зависимости от их атомных весов. Обнаружив эту закономерную связь, Менделеев расположил элементы в естественную систему в зависимости от их родства. Из вышесказанного следует, что основополагающие принципы диалектики – принцип развития и принцип всеобщей связи – получили во второй половине XVIII века и особенно в XIX веке мощное естественнонаучное обоснование.
Механистические взгляды на мир господствовали в естествознании не только в XVII, XVIII , но и почти весь XIX век. В целом природа понималась как гигантская механическая система, функционирующая по законам классической механики. Считалось, что в силу необходимости, действующей в природе, судьба даже отдельной материальной частицы заранее предрешена на все времена. Ученые-естествоиспытатели видели в классической механике прочную и окончательную основу естествознания. Многие естествоиспытатели вслед за Ньютоном старались объяснить, исходя из начал механики самые различные природные явления. При этом они неправомерно экстраполировали законы, установленные лишь для механической сферы явлений, на все процессы окружающего мира. Длительное время теории, объяснявшие закономерности соединения химических элементов, опирались на идею тяготения между атомами. Лаплас был убежден, что к закону всемирного тяготения сводятся все явления, известные ученым. Исходя из этого, он работал над созданием новой, молекулярной механики, которая, по его мнению, была призвана дополнить механику Ньютона и объяснить химические реакции, капиллярные явления, феномен кристаллизации, а также то, почему вещество может быть твердым, жидким или газообразным. Лаплас видел причины всего этого во взаимном притяжении между молекулами, которое, считал он, есть только «видоизменение всемирного тяготения». Как очередное подтверждение ньютоновского подхода к вопросу об устройстве мира было первоначально воспринято физиками открытие, сделанное французским военным инженером, членом парижской Академии наук Шарлем Огюстом Кулоном (1736 – 1806). Оказалось, что положительный и отрицательный электрические заряды притягиваются друг к другу прямо пропорционально величине зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Это означало, что в науке впервые появился один из законов электромагнетизма. После Кулона открылась возможность построения математической теории электрических и магнитных явлений. Механическая картина мира знала только один вид материи – вещество, состоящее из частиц, имеющих массу. В XIX веке к числу свойств частиц стали прибавлять электрический заряд. Английский химик и физик Майкл Фарадей (1791 – 1867) ввел в науку понятие электромагнитного поля. Ему удалось показать опытным путем, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Таким образом, он впервые объединил электричество и магнетизм, признал их одной и той же силой природы. В результате в естествознании начало утверждаться понимание того, что, кроме вещества, в природе существует еще и поле. Математическую разработку идей Фарадея предпринял выдающийся английский ученый Джеймс Клерк Максвелл (1831 – 1879). Его основной работой, заключавшей в себе математическую теорию электромагнитного поля, явился «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 г. Введение Фарадеем понятия электромагнитного поля и математическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явились самыми крупными событиями в физике со времен Галилея и Ньютона. Но потребовались новые результаты, чтобы теория Максвелла стала достоянием физики. Решающую роль в победе этой теории сыграл немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857 – 1894). В 1886 году Герц продемонстрировал «беспроволочное распространение» электромагнитных волн и тем самым экспериментально проверил теоретические выводы Максвелла. Он также смог доказать принципиальную тождественность полученных им электромагнитных переменных полей и световых волн. Работы в области электромагнетизма положили начало крушению механистической картины мира и открыли путь к новому миропониманию, отличающемуся от механистического. Результаты работ Фарадея, Максвелла и Герца привели к развитию современной физики, к созданию новых понятий, образующих новую картину действительности.
9. Физика на рубеже XIX-XX веков, ее открытия и достижения
Классическая механика господствовала в науке два столетия, идя от одного достижения к другому. Казалось, что ничто не предвещало заминок и неудач. Была создана кинетическая теория газов на основе статистического описания поведения большого числа движущихся частиц атомов или молекул. Были открыты законы термодинамики, создана теория электричества и магнетизма, получены знаменитые уравнения электродинамики Максвелла, объединившие эти теории. Однако оказалось, что, прекрасно описывая явления электромагнетизма, эти уравнения не подчиняются принципам относительности Галилея. Покоящийся и движущийся наблюдатель будут получать разные результаты при рассмотрении процессов взаимодействия движущихся и неподвижных зарядов. Принцип относительности Галилея стал несовместимым с уравнениями Максвелла. К концу XIX века это противоречие затронуло основания физики. Его необходимо было разрешить. В конце концов естествознание вынуждено было отказаться от признания особой, универсальной роли механики. На смену ей постепенно приходило новое понимание физической реальности.
В 1895 году началась научная революция, ознаменовавшая переход к новому способу познания, отражающему глубинные связи и отношения в природе. Она включала в себя как неожиданные открытия (открытия рентгеновских лучей, радиоактивности, и т.д.), так и великие теоретические достижения: квантовая теория М. Планка (1900 г.), специальная и общая теория относительности А. Эйнштейна (1905 – 1906 гг.), атомная теория Резерфорда – Бора в 1913 г. Английский физик и общественный деятель Дж. Бернал назвал этот период в развитии физики героическим. В это время исследуются новые миры главным образом с помощью технических и теоретических средств старой науки XIX века. Это был период в основном индивидуальных достижений: супругов Кюри, Резерфорда, Планка, Бора, Эйнштейна.
Эволюция в науке на рубеже XIX – XX веков принесла немало сенсационных открытий, разрушивших прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменности химических элементов и т.д. В 1895 году В. Рентген открыл невидимые глазом электромагнитные излучения, проникающие через некоторые непрозрачные для видимого света материалы. Эти лучи были названы рентгеновскими. В 1896 году французский физик А. Беккерель открыл явление естественной радиоактивности. Радиоактивное излучение свидетельствовало о наличии внутри атома колоссальных источников энергии и о превращаемости элементов. В 1897 году английский физик Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу – электрон. Открытия радиоактивности и электрона выдвинули проблему внутреннего строения атома. Уяснив, что электрон является составной частью атомов, Дж. Томсон предложил в 1903 году первую (электромагнитную) модель атома. Согласно этой модели, отрицательно заряженные электроны располагаются определенным образом внутри положительно заряженной сферы. При устойчивом состоянии атома электроны располагаются концентрическими слоями. Несмотря на наивность этой модели, представление о слоистом расположении электронов оказалось перспективным.
В 1904 году японский физик Нагаоке пришел к выводу, что атом по своему строению напоминает Солнечную систему, где вокруг положительного ядра вращается кольцо, состоящее из большого числа электронов. Эта модель сначала не привлекла внимания физиков, так как противоречила очевидным фактам. Однако в 1909 – 1910 гг. английский физик Э. Резерфорд обнаружил, что в атомах существуют ядра – положительно заряженные микрочастицы, размер которых чрезвычайно мал по сравнению с размерами атомов. Но масса атома почти полностью сосредоточена в его ядре. Резерфорд разработал новый вариант планетарной модели. В центре атома расположено ядро с размером порядка 10-13 см. Вокруг него вращаются электроны, число которых таково, что общий заряд атома равен нулю. Однако эта модель атома оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла, согласно которой вращающиеся электроны должны непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и падать на ядро, что ведет к неустойчивости атома. Однако это в природе не наблюдается. Электроны, двигающиеся по круговым орбитам вокруг ядра, не только не падали на ядро, но и излучали не непрерывную энергию, а лишь определенными порциями – квантами. Это явление объяснил немецкий физик М. Планк в своей теории, получившей название квантовой.
В 1913 году датский физик Н. Бор, опираясь на теорию М. Планка, разработал квантовую модель атома. В ее основу он положил следующие постулаты: в любом атоме существуют дискетные (стационарные) состояния, находясь в которых атом энергию не излучает; при переходе атома из одного стационарного состояния в другое он излучает или поглощает порцию энергии.
Ядром революции в естествознании на рубеже XIX – XX веков явилось создание новой механики. Размышляя над тем, как примирить электромагнитную теорию Максвелла с классической механикой, А. Эйнштейн в 1905 году пришел к выводу, что принцип относительности справедлив не только в механике, но и в оптике и электродинамике, а видоизменять надо законы и принципы классической механики. Подвергнув глубокому критическому анализу концепцию абсолютного пространства и времени, он создал специальную теорию относительности (ее часто называют релятивистской). В ней рассматриваются явления, для которых силы тяготения слабы или вообще не существуют. Специальная теория относительности представляет собой современную теорию пространства и времени при движении со скоростями, близкими к скорости света. В 1916 году была создана общая теория относительности. Это уже теория не только пространства и времени, но и тяготения. Она открыла реальность нашего искривленного четырехмерного мира пространства–времени. Гравитационное поле может интерпретироваться как следствие искривленного пространства.
Поскольку мы живем в четырехмерном мире, то поведение материальных точек описывается четырьмя координатами и наглядно представить четырехмерное искривленное пространство просто невозможно.
Кривизна реального четырехмерного физического мира меняется от одной области к другой. Она велика вблизи больших масс и выпрямляется вдали от них. Одно из следующих следствий теории относительности – замедление хода времени тяготением, то есть все часы в поле силы тяжести должны замедлять ход и тем больше, чем больше сила тяжести, то есть больше кривизна пространства в данной точке. Это было проверено с необходимой точностью только в 1960 году в 70 футовой башне Гарвардского университета.
Таким образом, научная революция на рубеже XIX – XX веков характеризовалась не только возникновением новых идей, открытием новых неожиданных фактов и явлении, но и преобразованием духа естествознания в целом, возникновением нового способа мышления, глубоким изменением методологических принципов естествознания.
10. Предпосылки и основное содержание новейшей революции в естествознании (XX в.) Становление современной науки
Новейшая революция в естествознании, начавшаяся в 90-х годах XIX века и продолжавшаяся до середины XX века, была глобальной научной революцией, подобной революции XVI-XVII вв. Начавшись в физике, она затем проникла в другие естественные науки, кардинально изменив философские и методологические основания науки, создав феномен современной науки. Первый этап революции, охарактеризованный нами выше, внес значительные изменения в представления о структуре материи, ее свойствах и видах.
Второй этап революции (сер. 20-х гг. – 40-е гг. ХХ в.) был связан с формированием новой квантово-релятивистской картиной мира, основанной на двух фундаментальных теориях этого периода – квантовой механике и теории относительности Эйнштейна. Все предшествующие фундаментальные представления были оспорены и заменены новыми. Вещество больше не рассматривалось как материальная субстанция, время не абсолютно и течет по-разному для объектов, которые движутся с разной скоростью. Вблизи тяготеющих масс время вообще замедляется и при определенных условиях может даже остановиться. Планеты движутся по своим орбитам не потому, что их притягивает некая сила, действующая на расстоянии, но потому, что само пространство, в котором они движутся, искривлено. Субатомные объекты обнаруживали себя и как частицы, и как волны, демонстрируя двойственную природу. Принцип неопределенности в корне подрывал лапласовский механистический детерминизм.
Третий этап (40-е – 70-е гг. ХХ в.) начался с овладения атомной энергией, создания ЭВМ и кибернетики, освоения космоса и развития космонавтики и др. Научная революция соединяется с технической революцией, что приводит к НТР. На лидирующие позиции наряду с физикой начинает претендовать биология. Развитие биосферного подхода привело к новому пониманию феномена жизни. Жизнь перестала восприниматься как случайное явление во Вселенной и превратилась в закономерный этап саморазвития материи. Науки биосферного класса: почвоведение, биогеохимия, биоценология, биогеография изучают системы, в которых происходит взаимопроникновение живой и неживой природы.
Сущность НТР проявляется в превращении науки в непосредственную производительную силу общества, а самого производства – в простое технологическое применение науки. Конкретно этот процесс проявляется во внедрении автоматизации управляемых систем на основе электроники, в использовании новых видов энергии (прежде всего развитие атомной энергетики), в увеличении удельного веса химической технологии, связанной с производством материалов с заранее заданными свойствами, космонавтика.
Начинают формироваться новые представления о Вселенной в целом и обо всех ее проявлениях с точки зрения глобального эволюционизма. Первыми попытались распространить принцип эволюционизма за пределы биологических наук физики. Они выдвинули гипотезу расширения Вселенной, признав несостоятельность предположения о ее стационарности. Вселенная явно развивается, начиная с гипотетического Большого взрыва, давшего энергию для ее формирования и развития. Эта концепция была предложена в 40-е и окончательно утвердилась в 70-е гг. Современный эволюционизм в биологических науках нашел свое проявление в поиске закономерностей и механизмов эволюции сразу на многих уровнях организации живой материи. Основная работа велась (и ведется) на молекулярно-генетическом уровне, в результате чего была создана синтетическая теория эволюции (синтез генетики и дарвинизма). Проникновение принципа эволюционизма в геологию привел к утверждению концепции дрейфа континентов. Возник ряд дисциплин, которые сформировались именно благодаря применению принципов развития и поэтому были эволюционны в самой своей основе: биогеохимия, антропология, экология и т.д.
Одним из важнейших результатов внедрения принципа глобального эволюционизма было возникновение синергетики. Если в классической науке господствовало убеждение, что материи свойственна тенденция к понижению степени ее упорядоченности, стремление к равновесию, т.е. в энергетическом отношении к хаотичности. Однако исследование живых систем давало факты, прямо противоречащие этому. Степень их упорядоченности не только не убывала со временем, а напротив, возрастала. Распространение принципа эволюционизма на все уровни материи сделал это противоречие еще более заметным. Стало очевидным, что для сохранения целостного непротиворечивого представления о мире нужно признать, что в природе, во Вселенной действует не только разрушительный, но и созидательный принцип. Материя способна самоорганизовываться и самоусложняться. Возникла теория самоорганизации, которая стала развиваться по нескольким направлениям – синергетика (Г.Хакен), неравновесная термодинамика (И.Пригожин), теория катастроф (Р.Том). Сформировавшись на базе физических дисциплин – термодинамики, радиофизики и др., в настоящее время синергетика имеет междисциплинарный характер. Ее идеи подводят базу под глобальный эволюционный синтез, осуществляющийся в науке.
В то же время во второй половине ХХ века стала складываться парадоксальная ситуация: с одной стороны, наука предъявила весомые доказательства своей ведущей роли в обществе, с другой стороны, в культуре формировалось и развивалось отрицательное отношение к науке – антисциентизм. Использование научных открытий для создания новых видов оружия и вооружения злодеев средствами массового уничтожения (от ядерного до химического и бактериологического), применение научных достижений для манипулирования сознанием людей, попытки создания в обществе тотального компьютерного контроля, эксперименты с генами животных и людей и др. – все это заставило многих отказаться от своей прежней безоговорочной веры в науку. Все это свидетельствует о кризисе культуры и цивилизации и связанной с ним переоценке ценностей. При этом подвергаются серьезной критике и уточняются место и роль науки, и, прежде всего, естествознания и техники, в жизни общества.
Тема 5. Структурные уровни организации материи
В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета и т.д. может быть рассмотрен как система – сложное образование, включающее составные части, элементы и связи между ними. Элемент в данном случае означает минимальную, далее неделимую часть данной системы.
Совокупность связей между элементами образует структуру системы, устойчивые связи определяют упорядоченность системы. Связи по горизонтали – координирующие, обеспечивают корреляцию (согласованность) системы, ни одна часть системы не может измениться без изменения других частей. Связи по вертикали – связи субординации, одни элементы системы подчиняются другим. Система обладает признаком целостности – это означает, что все ее составные части, соединяясь в целое, образуют качество, не сводимое к качествам отдельных элементов. Согласно современным научным взглядам все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы.
В самом общем смысле слова «система» обозначает любой предмет или любое явление окружающего нас мира и представляет собой взаимосвязь и взаимодействие частей (элементов) в рамках целого. Структура - это внутренняя организация системы, которая способствует связи ее элементов в единое целое и придает ей неповторимые особенности. Структура определяет упорядоченность элементов объекта. Элементами являются любые явления, процессы, а также любые свойства и отношения, находящиеся в какой-либо взаимной связи и соотношении друг с другом.
В понимании структурной организации материи большую роль играет понятие «развитие». Понятие развития неживой и живой природы рассматривается как необратимое направленное изменение структуры объектов природы, поскольку структура выражает уровень организации материи. Важнейшее свойство структуры - ее относительная устойчивость. Структура - это общий, качественно определенный и относительно устойчивый порядок внутренних отношений между подсистемами той или иной системы. Понятие "уровень организации" в отличие от понятия "структура" включает представление о смене структур и ее последовательности в ходе исторического развития системы с момента ее возникновения. В то время как изменение структуры может быть случайным и не всегда имеет направленный характер, изменение уровня организации происходит необходимым образом. Системы, достигшие соответствующего уровня организации и имеющие определенную структуру, приобретают способность использовать информацию для того, чтобы посредством управления сохранить неизменным (или повышать) свой уровень организации и способствовать постоянству (или уменьшению) своей энтропии (энтропия – мера беспорядка).
До недавнего времени естествознание, и другие науки могли обходиться без целостного, системного подхода к своим объектам изучения, без учета исследования процессов образования устойчивых структур и самоорганизации.
В настоящее время проблемы самоорганизации, изучаемые в синергетике, приобретают актуальный характер во многих науках, начиная от физики и кончая экологией. Задача синергетики - выяснение законов построения организации, возникновения упорядоченности. В отличие от кибернетики здесь акцент делается не на процессах управления и обмена информацией, а на принципах построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения (Г.Хакен).
Вопрос об оптимальной упорядоченности и организации особенно остро стоит при исследованиях глобальных проблем - энергетических, экологических, многих других, требующих привлечения огромных ресурсов.
Современные взгляды на структурную организацию материи
В классическом естествознании учение о принципах структурной организации материи было представлено классическим атомизмом. Идеи атомизма служили фундаментом для синтеза всех знаний о природе. В XX веке классический атомизм подвергся радикальным преобразованиям.
Современные принципы структурной организации материи связаны с развитием системных представлений и включают некоторые концептуальные знания о системе и ее признаках, характеризующих состояния системы, ее поведение, организацию и самоорганизацию, взаимодействие с окружением, целенаправленность и предсказуемость поведения и др. свойства.
Наиболее простой классификацией систем является деление их на статические и динамические, которое, несмотря на его удобство все же условно, т.к. все в мире находится в постоянном изменении. Динамические системы делят на детерминистские и стохастические (вероятностные). Эта классификация основана на характере предсказания динамики поведения систем. В первом случае предсказания носят однозначный и достоверный характер. Такие системы исследуются в механике и астрономии. В отличие от них стохастические системы, которые обычно называют вероятностно – статистическими, имеют дело с массовыми или повторяющимися случайными событиями и явлениями. Поэтому предсказания в них имеют не достоверный, а лишь вероятностный характер.
По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы открытые и закрытые (изолированные), а иногда выделяют также частично открытые системы. Такая классификация носит в основном условный характер, т.к. представление о закрытых системах возникло в классической термодинамике как определенная абстракция. Подавляющее большинство, если не все системы, являются открытыми.
Многие сложноорганизованные системы, встречающиеся в социальном мире, являются целенаправленными, т.е. ориентированными на достижение одной или нескольких целей, причем в разных подсистемах и на разных уровнях организации эти цели могут быть различными и даже придти в конфликт друг с другом.
Классификация и изучение систем позволили выработать новый метод познания, который получил название системного подхода. Применение системных идей к анализу экономических и социальных процессов способствовало возникновению теории игр и теории принятия решений. Самым значительным шагом в развитии системного метода было появление кибернетики как общей теории управления в технических системах, живых организмах и обществе. Хотя отдельные теории управления существовали и до кибернетики, создание единого междисциплинарного подхода дало возможность раскрыть более глубокие и общие закономерности управления как процесса накопления, передачи и преобразования информации. Само же управление осуществляется с помощью алгоритмов, для обработки которых служат компьютеры.
Универсальная теория систем, обусловившая фундаментальную роль системного метода, выражает с одной стороны, единство материального мира, а с другой стороны, единство научного знания. Важным следствием такого рассмотрения материальных процессов стало ограничение роли редукции в познании систем. Стало ясно, что чем больше одни процессы отличаются от других, чем они качественно разнороднее, тем труднее поддаются редукции. Поэтому закономерности более сложных систем нельзя полностью сводить к законам низших форм или более простых систем. Как антипод редукционистского подхода возникает холистический подход (от греч. holos – целый), согласно которому целое всегда предшествует частям и всегда важнее частей.
Всякая система есть целое, образованное взаимосвязанными и взаимодействующими его частями. Поэтому процесс познания природных и социальных систем может быть успешным только тогда, когда в них части и целое будут изучаться не в противопоставлении, а во взаимодействии друг с другом.
Современная наука рассматривает системы как сложные, открытые, обладающие множеством возможностей новых путей развития. Процессы развития и функционирования сложной системы имеют характер самоорганизации, т.е. возникновения внутренне согласованного функционирования за счет внутренних связей и связей с внешней средой. Самоорганизация – это естественнонаучное выражение процесса самодвижения материи. Способностью к самоорганизации обладают системы живой и неживой природы, а также искусственные системы.
В современной научно обоснованной концепции системной организации материи обычно выделяют три структурных уровня материи:
мегамир – мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики); мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние измеряется световыми годами, а время миллионами и миллиардами лет;
макромир – мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин: земных расстояний и скоростей, масс и объемов; размерность макрообъектов соотносима с масштабами человеческого опыта – пространственные величины от долей миллиметра до километров и временные измерения от долей секунды до лет.
микромир – мир атомов и элементарных частиц – предельно малых непосредственно ненаблюдаемых объектов, размерность от 10-8 см до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с.
Изучение иерархии структурных уровней природы связано с решением сложнейшей проблемы определения границ этой иерархии как в мегамире, так и в микромире. Объекты каждой последующей ступени возникают и развиваются в результате объединения и дифференциации определенных множеств объектов предыдущей ступени. Системы становятся все более многоуровневыми. Сложность системы возрастает не только потому, что возрастает число уровней. Существенное значение приобретает развитие новых взаимосвязей между уровнями и со средой, общей для таких объектов и их объединений.
Микромир, будучи подуровнем макромиров и мегамиров, обладает совершенно уникальными особенностями и поэтому не может быть описан теориями, имеющими отношение к другим уровням природы. В частности, этот мир изначально парадоксален. Для него не применим принцип «состоит из». Так, при соударении двух элементарных частиц никаких меньших частиц не образуется. После столкновения двух протонов возникает много других элементарных частиц – в том числе протонов, мезонов, гиперонов. Феномен «множественного рождения» частиц объяснил Гейзенберг: при соударении большая кинетическая энергия превращается в вещество, и мы наблюдаем множественное рождение частиц. Микромир активно изучается. Если 50 лет назад было известно всего лишь 3 типа элементарных частиц (электрон и протон как мельчайшие частицы вещества и фотон как минимальная порция энергии), то сейчас открыто около 400 частиц. Второе парадоксальное свойство микромира связано с двойственной природой микрочастицы, которая одновременно является волной и корпускулой. Поэтому ее невозможно строго однозначно локализовать в пространстве и времени. Эта особенность отражена в принципе соотношения неопределенностей Гейзенберга.
Наблюдаемые человеком уровни организации материи осваиваются с учетом естественных условий обитания людей, т.е. с учетом наших земных закономерностей. Однако это не исключает предположения о том, что на достаточно удаленных от нас уровнях могут существовать формы и состояния материи, характеризующиеся совсем другими свойствами. В связи с этим ученые стали выделять геоцентрические и негеоцентрические материальные системы.
Геоцентрический мир – эталонный и базисный мир ньютонова времени и эвклидова пространства, описывается совокупностью теорий, относящихся к объектам земного масштаба. Негеоцентрические системы – особый тип объективной реальности, характеризующийся иными типами атрибутов, иным пространством, временем, движением, нежели земные. Существует предположение о том, что микромир и мегамир – это окна в негеоцентрические миры, а значит, их закономерности хотя бы в отдаленной степени позволяют представить иной тип взаимодействий, чем в макромире или геоцентрическом типе реальности.
Еще одна типология материальных систем имеет сегодня достаточно широкое распространение. Это деление природы на неорганическую и органическую, в которой особое место занимает социальная форма материи. Неорганическая материя – это элементарные частицы и поля, атомные ядра, атомы, молекулы, макроскопические тела, геологические образования. Органическая материя также имеет многоуровневую структуру: доклеточный уровень – ДНК, РНК, нуклеиновые кислоты; клеточный уровень – самостоятельно существующие одноклеточные организмы; многоклеточный уровень – ткани, органы, функциональные системы (нервная, кровеносная и др.), организмы (растения, животные); надорганизменные структуры – популяции, биоценозы, биосфера. Социальная материя существует лишь благодаря деятельности людей и включает особые подструктуры: индивид, семья, группа, коллектив, государство, нация и др.
Основные понятия темы:
Развитие – необратимое направленное изменение структуры объектов природы.
Структура - это относительно устойчивый порядок внутренних отношений между подсистемами или элементами системы.
Система – определенная целостность, образованная совокупностью взаимодействующих частей, элементов.
Элементы – явления, свойства и отношения, находящиеся во взаимосвязи и соотношении друг с другом в рамках некоторой целостности.
Уровень организации - определенный этап в последовательной смене структур в ходе исторического развития системы с момента ее возникновения.
Мегамир – структурный уровень материи, включающий мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики).
Макромир – мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин (мир земных расстояний и скоростей, масс и объемов).
Микромир – мир атомов и элементарных частиц.
Геоцентрический мир – эталонный и базисный мир ньютонова времени и эвклидова пространства, описывается совокупностью теорий, относящихся к объектам земного масштаба.
Негеоцентрический мир – особый тип объективной реальности, характеризующийся иными типами атрибутов, иным пространством, временем, движением по сравнению с нашим, земным миром.
Стохастический – случайный.
Самоорганизация – процесс взаимодействия элементов, в результате которого происходит возникновение нового порядка или структуры в системе.
Тема 6. Макромир: вещество и поле. Принципы классической физики
1. Корпускулярная и континуальная концепции природы
На смену натурфилософскому подходу к описанию природы приходит механический. Он принес большие успехи, за исключением области оптических и электромагнитных явлений, где механика была бессильна, полностью их объяснить. В рамках своего механического понимания мира И. Ньютон создал корпускулярную теорию света: свет – это поток материальных частиц. Светящиеся тела излучают частицы, движущиеся в соответствии с законами механики, и вызывают ощущения света при попадании в глаз. На основе этой теории Ньютон объяснял законы отражения и преломления света.
Х. Гюйгенс (нидерландский ученый) сформулировал волновую теорию, которая по аналогии с движением волн на поверхности воды объясняла движение света. В пространстве существует упругая среда – светоносный эфир. Главный аргумент, который он приводил в защиту своей теории, - факт пересечения двух лучей света, которые пронизывают друг друга точно также как два ряда волн на воде. Против этой теории был такой факт: волны обтекают препятствие, а световой луч этого делать не может. Тень от непрозрачного предмета, помещенного на пути света, имеет резкую границу. Итальянский физик Гримальди с помощью увеличительных линз обнаружил на границах тени слабые участки освещенности в виде перемежающихся светлых и темных полос – ореолов. Это явление получило название дифракции света (разломанный). Однако авторитет Ньютона был настолько высок, что именно его теория света пользовалась признанием, хотя и не могла объяснить явление дифракции.
В нач. ХIХ в. английский физик Т. Юнг и французский физик О. Френель объяснили явление интерференции – появление темных полосок при наложении света на свет. Парадокс: свет, добавленный к свету, не обязательно дает усиление, а может дать более слабый свет или даже темноту. Так как свет – это колебания упругой среды, при наложении волн в противоположных фазах они уничтожают друг друга, поэтому появляются темные полосы.
В области электромагнитных явлений Фарадей и Максвелл показали неадекватность механической модели. Датский физик Эрстед открыл явление электромагнетизма: стрелка компаса, помещенного над проводником, по которому шел электрический ток, отклонялась. Фарадей ввел понятие «силовые линии». Он был убежден, что оптика и электричество взаимосвязаны и образуют единую область – «поле сил». Максвелл дал математическую разработку идеи Фарадея и рассматривал поле как самостоятельную физическую реальность. Фарадей предложил гипотезу, Максвелл создал теорию, а немецкий физик Герц дал экспериментальное подтверждение. В физике окончательно утвердилось понятие «поле» как физическая реальность, новый вид материи.
В конце XIX в. физики пришли к выводу, что материя существует в виде дискретного вещества и непрерывного поля. Вещество и поле различаются:
- вещество дискретно, поле непрерывно;
- вещество обладает массой покоя, а поле – нет;
- вещество малопроницаемо, поле полностью проницаемо;
- скорость распространения поля равна скорости света, скорость движения частиц на много порядков меньше.
Таким образом, вещество – вид материи, обладающий корпускулярными свойствами, для его характеристики используются масса покоя, спин, заряд и др.; поле – вид материи, который описывается длиной волны, фазой, амплитудой и их изменениями в пространстве и времени. Понятие поля нашло применение и в механике, где с его помощью был объяснен феномен гравитации.
2. Детерминизм. Динамические и статистические закономерности
Все явления и процессы в мире связаны между собой. Принцип детерминизма является выражением этой взаимосвязи и дает ответ на вопрос, существует ли в мире упорядоченность и обусловленность всех явлений, или же мир есть неупорядоченный хаос. В механической картине мира все связи между явлениями носят однозначный характер, поэтому миром правит необходимость, а случайностям нет места. П. Лаплас утверждал, что если бы мы в данный момент знали обо всех явлениях природы, то смогли бы логически вывести все события будущего. Следствием механистического детерминизма является фатализм.
Центральным понятием детерминизма является «закон». Закон понимается как объективная, всеобщая, необходимая, повторяющаяся связь между явлениями.
Отличительной особенностью законов классической механики состоит в том, что предсказания, полученные на их основе, носят достоверный и однозначный характер. Они получили название динамических. Динамические закономерности характеризуют поведение изолированных, индивидуальных объектов и позволяют установить точно определенную связь между отдельными состояниями объекта. Иначе говоря, динамические закономерности проявляются в каждом конкретном случае строго однозначно. Механистический детерминизм абсолютизировал динамические закономерности. Позже выяснилось, что не все явления подчиняются динамическим законам. В механике Ньютона и электродинамике Максвелла господствовал классический детерминизм, в рамках которого формируются динамические законы, однозначно связывающие физические параметры отдельных состояний объекта. Наряду с ними в науке с середины XIX века стали все шире применяться законы другого типа. Их предсказания не являются однозначными, а только вероятными. Именно это обстоятельство долгое время служило препятствием для признания их в науке как полноценных законов. Они рассматривались как вспомогательное средство для обобщения и систематизации эмпирических фактов. Эти законы получили название статистических.
Статистические закономерности проявляются в массе явлений и имеют форму тенденции. Эти законы называют вероятными, поскольку они описывают состояние индивидуального объекта лишь с определенной долей вероятности. Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов и поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость в статистических закономерностях проявляется через действие множества случайных факторов. Эти законы, как и динамические, являются выражением детерминизма. Понятие вероятности в рамках статистического закона выражает степень возможности осуществления явления в конкретной совокупности условий. Вероятность есть количественное выражение возможности, шкала которой располагается от 0 до 1. При вероятности, равной нулю, данное событие никогда не наступает, при вероятности, равной единице, это событие наступает в каждом конкретном случае.
Поскольку динамические законы выражали необходимый характер связи, обеспечивающий точность и достоверность предсказания, их называли детерминистскими. Эта терминология сохранилась до настоящего времени, когда статистические законы по традиции называют индетерминистскими, что не соответствует действительности.
Итак, и динамические, и статистические закономерности выражают детерминизм. Однако это совершенно разные формы.
Классический, или лапласовский, детерминизм основан на представлении, согласно которому весь окружающий мир – это огромная механическая система, поэтому все будущие состояния ее строго предопределены ее начальным состоянием. В основе этой формы детерминизма лежат универсальные законы классической физики.
Вероятностный детерминизм опирается на статистические законы.
Когда сравнивают эти формы выражения регулярности в мире, то обычно обращают внимание на степень достоверности их предсказаний. Строго детерминистские законы дают точные предсказания в тех областях, где можно абстрагироваться от сложного характера взаимодействия между телами, отвлекаться от случайностей и тем самым значительно упрощать действительность. Однако такое упрощение возможно лишь при изучении простейших форм движения. Когда же переходят к исследованию сложных систем, состоящих из большого числа элементов, индивидуальное поведение которых трудно поддается описанию, тогда обращаются к статистическим законам, опирающимся на вероятностные предсказания.
Таким образом, в современной концепции детерминизма органически сочетаются необходимость и случайность. Поэтому мир и события в нем не являются ни фаталистически предопределенными, ни чисто случайными, ничем не обусловленными. Классический детерминизм чрезмерно подчеркивал роль необходимости за счет отрицания случайности в природе и поэтому давал искаженное представление о картине мира. Признание самостоятельности статистических законов, отображающих существование случайных событий, дополняет прежнюю картину строго детерминистского мира. В результате этого необходимость и случайность выступают как взаимосвязанные аспекты, случайность понимается как форма проявления необходимости. Таким образом, детерминизм становится вероятностным.
3. Основные принципы термодинамики. Значение законов термодинамики в описании явлений природы
Статистическое описание природы находит свое воплощение в термодинамике. Термодинамика базируется на двух основных законах.
Закон сохранения энергии. Он выполняется во всех явлениях природы и подтверждается опытом человечества.
Q = U – A, где U – внутренняя энергия, A – работа.
Тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил. В другой редакции этот закон звучит так: нельзя построить действующую машину, которая бы совершала работу, больше подводимой к ней извне энергии (вечный двигатель первого рода невозможен).
Тепловые процессы протекают самопроизвольно только в определенном направлении, такие процессы называются необратимыми. То есть тепло перетекает от более нагретого тела к менее нагретому.
Второе начало термодинамики указывает на существование двух форм энергии – теплоты (связанной с неупорядоченным, хаотическим движением) и работы, связанной с упорядоченным движением. Немецкий физик Р. Клаузиус использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии австрийский физик Л. Больцман интерпретировал в терминах изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок (хаос) в системе.
Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает (второе начало термодинамики).
Таким образом, такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой работа становится невозможной. В точке термодинамического равновесия энтропия максимальна. Поскольку об изменении систем в классической термодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии, то энтропия и выступает в качестве своеобразной стрелы времени.
Отличие термодинамической модели от классической механики: необратимость времени.
Отличие от эволюционной теории Дарвина: эволюция – это естественный отбор и усложнение организации систем; термодинамическая же система движется к дезорганизации систем.
Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную предпринял Р. Клаузиус, выдвинув два постулата:
1. Энергия Вселенной всегда постоянна.
2. Энтропия Вселенной всегда возрастает.
Все процессы во Вселенной направлены в сторону термодинамического равновесия – состояния, характеризующегося наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. Во Вселенной должна наступить «тепловая смерть».
Живые организмы, являясь открытыми системами, постоянно обмениваются с окружающей средой веществом и энергией; получая энергию, организмы упорядочиваются, т.е. снижается энтропия. Но если рассматривать систему «организм – среда» в целом, энтропия постоянно растет.
Законы классической механики строго инвариантны, неизменны относительно изменения знака времени: замена «+t» на « -t» ничего в них не меняет. Поэтому и говорят, что механика обратима. Если мы абсолютно точно знаем начальные координаты и импульсы частиц, то можем узнать сколь угодно далекое прошлое и сколь угодно далекое будущее системы. Конечно, практически это осуществить невозможно, ни один компьютер не справится с такой задачей. Главное то, что мы можем это сделать теоретически. В мире ньютоновской механики все события раз и навсегда предопределены, это мир строгого детерминизма, в нем нет места случайностям.
А вот согласно второму началу термодинамики, в изолированной системе все процессы протекают только в одном направлении – к максимальной энтропии, возрастанию хаоса, что сопровождается рассеянием энергии. Проблема, которая потребовала своего решения, выглядела так: как можно вывести необратимость термодинамики из обратимости механики?
Эту проблему пытался решить во второй половине XIX века Л. Больцман. Он обратил внимание на то, что термодинамическая необратимость имеет смысл только для большого числа частиц: если частиц мало, то система оказывается фактически обратимой. Для того чтобы согласовать микроскопическую обратимость с макроскопической необратимостью, Больцман использовал вероятностное описание системы. Однако вскоре было показано, что уже само по себе вероятностное описание в неявном виде содержит представление о существовании "стрелы времени", и поэтому доказательство Больцмана нельзя считать корректным решением проблемы.
Сам Больцман пришел к выводу, что вся бесконечная Вселенная в целом обратима, а наш мир представляет собой по космическим меркам микроскопическую флуктуацию. А в середине XX века пулковский астроном Н.А. Козырев попытался создать необратимую механику, в которой "стрела времени" имеет характер физической реальности и служит источником энергии звезд. Но точка зрения Больцмана допускает возможность нарушения причинности в отдельных достаточно обширных областях Вселенной, а точка зрения Козырева вводит в описание природы некую особую физическую сущность, подобную «жизненной силе».
4. Основные понятия, законы и принципы классической физики
Классическая физика понимается как фундаментальная база исследования макрообъектов. Для иллюстрации этого положения рассмотрим следующий пример. Как движется автомобиль? Поступательное движение поршней в цилиндрах преобразуется во вращательное движение колес. Колеса отталкиваются от поверхности дороги, и в результате автомобиль перемещается в пространстве по отношению к окружающим предметам. Все эти процессы изучает «Механика». Началом «цепочки» механических движений является движение поршня, который толкает газообразная смесь в камере сгорания. Процессы в газах изучает «Молекулярная физика». Часть энергии рабочей смеси преобразуется в энергию поршня, а часть «выбрасывается» в виде теплоты вместе с отработанными газами, расходуется на последующее сжатие рабочей смеси и т.д. Эти энергетические процессы, от которых зависят КПД и мощность двигателя, изучает «Термодинамика». Электромагнитные процессы в системе зажигания изучает «Электродинамика». Поскольку эти процессы формируются с помощью транзисторов микросхем и других устройств, которые основаны на квантовых явлениях, то они изучаются «Квантовой физикой».
Таким образом, движение автомобиля представляет собой сумму самых разных явлений. Различные специальные дисциплины изучают отдельные явления, агрегаты и узлы автомобиля. Это связано с их сложностью и привело к дифференциации науки. Однако самое первое описание движения автомобиля связано с основными законами классической физики.
Самый простой вид движения материи в макромире – это перемещение тел по отношению к другим телам. Для его описания используются основные понятия кинематики: движение, скорость, ускорение, относительность движения, система отсчета, материальная точка, траектория и т.п. и основные законы, объясняющие механическое движение, - законы Ньютона:
Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. (Закон инерции).
Изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует (второй закон – главный закон динамики).
Действие всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, т.е. взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны (третий закон).
Согласно законам механики – основной причиной движения является действие сил. Поэтому анализу понятия силы в классической физике уделяется большое внимание. Силы делятся на: силу упругости (она связана с деформацией тел) и силу трения. Природа этих сил связана с электрическим взаимодействием между атомами; силу тяготения (ее называют силой тяжести, под ее действием свободные тела падают на Землю). Сила тяготения часто проявляется в виде веса – силы, с которой тело действует на опору; силу инерции.
Существуют разные формы движения материи (механическая, тепловая, электрическая и т.д.), которые могут переходить друг в друга. Поэтому физика использует важнейшее понятие, выражающее меру перехода одних форм движения в другие, - это энергия. Важнейшие законы классической физики – законы сохранения:
Закон сохранения энергии: энергия не уничтожается и не создается, а может лишь переходить из одной формы в другую.
Закон сохранения импульса: если сумма внешних сил равна нулю, импульс системы тел остается постоянным при любых происходящих в ней процессах.
В современной физике эти важнейшие законы сохраняют свое фундаментальное значение, они выполняются всегда и везде, не только в макромире, но и в космосе и в микромире.
Несмотря на то, что классическая термодинамика была составной частью классической физики, однонаправленность тепловых процессов принципиально отличала их от механических. Любое механическое движение обратимо, т.е. может происходить как в прямом, так и в обратном направлении через те же промежуточные состояния: вращение маховика, качание маятника и т.п. При этом в уравнениях движения меняется лишь знак времени: вместо
t следует использовать –t. Это означает, что механическое движение симметрично по отношению к изменению знака времени. Тепловые процессы в этом смысле существенно отличаются: они необратимы, не симметричны по отношению к изменению знака времени. Время всегда течет в одну сторону, так называемая «стрела времени».
Все реальные процессы протекают с увеличением энтропии, т.е. ведут к установлению теплового равновесия. Из этого следует, что всякая упорядоченность в окружающем мире постепенно исчезает, плотности частиц и температуры выравниваются, энергия рассеивается, со временем прекращается вообще всякое направленное движение, всякая жизнь, останется только молекулярный хаос. Долгое время умы не только физиков, но и философов занимала идея тепловой смерти Вселенной.
Сосуществовавшие концепции описания природы – корпускулярная и континуальная – взаимоисключали друг друга, так как считалось, что они относятся к разным сферам реальности. Поэтому обнаружение двойственной природы у одних и тех же объектов означало для классической физики потрясение всех ее основ и получило название «кризиса физики».
Основные понятия темы:
Корпускулярная концепция природы описывает все явления и процессы природы как движение частиц.
Континуальная концепция природы описывает все явления и процессы как
Вещество – вид материи, обладающий корпускулярными свойствами.
Поле – вид материи, который представляет собой взаимодействие частиц и описывается длиной волны, фазой и амплитудой.
Динамические закономерности отображают объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно.
Статистические закономерности отображают объективную закономерность в форме результата взаимодействия большого числа элементов и поэтому характеризуют их поведение в целом.
Закрытые (замкнутые) системы – системы, которые не обмениваются со своим окружением ни массой, ни энергией.
Энтропия – мера беспорядка в системе.
I-е начало термодинамики – закон сохранения энергии.
II-е начало термодинамики – энтропия замкнутой системы постоянно возрастает.
«Тепловая смерть Вселенной» - направленность всех процессов во Вселенной к точке термодинамического равновесия.
Тема 7. Открытые системы и неклассическая термодинамика
1. Закрытые и открытые системы. Энтропия, порядок и хаос
По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы открытые и закрытые (изолированные), а иногда выделяют также частично открытые системы. Впервые представление о закрытых системах возникло в классической термодинамике и представляло собой определенную абстракцию, т.к. подавляющее большинство, если не все системы, являются открытыми.
Для описания энергетических процессов в закрытых системах использовалось понятие энтропии (в переводе с греч. – поворот, превращение) и обозначало меру необратимого рассеяния энергии. Л. Больцман, интерпретировавший это понятие с точки зрения изменения порядка в системе, связал понятия: энтропия, порядок, хаос.
Понятие энтропии оказалось связано с процессами эволюции в системе. Однако эволюция, понятие которой утвердилось в биологии, была связана с усложнением организации, в то время как эволюция в термодинамике связывалась с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалась неразрешимым вплоть до 60-х гг. XX века, пока не появилась неравновесная термодинамика.
Процессы, протекающие в различных явлениях природы, стали разделять на два класса. К первому относятся процессы, протекающие в замкнутых системах. Они развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния в системе. Ко второму классу относятся процессы, протекающие в открытых системах. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в ней происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует меру беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды. В соответствующие моменты – моменты неустойчивости – в них могут возникать малые флуктуации (отклонения от равновесия), способные разрастаться в макроструктуры. В неравновесных термодинамических системах возможны состояния, приводящие не к возрастанию энтропии и стремлению термодинамических систем к равновесному хаосу, а к «самопроизвольному» возникновению упорядоченных структур, к рождению порядка из хаоса. В этом случае хаос выступает в роли активного начала процесса самоорганизации. Самоорганизация – это процесс самопроизвольного формирования структуры более сложной, чем первоначальная. Структуры, образующиеся в процессе самоорганизации, называются диссипативными структурами.
Таким образом, формируется новое представление о хаосе, которое перестает нести негативный смысл. В традиционном понимании хаос – это беспорядок, дезорганизация. В новом понимании хаос – более высокая форма, где случайность и бессистемные импульсы становятся организующим принципом.
Главным направлением физической науки XX века считалась физика элементарных частиц, которая исследовала структуру материи при наиболее высоких энергиях, малых масштабах и коротких отрезках времени и породила современные теории о природе физических взаимодействий и происхождении Вселенной. Однако она так и не смогла ответить на некоторые фундаментальные вопросы: как зародилась жизнь, что такое турбулентность, как во Вселенной, подчиняющейся закону повышения энтропии и неумолимо движущейся к все большему беспорядку, может возникнуть порядок?
Стивен Хокинг, декан физического факультета Кембриджского университета, лауреат Нобелевской премии, космолог, в 1980 г. выступил с обзорной лекцией, посвященной развитию теоретической физики и названной «Не наступает ли конец физической теории?». Он выразил мнение многих ученых о том, что понимание законов природы в терминах хорошо освоенной физики элементарных частиц оставило без ответа вопрос о том, как применить эти законы к любым системам, кроме простейших. Только возникновение науки о хаосе позволило окончательно освободить физику из пут ньютоновского видения мира. Завершилась революция в физике: теория относительности разделалась с иллюзиями Ньютона об абсолютности пространства-времени, квантовая механика развенчала мечту о детерминизме физических событий, и, наконец, теория хаоса развенчала фантазию Лапласа о полной предопределенности развития систем.
Начиная с середины 70-х годов ХХ века ученые осознали, что довольно простые математические уравнения позволяют моделировать системы, столь же неупорядоченные, как самый бурный водопад. Исследователи в США, Европе и в том числе в России начали настойчиво и кропотливо изучать хаотические явления. Математики, физики, биологи, химики стали искать связи между различными типами беспорядочного в природе. В результате было установлено, что полученные закономерности имеют прямое отношение к множеству природных явлений – от очертаний облаков,конфигурации сеточек кровеносных сосудов до скоплений звезд в Галактике и т.д.
2. Концепция «Тепловой смерти Вселенной»
Классическая термодинамика оказалась неспособной решить космологические проблемы, связанные с термодинамическими процессами. Первую попытку распространить законы термодинамики на всю Вселенную предпринял Р. Клаузиус. Он выдвинул два постулата:
Если принять второй постулат, то необходимо признать, что все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимальной энтропии. Для этого состояния характерно наибольшая степень хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть, исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в теплоту, равномерно распределенную во Вселенной.
Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны многих ученых и философов, но в середине XIX века было еще мало научных аргументов для опровержения этой концепции и обоснования альтернативного взгляда. Основные положения концепции «Тепловой смерти Вселенной» по существу сводились к положениям, которые представляют собой трудноразрешимые проблемы даже для современной науки. Это – во-первых, Вселенная рассматривается как замкнутая система; во-вторых, эволюция Вселенной может быть описана как смена ее состояний; в-третьих, для мира как целого состояние с максимальной энтропией имеет смысл, как и для любой конечной системы.
Поэтому первые возражения против этой концепции были связаны с представлением о Вселенной не как замкнутой системы, а как системы, находящейся в переменном гравитационном поле.
Одним из первых физиков, пытавшихся представить будущее Вселенной, был также и Л. Больцман. Он попытался применить к замкнутой Вселенной понятие флуктуации. Под флуктуацией физической величины понимается отклонение истинного значения величины от ее среднего значения, обусловленного хаотическим тепловым движением частиц системы. Согласно так называемому ограничению Максвелла для небольшого числа частиц второе начало термодинамики не должно применяться, т.к. в этом случае о тепловом равновесии нельзя говорить. Поэтому Больцман утверждает, что раз мы имеем дело лишь с видимой частью Вселенной, которая представляет собой небольшую область бесконечной Вселенной, то ко всей Вселенной нельзя применять второе начало термодинамики. Для этой небольшой области допустимы отклонения от равновесия (флуктуации), в результате чего в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной по направлению к хаосу. Формулируя свою флуктуационную гипотезу, Больцман исходил из допущения, что Вселенная уже достигла состояния термодинамического равновесия. Но вследствие возникновения в небольших областях Вселенной микроскопических отклонений от состояния равновесия (флуктуаций) эти зоны находятся в состояниях, вероятности которых возрастают и уменьшаются.
Критика концепции «Тепловой смерти Вселенной» осуществлялась по трем направлениям:
1) в связи с предположением о том, что наряду с энтропийными процессами в природе происходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют наступлению «тепловой смерти» (в т.ч. Больцман).
2) в связи с сомнением в правомерности распространения понятий термодинамики с отдельных систем на всю Вселенную в целом.
3) в связи с созданием синергетического видения Вселенной и ее эволюции.
В 1965 г. Джон Стюарт Белл опубликовал теорему, получившую название «О нелокальности причин». Белл утверждал, что отдельные причины не могут быть изолированы одна от другой, во Вселенной все взаимосвязано. Теорема гласит, что изолированных систем не существует, и что система, даже разделенная на части огромными расстояниями, между которыми отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергии и т.д., функционирует как единая система. Развивая эту идею, американский ученый Дэвид Бом в своей космологии утверждал, что реальность едина и представляет собой неделимую целостность, лежащую в основе всей Вселенной, порождая, поддерживая и контролируя все путем постоянной связи со всем в глубинной структуре целого.
3. Неравновесная термодинамика. Рождение синергетики
Классическая термодинамика рассматривала изолированные системы, которые стремятся к равновесному состоянию, или же частично открытые системы, находящиеся вблизи от точки термодинамического равновесия. Поэтому для описания процессов самоорганизации использовать понятия классической термодинамики не представлялось возможным. Необходимо было ввести новые понятия и принципы, которые бы адекватно описывали реальные процессы самоорганизации, происходящие в природе.
Наиболее фундаментальным из них является понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией или информацией. Поскольку между веществом и энергией существует взаимосвязь, постольку можно сказать, что система в ходе своей эволюции производит энтропию, которая, однако, не накапливается в ней, а рассеивается в окружающей среде. Вместо нее из среды поступает свежая энергия и именно вследствие такого непрерывного обмена энтропия системы может не возрастать, а оставаться неизменной или даже уменьшаться. Из этого следует, что открытая система не может быть равновесной, ее функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается. В результате прежняя взаимосвязь между элементами системы (прежняя структура) разрушается. Между элементами системы возникают новые когерентные (согласованные) отношения, которые приводят к кооперативным процессам и к коллективному поведению ее элементов.
Материальные структуры, способные рассеивать энергию, называются диссипативными. Примером может служить самоорганизация, которая возникает в химических реакциях. Она связана с поступлением извне новых реагентов, то есть веществ, обеспечивающих продолжение реакции и выведение в окружающую среду продуктов реакции. Внешне самоорганизация проявляется здесь в появлении в жидкой среде концентрических волн или в периодическом изменении цвета раствора, например, с синего на красный и обратно («химические часы»). Эти реакции впервые были исследованы отечественными учеными В. Белоусовым и А. Жаботинским. На их экспериментальной основе группой бельгийских ученых во главе с И. Пригожиным была построена теоретическая модель, названная брюсселятором (от названия города Брюссель). Эта модель легла в основу исследований новой термодинамики, которую назвали неравновесной, или нелинейной. Отличительная черта моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации, состоит в том, что в них используются нелинейные математические уравнения.
Изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик Герман Хакен назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает совместное, согласованное действие. Синергетика объясняет процесс самоорганизации следующим образом:
1. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и поэтому неспособна к какой-либо организации. В этом состоянии она достигает максимума дезорганизации. Если же система находится вблизи от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и, в конце концов, придет в состояние полной дезорганизации.
2. Если упорядочивающим принципом для закрытых систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии, т.е. беспорядка, то фундаментальным принципом самоорганизации является возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации (случайные отклонения системы от некоторого среднего положения) в самом начале функционирования системы подавляются и ликвидируются ею. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и, в конце концов, приводят к «развалу» прежнего порядка и возникновению нового порядка. Этот принцип обычно называют как принцип образования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер, а именно с них начинается возникновение нового порядка и структуры, постольку появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.
4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на принцип положительной обратной связи. Согласно этому принципу изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что приводит в результате к возникновению нового порядка и структуры.
5. Процессы самоорганизации сопровождаются нарушением симметрии, свойственной для закрытых равновесных систем. Для открытых систем характерна асимметрия.
6. Самоорганизация возможна лишь в системах, имеющих достаточное количество взаимодействующих между собой элементов. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного, согласованного) поведения элементов системы и возникновения процесса самоорганизации.
Это – необходимые, но не достаточные условия для возникновения самоорганизации в системе. Чем выше уровень организации системы, чем выше она находится на эволюционной лестнице, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, которые приводят к самоорганизации.
Новое понимание хаоса нашло свое выражение в знаменитом «эффекте бабочки», сформулированном Эдвардом Лоренцем, ученым-метеорологом. «Эффект бабочки» гласит: Движение крыла бабочки в Перу через серию непредсказуемых и взаимосвязанных событий может усилить движение воздуха и, в итоге, привести к урагану в Техасе.
Об этом же говорил еще в начале XX века знаменитый математик Анри Пуанкаре. Он пришел к выводу, что совершенно ничтожная величина, в силу этого ускользающая от нашего внимания, вызывает значительное действие, которое мы не могли и предусмотреть.
Казалось бы, все говорит о торжестве случая над предопределенностью. Однако то, что мы называем «случайностью» представляет собой некий порядок, выдающий себя за случайность, порядок, законов которого наука пока не может объяснить. Появился новый термин – аттрактор, который помогает понять происходящие процессы.
И. Пригожин, лауреат Нобелевской премии, в книге «Время, хаос, квант» пишет: «При исследовании того, как простое относится к сложному, мы выбираем в качестве путеводной нити понятие «аттрактора», то есть конечного состояния или хода эволюции диссипативной системы… Понятие аттрактора связано с разнообразием диссипативных систем… Идеальный маятник (без трения) не имеет аттрактора и колеблется бесконечно. С другой стороны, движение реального маятника – диссипативной системы, движение которой включает трение, - постепенно останавливается в состоянии равновесия. Это положение является аттрактором… В отсутствии трения аттрактор не существует, но даже самое слабое трение радикально изменяет движение маятника и вводит аттрактор». Для большей наглядности Пригожин облекает идею в геометрическую форму. Тогда конечная точка движения маятника – аттрактор – представляет собой финальное состояние любой траектории в пространстве.
Однако не все диссипативные системы эволюционируют к одной- единственной конечной точке, как в случае с реальным маятником. Есть системы, которые эволюционируют не к какому-нибудь состоянию, а к устойчивому периодическому режиму. В этом случае аттрактор не точка, а линия, описывающая периодические во времени изменения системы. Были построены изображения аттракторов, которые представляют собой не точку или линию, а поверхность или объем. Полной неожиданностью стало открытие так называемых странных аттракторов. В отличие от линии или поверхности, странные аттракторы характеризуются не целыми, а дробными размерностями.
Наиболее четкую классификацию аттракторов дал американский ученый Билл М. Вильямс, который около сорока лет проводил исследования хаотических процессов рынка. В его исследовании соединились достижения физики, математики и психологии. Он утверждает, что всеми внешними явлениями управляют четыре силы, извлекающие порядок из беспорядка, получившие название аттракторов:
Точечный аттрактор – аттрактор первой размерности – это простейший способ привнести порядок в хаос. Он живет в первом измерении линии, которая составлена из бесконечного числа точек. Он характеризуется как некая устремленность. Так, в человеческом поведении Точечный аттрактор создает психологическую фиксацию на одном желании (или нежелании), и все остальное откладывается до тех пор, пока не будет удовлетворено (уничтожено) это желание.
Циклический аттрактор живет во втором измерении плоскости, которая состоит из бесконечного числа линий. Им характеризуется рынок, заключенный в коридор, где цена движется вверх и вниз в определенном диапазоне в течение некоторого промежутка времени. Этот аттрактор более сложен и является структурой для более сложного поведения.
Аттрактор Торас – еще более сложный аттрактор. Он начинает сложную циркуляцию, которая повторяет себя по мере движения вперед. По сравнению с двумя предыдущими аттрактор Торас вводит большую степень беспорядочности, и его модели более сложны. Графически он выглядит как кольцо или рогалик, он образует, спиралевидные круги на ряде различных плоскостей и иногда возвращается к себе, завершая полный оборот. Его основная черта – это повторяющееся действие.
Странный аттрактор из четвертого измерения. То, что поверхностный взгляд воспринимает как абсолютный хаос, в котором не заметно никакого порядка, имеет определенный порядок, базирующийся на Странном аттракторе. Его можно увидеть, только если наблюдение ведется из четвертого измерения. Его можно представить как множество пульсирующих линий в трехмерном пространстве, подобных вибрирующим струнам. Четырехмерность Странного аттрактора получается за счет добавления пульсаций (вибраций). Важнейшей характеристикой Странного аттрактора является чувствительность к начальным условиям («Эффект бабочки»). Малейшее отклонение от начальных условий может привести к огромным различиям в результате.
Вильямс утверждает, что, когда мы находимся под действием первых трех аттракторов, нами манипулируют, и мы становимся предсказуемыми. Только в динамике Странного аттрактора мы можем быть действительно свободными. Странный аттрактор организует прекрасный мир спонтанности и свободы.
Для описания сложных систем была создана новая геометрия. В 1975 г. Бенуа Мандельброт ввел понятие фрактал (от лат. – расколотый) для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур. Возникновение фрактальной геометрии связано с выходом в 1977 г. книги Мандельброта «Фрактальная геометрия природы». Он писал: «Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в чем-то подобны целому».
Фрактальная геометрия «увидела» парадоксы, поставившие в тупик многих математиков XX века. Это и парадокс «береговой линии», парадокс «снежинка» и др.
Что это за необыкновенная «снежинка»? Представим себе равносторонний треугольник. Мысленно разделим каждую его сторону на три равные части. Уберем среднюю часть на каждой стороне и вместо нее приставим равносторонний треугольник, длина стороны которого составляет одну треть от длины исходной фигуры. Получим шестиконечную звезду. Она образована уже не тремя отрезками определенной длины, а двенадцатью отрезками длиной в три раза меньше исходной. И вершин у нее уже не три, а шесть. Повторим эту операцию вновь и вновь, число деталей в образуемом контуре будет расти и расти. Изображение приобретает вид снежинки. Связная линия, составленная из прямых (или криволинейных) участков и названная кривой Коха, обладает целым рядом особенностей. Прежде всего, она представляет собой непрерывную петлю, никогда не пересекающую саму себя, так как новые треугольники на каждой стороне достаточно малы и поэтому не сталкиваются друг с другом. Каждое преобразование добавляет немного пространства внутри кривой, однако ее общая площадь остается ограниченной и фактически лишь незначительно превышает площадь первоначального треугольника. И, кроме того, кривая никогда не выйдет за пределы окружности, описанной около него. Кривая Коха бесконечной длины теснится в ограниченном пространстве! При этом она представляет собой уже нечто большее, чем просто линия, но все же это еще не плоскость.
Итак, фракталы – это геометрические фигуры с набором очень интересных особенностей: дробление на части, подобные целому, или одно и то же преобразование, повторяющееся при уменьшающемся масштабе. Им присущи изломанность и самоподобие. Фрактальность – это мера неправильности. Например, чем больше изгибов и поворотов имеет речка, тем больше ее фрактальное число. Фракталы могут быть линейными и нелинейными. Линейные фракталы определяются линейными функциями, т.е. уравнениями первого порядка. Они проявляют самоподобие в самом бесхитростном виде: любая часть есть уменьшенная копия целого. Более разнообразным является самоподобие нелинейных фракталов: в них часть есть не точная, а деформированная копия целого. Фракталы описывают весь реальный мир.
Исходя из идеи размерности, Мандельброт пришел к выводу, что ответ на вопрос: сколько измерений имеет тот или иной объект, зависит от уровня восприятия. Например, сколько измерений имеет клубок бечевки? С огромного расстояния он выглядит точкой, имеющей нулевую размерность. Приблизимся к клубку и обнаружим, что это сфера, и у нее три измерения. На еще более близком расстоянии становится различимой сама бечевка, а объект приобретает одно измерение, но скручен таким образом, что задействуется трехмерное пространство. Под микроскопом обнаружим, что бечевка состоит из скрученных протяженных трехмерных объектов, а те, в свою очередь, из одномерных волокон, вещество которых распадается на частицы с нулевой размерностью. То есть в зависимости от нашего восприятия размерность менялась так: нулевая – трехмерная – одномерная – трехмерная – одномерная – нулевая.
Физические системы с фрактальной структурой обладают уникальными свойствами. Фракталы иначе рассеивают электромагнитное излучение, по - другому колеблются и звучат, иначе проводят электричество т.д.
Как ни парадоксально, открытие фрактальных множеств не только установило существование непрогнозируемых процессов, но и научило человека ими управлять, поскольку неустойчивость хаотических систем делает их чрезвычайно чувствительными к внешнему воздействию. При этом системы с хаосом демонстрируют удивительную пластичность. Дерево растет и ветвится вверх, но как точно изогнутся его ветви, никто не скажет. Вот почему говорится, что мир создан из хаоса.
Основные понятия темы:
Самоорганизация - процесс самопроизвольного формирования структуры более сложной, чем первоначальная.
Хаос – состояние, в котором случайность и беспорядочность становятся организующим принципом.
Порядок – организованность системы.
Равновесная термодинамика изучает замкнутые системы, в которых процессы происходят в сторону возрастания энтропии, т.е. образованию беспорядка.
Неравновесная термодинамика изучает открытые сложно организованные системы, в которых происходит самоорганизация.
Аттрактор - конечное состояние или финал эволюции диссипативной системы.
Диссипативные системы – системы, полная энергия которых при движении убывает, переходя в другие виды движения, например, в теплоту.
Точка термодинамического равновесия – состояние с максимальной энтропией.
Флуктуации – случайные отклонения системы от некоторого среднего положения.
Открытая система – система, которая обменивается со своим окружением веществом, энергией или информацией.
Тема 9. Микромир. Квантовая физика
1. Открытие микромира. Принципы квантовой физики
Фундаментальные открытия в области физики конца XIX – начала ХХ вв. обнаружили, что физическая реальность едина и обладает как волновыми свойствами, так и корпускулярными. Исследуя тепловое излучение, М. Планк пришел к выводу, что в процессах излучения энергия отдается не в любых количествах и непрерывно, а лишь определенными порциями – квантами.
Квант – мельчайшая постоянная порция излучения.
Эйнштейн распространил гипотезу Планка о тепловом излучении на излучение вообще и обосновал новое учение о свете – фотонную теорию. Структура света является корпускулярной. Световая энергия концентрируется в определенных местах, и поэтому свет имеет прерывистую структуру – поток световых квантов, т.е. фотонов. Фотон – особая частица (корпускула). Фотон – квант энергии видимого и невидимого света, рентгеновского и гамма-излучений, обладающий одновременно свойствами частицы и волны, не имеющий массы покоя, имеющий скорость света, при определенных условиях порождает пару позитрон+электрон. Эта теория Эйнштейна объясняла явление фотоэлектрического эффекта – выбивание из вещества электронов под действием электромагнитных волн. Наличие фотоэффекта определяется частотой волны, а не ее интенсивностью. За создание фотонной теории А. Эйнштейн получил в 1922 году Нобелевскую премию. Эта теория была экспериментально подтверждена через 10 лет американским физиком Р.Э. Милликеном.
Парадокс: свет ведет себя и как волна, и как поток частиц. Волновые свойства проявляются при дифракции и интерференции, корпускулярные – при фотоэффекте.
Новая теория света привела Н. Бора к разработке теории атома. В ее основе 2 постулата:
1. В каждом атоме имеется несколько стационарных орбит электронов, движение по которым позволяет электрону существовать без излучения.
2. Когда электрон переходит из одного стационарного состояния в другое, атом излучает или поглощает порцию энергии.
Такая модель атома хорошо объясняла атом водорода, однако многоэлектронные атомы она не объясняла, т.к. теоретические результаты расходились с данными экспериментов. Эти расхождения впоследствии были объяснены волновыми свойствами электронов. Это означало, что электрон, будучи частицей, не твердый шарик и не точка, он имеет внутреннюю структуру, которая изменяется в зависимости от его состояния. Модель атома, изображающая его структуру в виде орбит, по которым движутся точечные электроны, на самом деле создана для наглядности, ее нельзя понимать буквально. (Это – аналогия отношений, а не предметов.) В действительности не существует таких орбит, электроны распределены в атоме не равномерно, а таким образом, что усредненная плотность заряда в каких- то точках больше, а в каких-то меньше. Орбитой электрона формально называется кривая, которая связывает точки максимальной плотности. Невозможно наглядно представить процессы, происходящие в атоме, в виде механических моделей. Классическая физика не может объяснить даже простейшие опыты по определению структуры атома.
В 1924 г. французский физик Луи де Бройль в своей работе «Свет и материя» высказал идею о волновых свойствах всей материи. Австрийский физик Э. Шрёдингер и английский физик П. Дирак дали ее математическое описание. Эта идея позволила построить теорию, охватывающую корпускулярные и волновые свойства материи в их единстве. Кванты света при этом становятся особым строением микромира.
Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм привел к созданию квантовой механики. В ее основе лежат два принципа: принцип соотношения неопределенностей, сформулированный В. Гейзенбергом в 1927 г.; принцип дополнительности Н. Бора. Принцип Гейзенберга гласит: в квантовой механике нет таких состояний, в которых местоположение и количество движения имели бы вполне определенное значение, нельзя одновременно знать оба параметра – координату и скорость, то есть невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы.
Н. Бор сформулировал принцип дополнительности следующим образом: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». Противоре чия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов – это результат неконтролируемого взаимодействия микрочастиц с приборами: в одних приборах квантовые объекты ведут себя как волны, в других – как частицы. Из-за соотноше ния неопределенностей корпускулярная и волновая модели описания кванто вого объекта не противоречат друг другу, т.к. никогда не предстают одновре менно. Таким образом, в зависимости от эксперимента объект показывает либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Дополняя друг друга, обе модели микромира позволяют получить его общую картину.
2. Классификация элементарных частиц
Проникновение в микромир связано с открытием элементарных частиц: в конце Х1Х в. был открыт электрон, в начале ХХ в. – фотон, протон, позитрон и нейтрон. После второй мировой войны стали использовать ускорители, создаю щие условия высоких энергий и огромных скоростей, и установили существова ние более трехсот элементарных частиц. Исторически сложившийся термин «элемен тарные» продолжает использоваться, хотя его условность давно осознали.
Характеристики элементарных частиц: масса, заряд, время жизни, спин и квантовые числа. Масса покоя элементарных частиц определяется по отношению к массе покоя электрона. Не имеет массы покоя только фотон. По массе покоя частицы делятся на лептоны (легкие частицы: электрон и нейтрино); мезоны (средние частицы: масса от одной до тысячи масс электрона); барионы (тяжелые частицы: масса свыше тысячи масс электрона, в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы). Частицы имеют положительный, отрицательный или нулевой заряд. Каждой частице соответствуют античастицы с противоположным зарядом (кроме фотона и двух мезонов). В 60-гг. ХХ в. появилась гипотеза о существовании частиц с дробным электрическим зарядом – кварков. По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. К стабильным относятся фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон, они играют важнейшую роль в структуре макромира. Все остальные частицы относятся к нестабильным, они существуют около 10-10– 10-24 сек., а потом распадаются. Резонансами называются частицы со временем жизни 10-23 – 10-22 сек. Эти частицы распадаются еще до того, как покинут атом или ядро. Спин (от англ. – волчок, вращение) – собственный момент количества движения частиц. Свобода и поведение частиц существенно зависит от того, целое или полуцелое значение имеет спин.
Исходя из значения спина, элементарные частицы делятся на две группы: с полуцелым спином – фермионы (электрон, протон, нейтрон; поля фермионов остаются квантованными и обеспечивают переход в частицы); с целочисленным спином – бозоны (фотон, спин =1; поля бозонов переходят в классические поля, например, электромагнитное поле – свет, радиоволны). Фермионы образуют атом вещества, бозоны образуют излучение.
Фермионы делятся на класс лептонов и класс кварков. Лептоны включают 6 частиц и 6 античастиц (электрон, мюон, тау-лептон, 3 вида нейтрино). Лептоны играют важную роль в структуре мира. Кварки – электрически заряженные частицы, обладают «ароматом» и «цветом». Это – квантовые числа, выражающие определенные состояния частицы. Поскольку электрические заряды кварков имеют дробные значения, их экспериментальные поиски оказались безуспешными. Возникло предположение, что существование в природе дробного заряда возможно при условии, что кварки образуют связанные объединения, в которых суммарный электрический заряд равен либо 0, либо 1.
Кварки группируются по 2, 3 частицы, образуя адроны. Адроны делятся на 3 группы: барионы (комбинации из 3-х кварков), сюда относятся протон и нейтрон – фундаментальная основа атомных ядер; мезоны (сочетание кварка и антикварка), третья группа содержит частицы, образованные сочетанием трех антикварков, сюда относятся антипротон и антинейтрон, т.е. то, что составляет основу антивещества. Адроны – лишь небольшая часть всех образующихся из кварков частиц. Большую часть их составляют резонансы (нестабильные частицы).
3. Фундаментальные физические взаимодействия
К настоящему времени известны четыре основных вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Сильное взаимодействие осуществляется на уровне атомных ядер на расстоянии порядка 10-13 см, обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Поэтому атомные ядра очень устойчивы, разрушить их трудно. (Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене виртуальными частицами, т.е. частицами, которые существуют в промежуточных, имеющих малую длительность состояниях, для которых не выполняется обычное соотношение между временем, импульсом и массой). Ядерная сила действует только между адронами (например, протон и нейтрон, составляющие ядро атома) и внутри адронов – между кварками, она не зависит от электрических зарядов взаимодействующих частиц.
Слабое взаимодействие - короткодействующее, происходит между различными частицами на расстоянии 10-15 - 10-22 см. Оно связано с распадом частиц в атомном ядре, например, нейтрон в среднем за 15 мин. распадается на протон, электрон и антинейтрино. Большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию. Слабая сила действует между лептонами, лептонами и адронами или только между адронами, ее действие тоже не зависит от электрического заряда.
Электромагнитное взаимодействие почти в 1000 раз слабее сильного, зато более дальнодействующее. Оно свойственно электрически заряженным частицам, а его носителем является не имеющий заряда фотон – квант электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атома, отвечает за большинство физических и химических явлений и процессов, им определяется агрегатное состояние вещества и др.
Гравитационное взаимодействие является самым слабым, имеет решающее значение в космических масштабах и неограниченный радиус действия. Гравитационное взаимодействие универсально, оно заключается во взаимном притяжении и определяется законом всемирного тяготения.
Взаимодействие элементарных частиц происходит при помощи соответствующих физических полей, квантами которых они являются. Низшее энергетическое состояние поля, где отсутствуют кванты поля, называется вакуумом. При отсутствии возбуждения поле в вакууме не содержит частиц и не проявляет механических свойств, но при возбуждении в нем появляются соответствующие кванты, при помощи которых происходит взаимодействие. Существует гипотеза о наличии квантов гравитационного поля – гравитонов, но экспериментально она пока не подтверждена.
Квантовое поле является совокупностью квантов и носит дискретный характер, т.к. все взаимодействия элементарных частиц происходят квантованным образом. В чем тогда проявляется его континууальность (непрерывность)? В том, что состояние поля задается волновой функцией. С наблюдаемыми явлениями она связана не однозначно, а через понятие вероятности. При проведении целого комплекса опытов в итоге получается картина, которая напоминает результат волнового процесса. Микромир парадоксален: элементарная частица может быть составной частью любой другой элементарной частицы. Например, после столкновения двух протонов возникает много других элементарных частиц, в том числе протонов, мезонов, гиперонов. Феномен «множественного рождения» объяснил Гейзенберг: при соударении большая кинетическая энергия превращается в вещество, и мы наблюдаем множественное рождение частиц.
Пока еще не существует удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц. Многие физики думают, что создать ее можно при учете космологических причин. Исследование рождения элементарных частиц из вакуума в электромагнитных и гравитационных полях имеет большое значение, так как здесь проявляется связь микро - и мегамиров. Фундаментальные взаимодействия в мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения.
Основные понятия темы:
Квант – мельчайшая постоянная порция излучения.
Фотон – квант электромагнитного поля.
Фотоэффект – выбивание из вещества электронов под действием электромагнитных волн, определяется частотой волны.
Принцип соотношения неопределенностей (Гейзенберг): в квантовой механике нет таких состояний, в которых местоположение и количество движения имели бы вполне определенное значение.
Принцип дополнительности (Бор): понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего.
Спин – собственный момент количества движения частицы.
Сильное взаимодействие осуществляется на уровне атомных ядер, обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы.
Слабое взаимодействие – короткодействующее, связано с распадом частиц в атомном ядре.
Электромагнитное взаимодействие свойственно электрически заряженным частицам, а его носителем является не имеющий заряда фотон.
Гравитационное взаимодействие универсально и определяется законом всемирного тяготения.
Физический вакуум – низшее энергетическое состояние поля, где отсутствуют кванты.
Тема 9. Мегамир. Современные астрофизические и космологические концепции
1. Основные космологические модели Вселенной
Современная физика рассматривает мегамир как систему, включающую все небесные тела, диффузную (диффузия – рассеяние) материю, существующую в виде разобщенных атомов и молекул, а также в виде более плотных образований – гигантских облаков пыли и газа, и материю в виде излучения.
Космология – наука о Вселенной как едином целом. В Новое время она отделяется от философии и превращается в самостоятельную науку. Ньютоновская космология основывалась на следующих постулатах:
Современная космология основана на общей теории относительности и поэтому ее называют релятивистской, в отличие от прежней, классической.
В 1929 г. Эдвин Хаббл (американский астрофизик) обнаружил явление «красного смещения». Свет от далеких галактик смещается в сторону красного конца спектра, что свидетельствовало об удалении галактик от наблюдателя. Возникла идея о нестационарности Вселенной. Александр Александрович Фридман (1888 – 1925) впервые теоретически доказал, что Вселенная не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. На первый план выдвинулись проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста. Следующий этап исследования Вселенной связан с работами американского ученого Георгия Гамова (1904-1968). Стали исследоваться физические процессы, происходившие на разных стадиях расширения Вселенной. Гамов открыл «реликтовое излучение». (Реликт – остаток далекого прошлого).
Существует несколько моделей Вселенной: общим для них является представление о ее нестационарном, изотропном и однородном характере.
По способу существования – модель «расширяющейся Вселенной» и модель «пульсирующей Вселенной».
В зависимости от кривизны пространства различают – открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю, в ней представлена незамкнутая бесконечная Вселенная; замкнутую модель с положительной кривизной, в ней Вселенная конечна, но неограниченна, безгранична.
Обсуждение вопроса о конечности или бесконечности Вселенной породил несколько так называемых космологических парадоксов, согласно которым, если Вселенная бесконечна, то она конечна.
1. Экспансионный парадокс (Э.Хаббл). Принимая идею бесконечной протяженности, приходим к противоречию с теорией относительности. Удаление туманности от наблюдателя на бесконечно большое расстояние (согласно теории «красного смещения» В.М.Слайфера и «эффекта Допплера») должно превышать скорость света. Но она является предельной (по теории Эйнштейна) скоростью распространения материальных взаимодействий, ничто не может двигаться с большей скоростью.
2. Фотометрический парадокс (Ж.Ф.Шезо и В.Ольберс). Это тезис о бесконечной светимости (при отсутствии поглощения света) неба согласно закону освещенности любой площадки и по закону возрастания числа источников света по мере возрастания объема пространства. Но бесконечная светимость противоречит эмпирическим данным.
3. Гравитационный парадокс (К.Нейман, Г. Зеелигер): бесконечное число космических тел должно приводить к бесконечному тяготению, а значит к бесконечному ускорению, что не наблюдается.
4. Термодинамический парадокс (или так называемая «тепловая смерть» Вселенной). Переход тепловой энергии в другие виды затруднен по сравнению с обратным процессом. Результат: эволюция вещества приводит к термодинамическому равновесию. Парадокс говорит о конечном характере пространственно-временной структуры Вселенной.
2. Эволюция Вселенной. Теория «Большого взрыва»
С глубокой древности и до начала XX века космос считали неизменным. Звездный мир олицетворял собой абсолютный покой, вечность и беспредельную протяженность. Открытие в 1929 году взрывообразного разбегания галактик, то есть быстрого расширения видимой части Вселенной, показало, что Вселенная нестационарна. Экстраполируя этот процесс расширения в прошлое, ученые сделали вывод, что 15-20 миллиардов лет назад Вселенная была заключена в бесконечно малый объем пространства при бесконечно большой плотности («точка сингулярности»), а вся нынешняя Вселенная конечна, т.е. обладает ограниченным объемом и временем существования.
Точку отсчета времени жизни эволюционирующей Вселенной начинается с момента, когда произошел "Большой Взрыв» и внезапно нарушилось состояние сингулярности. По мнению большинства исследователей, современная теория "Большого Взрыва" в целом довольно успешно описывает эволюцию Вселенной, начиная примерно с 10-44 секунды после начала расширения. Слабым единственным звеном в этой прекрасной теории считают проблему Начала - физического описания сингулярности.
Ученые сходятся во мнении, что первоначальная Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить и воспроизвести на Земле. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и высокого давления в сингулярности, в котором была сосредоточена материя.
Время эволюции Вселенной оценивается примерно в 20 млрд. лет. Теоретические расчеты показали, что в сингулярном состоянии ее радиус был близок к радиусу электрона, т.е. она была микрообъектом ничтожно малых масштабов. Предполагается, что здесь начали сказываться характерные для элементарных частиц квантовые закономерности.
Вселенная перешла к расширению от первоначального сингулярного состояния в результате Большого взрыва, который заполнил все пространство. Возникла температура 100 000 млн. град. по Кельвину, при которой не могут существовать молекулы, атомы и даже ядра. Вещество находилось в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, и фотоны, и меньше было протонов и нейтронов. В конце третьей минуты после взрыва температура Вселенной понизилась до 1 млрд. град. по Кельвину. Стали образовываться ядра атомов – тяжелого водорода и гелия, но вещество Вселенной состояло к этому времени в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Лишь через несколько сотен тысяч лет начали образовываться атомы водорода и гелия, образуя водородно-гелиевую плазму. Астрономы обнаружили «реликтовое» радиоизлучение в 1965 г. – излучение горячей плазмы, которая сохранилась с того времени, когда еще не было звезд и галактик. Из этой смеси водорода и гелия в процессе эволюции возникло все многообразие современной Вселенной. По теории Дж. Х. Джинса главным фактором эволюции Вселенной является ее гравитационная неустойчивость: материя не может распределяться с постоянной плотностью в любом объеме. Однородная первоначально плазма распалась на огромные сгустки. Из них потом образовались скопления галактик, которые распались на протогалактики, а из них возникли протозвезды. Этот процесс продолжается и в наше время. Вокруг звезд сформировались планетные системы. Данная модель (стандартная) Вселенной не является достаточно обоснованной, остается много вопросов. Доводами в ее пользу являются лишь установленные факты расширения Вселенной и реликтовое излучение.
Известный американский астроном Карл Саган построил наглядную модель эволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 млрд. земных лет, а 1 сек. – 500 годам; тогда в земных единицах времени эволюция представится так:
Большой взрыв 1 января 0 час.0 мин.
Образование галактик 10 января
Образование Солнечной системы 9 сентября
Образование Земли 14 сентября
Возникновение жизни на Земле 25 сентября
Океанский планктон 18 декабря
Первые рыбы 19 декабря
Первые динозавры 24 декабря
Первые млекопитающие 26 декабря
Первые птицы 27 декабря
Первые приматы 29 декабря
Первые гоминиды 30 декабря
Первые люди 31 декабря примерно в 22 час. 30 мин.
Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что начальная температура внутри сингулярности была больше 10 13 по шкале Кельвина (в которой начало отсчета соответствует – 2730 С). Плотность вещества примерно 10 93 г/см3. Неизбежно должен был произойти «большой взрыв», с которым связывают начало эволюции. Предполагается, что такой взрыв произошел примерно 15-20 млрд. лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более умеренным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени расширения вселенной ученые судят о состоянии материи на разных стадиях эволюции. Через 0,01 сек. после взрыва плотность вещества упала до 1010 г/см3. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов). При этом происходили непрерывные превращения пар электрон+позитрон в фотоны и обратно – фотонов в пару электрон+позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия, так называемое дозвездное вещество, остальные химические элементы образуются из него путем ядерных реакций. В момент, когда возникают атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде реликтового излучения (остаток от той далекой поры образования нейтральных атомов водорода и гелия).
По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших ранее и возникновения на этой основе новых структур, что вело к нарушению симметрии между веществом и антивеществом. Когда температура после взрыва упала до 6 млрд. градусов по Кельвину, первые 8 сек. существовала в основном смесь из электронов и позитронов. Пока смесь находилась в тепловом равновесии, количество частиц оставалось приблизительно одинаковым. Между частицами происходят непрерывные столкновения, в результате чего возникают фотоны, а из фотонов – электрон и позитрон. Происходит непрерывное превращение вещества в излучение и, наоборот, излучения в вещество. На этой стадии сохраняется симметрия между веществом и излучением.
Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и соответствующего понижения ее температуры. Возникают более тяжелые ядерные частицы – протоны и нейтроны. Складывается крайне незначительный перевес вещества над излучением (1 протон или нейтрон на млрд. фотонов). Из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникает то огромное богатство и разнообразие материального мира, начиная от атомов и молекул до разнообразных горных образований, планет, звезд и галактик.
Итак, 15-20 миллиардов лет – примерный возраст Вселенной. Что же было до рождения Вселенной? Первая космогоническая схема современной космологии утверждает, что вся масса Вселенной была сжата в некую точку (сингулярность). Неизвестно, в силу, каких причин это исходное, точечное состояние было нарушено и произошло то, что называется сегодня словами «Большой Взрыв».
Вторая космологическая схема рождения Вселенной описывает этот процесс возникновения из «ничто», вакуума. В свете новых космогонических представлений само понимание вакуума было пересмотрено наукой. Вакуум есть особое состояние материи. На исходных стадиях Вселенной интенсивное гравитационное поле может порождать частицы из вакуума.
Интересную аналогию этим современным представлениям находим мы у древних. О переходе вещества в иное состояние, даже об «исчезновении материи» в момент гибели Вселенной упоминал философ и богослов Ориген (II-III в.н.э.). Когда Вселенная возникает опять, «материя, - писал он, - вновь получает бытие, образуя тела ...».
Согласно сценарию исследователей, вся наблюдаемая сейчас Вселенная размером в 10 миллиардов световых лет возникла в результате расширения, которое продолжалось всего 10-30 сек. Разлетаясь, расширяясь во все стороны, материя отодвигала «небытие», творя пространство и начав отсчет времени. Так видит становление Вселенной современная космогония.
Концептуальная модель «расширяющейся Вселенной» была предложена А.А. Фридманом в 1922-24 годах. Десятилетия спустя она получила практическое подтверждение в работах американского астронома Э.Хаббла, изучавшего движение галактик. Хаббл обнаружил, что галактики стремительно разбегаются, следуя некоему импульсу. Если разбегание это не прекратится, будет продолжаться неограниченно, то расстояние между космическими объектами будет возрастать, стремясь к бесконечности. По расчетам Фридмана, именно так должна была бы проходить дальнейшая эволюция Вселенной. Однако при одном условии - если средняя плотность массы Вселенной окажется меньше некоторой критической величины, эта величина составляет примерно три атома на кубический метр. Какое-то время назад данные, полученные американскими астрономами со спутника, исследовавшего рентгеновское излучение далеких галактик, позволили рассчитать среднюю плотность массы Вселенной. Она оказалась очень близка к той критической массе, при которой расширение Вселенной не может быть бесконечно.
Обратиться к изучению Вселенной посредством исследования рентгеновских излучений пришлось потому, что значительная часть ее вещества не воспринимается оптически. Около половины массы нашей Галактики мы «не видим». О существовании же этого не воспринимаемого нами вещества свидетельствуют, в частности, гравитационные силы, которые определяют движение нашей и других галактик, движение звездных систем. Вещество это может существовать в виде «черных дыр», масса которых составляет сотни миллионов масс нашего Солнца, в виде нейтрино или других каких-то неизвестных нам форм. Не воспринимаемые, как и «черные дыры», короны галактик могут быть, как полагают некоторые исследователи, в 5-10 раз больше массы самих галактик.
Предположение, что масса Вселенной значительно больше, чем принято считать, нашло новое весьма веское подтверждение в работах физиков. Ими были получены первые данные о том, что один из трех видов нейтрино обладает массой покоя. Если остальные нейтрино имеют те же характеристики, то масса нейтрино во Вселенной в 100 раз больше, чем масса обычного вещества, находящегося в звездах и галактиках.
Это открытие позволяет с большей уверенностью говорить, что расширение Вселенной будет продолжаться лишь до некоторого момента, после которого процесс обратится вспять – галактики начнут сближаться, стягиваясь снова в некую точку. Вслед за материей будет сжиматься в точку пространство. Произойдет то, что астрономы называют сегодня словами «Схлопывание Вселенной».
Заметят ли люди или обитатели других миров, если они существуют в космосе, сжатие Вселенной, начало ее возврата в первозданный хаос? Нет. Они не смогут заметить поворота времени, который должен будет произойти, когда Вселенная начнет сжиматься.
Ученые, говоря о повороте течения времени в масштабах Вселенной, проводят аналогию со временем на сжимающейся, «коллапсирующей» звезде. Условные часы, находящиеся на поверхности такой звезды, сначала должны будут замедлить свой ход, затем, когда сжатие достигнет критической точки, они остановятся. Когда же звезда «провалится» из нашего пространства-времени, условные стрелки на условных часах двинутся в противоположную сторону - время пойдет обратно. Но всего этого сам гипотетический наблюдатель, находящийся на такой звезде, не заметит. Замедление, остановку и изменение направления времени можно было бы наблюдать со стороны, находясь вне «схлопывающейся» системы. Если наша Вселенная единственная и нет ничего вне ее - ни материи, ни времени, ни пространства, - то не может быть и некоего взгляда со стороны, который мог бы заметить, когда время изменит ход и потечет вспять.
Некоторые ученые считают, что событие это в нашей Вселенной уже произошло, галактики падают друг на друга, и Вселенная вступила в эпоху своей гибели. Существуют математические расчеты и соображения, подтверждающие эту мысль. Что произойдет после того, как Вселенная вернется в некую исходную точку? После этого начнется новый цикл, произойдет очередной «Большой Взрыв», праматерия ринется во все стороны, раздвигая и творя пространство, снова возникнут галактики, звездные скопления, жизнь. Такова, в частности, космологическая модель американского астронома Дж. Уиллера, модель попеременно расширяющейся и «схлопывающейся» Вселенной.
Известный математик и логик Курт Гёдель математически обосновал положение, что при определенных условиях наша Вселенная действительно должна возвращаться к своей исходной точке с тем, чтобы потом опять совершить тот же цикл, завершая его новым возвращением к исходному своему состоянию. Этим расчетам соответствует и модель английского астронома П.Дэвиса, модель «пульсирующей Вселенной». Но что важно - Вселенная Дэвиса включает в себя замкнутые линии времени, иначе говоря, время в ней движется по кругу. Число возникновений и гибели, которые переживает Вселенная, бесконечно.
А как современная космогония представляет себе гибель Вселенной? Известный американский физик С. Вайнберг описывает это так. После начала сжатия в течение тысяч и миллионов лет не произойдет ничего, что могло бы вызвать тревогу наших отдаленных потомков. Однако когда Вселенная сожмется до 1/100 теперешнего размера, ночное небо будет источать на Землю столько же тепла, сколько сегодня дневное. Через 70 миллионов лет Вселенная сократится еще в десять раз и тогда «наши наследники и преемники (если они будут) увидят небо невыносимо ярким». Еще через 700 лет космическая температура достигнет десяти миллионов градусов, звезды и планеты начнут превращаться в «космический суп» из излучения, электронов и ядер.
После сжатия в точку, после того, что мы именуем «гибелью Вселенной», но что, может быть, вовсе, и не есть ее гибель, начинается новый цикл. Косвенным подтверждением этой догадки является уже упомянутое реликтовое излучение, эхо «Большого Взрыва», породившего нашу Вселенную. По мнению ученых, излучение это, оказывается, приходит не только из прошлого, но и «из будущего». Это отблеск «мирового пожара», исходящего от следующего цикла, в котором рождается новая Вселенная. Не только реликтовое излучение пронизывает наш мир, приходя как бы с двух сторон - из прошлого и грядущего. Материя, составляющая мир, Вселенную и нас, возможно, несет в себе некую информацию. Исследователи с долей условности, но говорят уже о своего рода «памяти» молекул, атомов, элементарных частиц. Атомы углерода, побывавшего в живых существах, «биогенные».
Коль скоро в момент схождения Вселенной в точку материя не исчезает, то не исчезает, неуничтожима и информация, которую она несет. Наш мир заполнен ею, как он заполнен, материей, составляющей его.
Вселенная, что придет на смену нашей, будет ли она её повторением?
Вполне возможно, отвечают некоторые космологи.
Вовсе не обязательно, возражают другие. Нет никаких физических обоснований, считает, например, доктор Р. Дик из Принстонского университета, чтобы всякий раз в момент образования Вселенной физические закономерности были те же, что и в момент начала нашего цикла. Если же эти закономерности будут отличаться даже самым незначительным образом, то звезды не смогут впоследствии создать тяжелые элементы, включая углерод, из которого построена жизнь. Цикл за циклом Вселенная может возникать и уничтожаться, не зародив ни искорки жизни. Такова одна из точек зрения. Ее можно было бы назвать точкой зрения «прерывистости бытия». Оно прерывисто, даже если в новой Вселенной и возникает жизнь: никакие нити не связывают ее с прошлым циклом. По другой точке зрения, наоборот, «Вселенная помнит всю свою предысторию, сколь бы далеко (даже бесконечно далеко) в прошлое она ни уходила».
3. Антропный принцип
Современная наука выдвинула антропный космологический принцип , который заключается в том, что жизнь во Вселенной возможна лишь при тех значениях универсальных физических констант, которые имеют место в действительности. Этот принцип расшифровывается как «тонкая подстройка» Вселенной: если бы значения физических констант отклонялись бы от существующих, возникновение жизни было бы невозможно в принципе. Значит, возможность жизни заложена в начальных физических условиях существования Вселенной.
В некоторых случаях «чувствительность» Вселенной к изменению констант просто поразительна. Так, например, достаточно изменить так называемую константу сильного взаимодействия всего на несколько процентов, чтобы Вселенная состояла только из гелия, а более тяжелых элементов в ней попросту не было бы.
Таким образом, факты говорят о том, что Вселенная устроена удивительно удобно для человека. При несколько ином наборе констант человек как наблюдатель не мог бы и возникнуть. В этом и заключается так называемый «антропный принцип», сформулированный Б. Картером в форме афоризма: «Я мыслю, следовательно, мир таков, какой он есть». На волне дискуссий о правомерности этого принципа появилось множество его разнородных формулировок. Обычно говорят о слабой и сильной версиях антропного принципа, отличающихся весьма значительно друг от друга. Суть слабой версии состоит в следующем: «То, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей» (Б. Картер). Здесь самим своим существованием наблюдатель ограничивает предмет наблюдения.
Сильная версия антропного космологического принципа постулирует, что биологический отбор фундаментальных констант определяет специфику и структуру Вселенной, что возникновение Вселенной в значительной мере детерминировано существованием человека. Сильного принципа придерживаются Б. Картер, Ф. Холл, Б. де Витт. Американский физик Дж. Уиллер развивает антропный принцип в его сильной версии в рамках концепции «о соучаствующей Вселенной»: «Человек не просто наблюдает Вселенную, а придает ей существование». Эту концепцию он иллюстрирует явлением поляризации фотона, порожденного в самый ранний период существования Вселенной после Большого взрыва.
Основной недостаток антропного принципа заключается в том, что из него не выводится какой-либо предсказательный факт, позволяющий сохранить теорию или отбросить ее. Физики очень надеются на то, что в будущем, в рамках теоретической физики будут найдены способы объяснения совпадения чисел без привлечения биологического факта существования живых существ и человека.
4. Строение и эволюция галактик
В конце XIX века границы разведанной Вселенной раздвинулись настолько, что включили в себя Галактику. Многие думали тогда, что эта огромная звездная система и есть вся Вселенная в целом.
Из чего же состоит Вселенная? Хорошо видимая на ночном небе полоса, густо усеянная звездами, - Млечный путь - представляет собой «вид в профиль» нашей галактики, той к которой принадлежит Солнце. Кроме Солнца, в нее входит еще порядка 150 миллиардов звезд. Галактика огромна, и межзвездные расстояния намного превосходят размеры самих звезд. Но наша галактика не единственна. Существует множество других, столь же гигантских, образующих Метагалактику - всю наблюдаемую Вселенную.
Э. Хаббл предложил следующую классификацию галактик:
эллиптические, сфероиды различной сплюснутости, состоящие в основном из старых звезд;
спиральные, в «рукавах», которых находятся молодые звезды;
неправильной формы.
Все они образовались из протооблаков межзвездного вещества, обладающих различными массами и различными моментами количества движения - характеристикой, показывающей, как двигались различные части облаков относительно друг друга. В центрах галактик находятся ядра - компактные скопления огромного количества звезд, выделяющих гигантские энергии во всех диапазонах длин волн.
Пространство между галактиками и между звездами внутри галактик не пусто. В каждом кубическом сантиметре межзвездного пространства в среднем находится один атом вещества. Если атомов в каждом кубическом сантиметре наберется с десяток, то о такой области пространства говорят как об облаке. Оно может быть обнаружено с помощью радиотелескопов и хорошо заметно на окружающем фоне. Для сравнения: в воздухе, которым мы дышим, содержится порядка 1019 атомов в каждом кубическом сантиметре, а в самом лучшем вакууме, который может быть получен в земных лабораториях, в каждом кубическом сантиметре содержится 105 атомов.
В 1963 году были обнаружены загадочные объекты – квазары, представляющие собой чрезвычайно компактные образования, размером со звезду, но излучающие, как целая галактика. В их спектре на сплошном фоне излучения видны яркие линии, сильно смещенные в красную сторону, что говорит о том, что квазары удаляются от нас с огромной скоростью (и расположены очень далеко от нашей галактики).
Основная космологическая проблема - откуда же взялось первоначальное облако межзвездного вещества, из которого произошли все эти объекты, - остается по-прежнему загадочной. Утверждение «Вселенная существовала всегда» оставляет место для вопроса, всегда ли она была такой, какой мы видим ее сейчас. Ведь если Вселенная сохраняет свои свойства во времени и представляет собой более или менее равномерное распределение звезд в пространстве, то возникает так называемый фотометрический парадокс: ночное небо должно сиять, поскольку в любом направлении ближе или дальше от нас будет иметься звезда. Но этого мы не видим. Зато мы обнаружили, что имеет место «красное смещение». И полагаем, что все галактики разлетаются. Значит, говорить о том, что равномерное распределение вещества сохранялось постоянно, не приходится. Таким образом, Вселенная эволюционирует. В результате Большого Взрыва образовались протоны, электроны и другие элементарные частицы. Взаимодействие излучения с веществом на определенном этапе привело к тому, что излучение и вещество стали эволюционировать с разным темпом. Об этом свидетельствует существование так называемого реликтового излучения, характеризующего раннюю стадию развития Вселенной и наблюдаемого сейчас в виде однородного фона длинноволнового излучения, наблюдаемого с любого направления. Частицы стремительно разлетались, взаимодействуя между собой в условиях гигантских температур, постепенно образовались облака, звезды, в недрах которых идут процессы ядерного синтеза тяжелых элементов. Что же дальше? Все зависит от того, какова средняя плотность вещества во Вселенной. Если она больше некоторого критического значения, то реализуется модель замкнутой Вселенной. Под действием сил гравитационного притяжения расширение прекратится (примерно еще через 25 млрд. лет) и начнется сжатие, в результате которого все вещество вновь сожмется в точку. Если же плотность меньше критической, то гравитационные силы не смогут остановить расширение. Реализуется модель открытой Вселенной. Через 1015 лет звезды остынут, через 1019 они покинут свои галактики, еще через невообразимо большие промежутки времени (если известные сейчас физические законы все еще будут действовать) в результате радиоактивного распада все вещество превратится в железо, еще гораздо позже железные "капли" превратятся в нейтронные звезды и черные дыры, которые через 1067 лет испарятся. Оценить плотность наблюдаемой Вселенной непросто, хотя последние данные указывают на то, что, вероятно, она ниже критической, и Вселенная является открытой.
5. Строение и эволюция звезд
Самым распространенным объектом во Вселенной являются звезды. Сопоставляя данные для различных звезд, можно получить общие закономерности и проверить их выполнение на примерах других звезд. Согласно современным представлениям о строении и эволюции звезд процессы, связанные с возникновением и эволюцией звезды, выглядят следующим образом.
Сначала формируется протозвезда. Частицы гигантского движущегося газопылевого облака в некоторой области пространства притягиваются друг к другу за счет гравитационных сил. Происходит это очень медленно, ведь силы, пропорциональные массам входящих в облако атомов (в основном атомов водорода) и пылинок, чрезвычайно малы. Однако постепенно частицы сближаются, плотность облака нарастает, оно становится непрозрачным, образующийся сферический "ком" начинает понемногу вращаться, растет и сила притяжения, ведь теперь масса "кома" велика. Все больше и больше частиц захватывается, все больше плотность вещества. Внешние слои давят на внутренние, давление в глубине растет, а, значит, растет и температура. (Именно так обстоит дело с газами, которые были подробно изучены на Земле). Наконец, температура становится такой большой - несколько миллионов градусов, - что в ядре этого образующегося тела создаются условия для протекания ядерной реакции синтеза: водород начинает превращаться в гелий. Об этом можно узнать, регистрируя потоки нейтрино - элементарных частиц, выделяющихся при такой реакции. Реакция сопровождается мощным потоком электромагнитного излучения, которое давит (силой светового давления, впервые измеренной в Земной лаборатории П.Лебедевым) на внешние слои вещества, противодействуя гравитационному сжатию. Наконец, сжатие прекращается, поскольку давления уравновешиваются, и протозвезда становится звездой. Чтобы пройти эту стадию своей эволюции протозвезде нужно несколько миллионов лет, если ее масса больше солнечной, и несколько сот миллионов лет, если ее масса меньше солнечной. Звезд, массы которых меньше солнечной в 10 раз, очень мало.
Масса является одной из важных характеристик звезд. Любопытно отметить, что довольно распространены двойные звезды - образующиеся вблизи друг друга и вращающиеся вокруг общего центра. Их насчитывается от 30 до 50 процентов от общего числа звезд. Возникновение двойных звезд, вероятно, связано с распределением момента количества движения исходного облака. Если у такой пары образуется планетная система, то движение планет может быть довольно замысловатым, а условия на их поверхностях будут сильно изменяться в зависимости от расположения планеты на орбите по отношению к светилам. Весьма возможно, что стационарных орбит, вроде тех, что могут существовать в планетных системах одинарных звезд (и существуют в Солнечной системе), не окажется совсем. Обычные, одинарные звезды в процессе своего образования начинают вращаться вокруг своей оси.
Другой важной характеристикой является радиус звезды. Существуют звезды - белые карлики, радиус которых не превышает радиуса Земли, существуют и такие - красные гиганты, радиус которых достигает радиуса орбиты Марса. Химический состав звезд по спектроскопическим данным в среднем такой: на 10000 атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атома азота, 1 атом углерода, остальных элементов еще меньше. Из-за высоких температур атомы ионизируются, так что вещество звезды является в основном водородно-гелиевой плазмой - в целом электрически нейтральной смесью ионов и электронов. От массы и химического состава исходного облака зависят светимость и цветность (спектральный класс) образовавшейся звезды. Светимость звезды – это количество энергии, излучаемой ею в единицу времени. А ее спектральный класс характеризует цвет звезды, который в свою очередь зависит от температуры ее поверхности. При этом "синие" звезды более горячие, чем "красные", а наше "желтое" Солнце имеет промежуточную температуру поверхности порядка 6000 градусов. Традиционно спектральные классы от горячих к холодным обозначаются буквами O, B, A, F, G, K, M (последовательность легко запомнить с помощью мнемонического правила "O, Be A Fine Girl, Kiss Me"), при этом каждый класс делится на десять подклассов. Так, наше Солнце имеет спектральный класс G2.
По мере "выгорания" водорода в центре звезды ее масса немного меняется. Постепенно энергии в центре звезды выделяется все меньше, давление падает, ядро сжимается, и температура в нем возрастает. Ядерные реакции протекают теперь только в тонком слое на границе ядра внутри звезды. В результате звезда в целом начинает «разбухать», а ее светимость увеличиваться. Звезда превращается в так называемый «красный гигант». После того, как температура сжимающегося (теперь уже гелиевого) ядра красного гиганта достигнет 100-150 млн. градусов, начинается новая ядерная реакция синтеза - превращение гелия в углерод. Когда и эта реакция исчерпает себя, происходит сброс оболочки - существенная часть массы звезды превращается в планетарную туманность. Горячие внутренние слои звезды оказываются «снаружи», и их излучение «раздувает» отделившуюся оболочку. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеивается, и остается небольшая очень горячая плотная звезда. Медленно остывая, она превращается в «белый карлик». Белые карлики, по-видимому, представляют собой заключительный этап нормальной эволюции большинства звезд.
Но встречаются и аномалии. Некоторые звезды время от времени вспыхивают, превращаясь в новые звезды. При этом они каждый раз теряют порядка сотой доли процента своей массы. Из хорошо известных звезд можно упомянуть новую в созвездии Лебедя, вспыхнувшую в августе 1975 года и пробывшую на небосводе несколько лет. Но иногда случаются и вспышки сверхновых - катастрофические события, ведущие к полному разрушению звезды, при которых за короткое время излучается энергии больше, чем от миллиардов звезд той галактики, к которой принадлежит сверхновая. Такое событие зафиксировано в китайских хрониках 1054 года: на небосводе появилась такая яркая звезда, что ее можно было видеть даже днем. Результат этого события известен теперь как Крабовидная туманность, «медленное» распространение которой по небу наблюдается в последние 300 лет. Скорость разлета ее газов в результате взрыва составляет порядка 1500 м/с, но она находится очень далеко. Сопоставляя скорость разлета с видимым размером Крабовидной туманности, мы можем рассчитать время, когда она была точечным объектом, и найти его место на небосклоне – эти время и место соответствуют времени и месту появления звезды, упомянутой в хрониках.
Если масса звезды, оставшейся после сброса оболочки «красным гигантом» превосходит массу Солнца в 1,2-2,5 раза, то, как показывают расчеты, устойчивый «белый карлик» образоваться не может. Звезда начинает сжиматься, и ее радиус достигает ничтожных размеров в 10 км, а плотность вещества такой звезды превышает плотность атомного ядра. Предполагается, что такая звезда состоит из плотно упакованных нейтронов, поэтому она так и называется - нейтронная звезда. Согласно этой концептуальной модели у нейтронной звезды имеется сильное магнитное поле, а сама она вращается с огромной скоростью - несколько десятков или сотен оборотов в секунду. И только обнаруженные (именно в Крабовидной туманности) в 1967 году пульсары - точечные источники импульсного радиоизлучения высокой стабильности - обладают как раз такими свойствами, каких следовало ожидать от нейтронных звезд. Наблюдаемое явление подтвердило концепцию.
Если же оставшаяся масса еще больше, то гравитационное сжатие неудержимо сжимает вещество и дальше. Вступает в действие одно из предсказаний общей теории относительности, согласно которому вещество сожмется в точку. Это явление называется гравитационным коллапсом, а его результат – «черной дырой». Это название связано с тем, что гравитационная масса такого объекта настолько велика, силы притяжения настолько значительны, что не только какое-либо вещественное тело не может покинуть окрестность черной дыры, но даже свет - электромагнитный сигнал - не может ни отразиться, ни выйти «наружу». Таким образом, непосредственно наблюдать черную дыру невозможно, можно лишь догадаться о ее существовании по косвенным эффектам. Двигаясь в пространстве по направлению к черной дыре (о которой мы пока ничего не знаем), можно обнаружить, что рисунок созвездий, расположенных прямо по курсу начинает меняться. Это связано с тем, что свет, идущий от звезд и проходящий неподалеку от черной дыры, отклоняется ее тяготением. По мере приближения к дыре возникнет пустая область, окруженная светящимися точками-звездами, в том числе и такими, которых раньше не наблюдалось. Свет от некоторых звезд может, проходя мимо дыры, поворачивать вокруг нее, а затем попадать в приемные устройства наблюдателя. Таким образом, одна звезда может давать несколько изображений в разных местах. Все это, конечно, противоречит как нашему жизненному опыту, так и классическим представлениям, согласно которым свет распространяется прямолинейно. Однако в пользу существования черных дыр говорит целый ряд косвенных астрономических наблюдений, а отклонение света под действием гравитационного притяжения регистрируется уже при прохождении луча мимо такого «нормального» объекта, как Солнце.
6. Происхождение и строение Солнечной системы
В Солнечную систему входит Солнце, девять больших планет с их 34 спутниками, более 100 000 малых планет (астероидов), порядка 1011 комет, а также бесчисленное количество мелких, так называемых метеорных тел (поперечником от 100 метров до ничтожно малых пылинок). Центральное положение в Солнечной системе занимает Солнце. Его масса приблизительно в 750 раз превосходит массу всех остальных тел, входящих в эту систему. Гравитационное притяжение Солнца является главной силой, определяющей движение всех вращающихся вокруг него тел Солнечной системы. Среднее расстояние от Солнца до самой далекой от него планеты Плутон составляет 39,5 а. е., то есть 6 млрд. км, что очень мало по сравнению с расстояниями до ближайших звезд. Только некоторые кометы удаляются от Солнца на 1015 а. е. и подвергаются воздействию притяжения звезд.
Расстояния планет от Солнца образуют закономерную последовательность – промежутки между соседними орбитами возрастают с удалением от Солнца. Эти закономерности движения планет в сочетании с делением их на две группы по физическим свойствам указывают на то, что Солнечная система не является случайным собранием космических тел, а возникла в едином процессе. Поэтому изучение любого из тел Солнечной системы проливает свет на происхождение всей Солнечной системы, а вместе с тем и на происхождение, эволюцию и современное строение нашей Земли.
Благодаря почти круговой форме планетных орбит и большим промежуткам между ними исключена возможность тесных сближений между планетами, при которых они могли бы существенно изменять свое движение в результате взаимных притяжений. Это обеспечивает длительное существование планетной системы.
Все большие планеты – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон – обращаются вокруг Солнца в одном направлении (в направлении осевого вращения самого Солнца), по почти круговым орбитам, мало наклоненным друг к другу (и к солнечному экватору). Плоскость земной орбиты – эклиптика принимается за основную плоскость при отсчете наклонений орбит планет и других тел, обращающихся вокруг Солнца. Планеты вращаются также вокруг своей оси, причем у всех планет, кроме Венеры и Урана, вращение происходит в прямом направлении, то есть в том же направлении, что и их обращение вокруг Солнца. Чрезвычайно медленное вращение Венеры происходит в обратном направлении, а Уран вращается как бы лежа на боку.
Сатурн, Юпитер и Уран кроме отдельных спутников заметных размеров имеют множество мелких спутников, как бы сливающихся в сплошные кольца. Эти спутники движутся по орбитам, на столь близко расположенным к планете, что ее приливная сила не позволяет им объединиться в единое тело. Подавляющее большинство орбит ныне известных малых планет располагается в промежутке между орбитами Марса и Юпитера.
Все малые планеты обращаются вокруг Солнца в том же направлении, что и большие планеты, но их орбиты, как правило, вытянуты и наклонены к плоскости эклиптики. Кометы движутся в основном по орбитам, близким к параболическим. Некоторые кометы обладают вытянутыми орбитами сравнительно небольших размеров – в десятки и сотни а. е. У этих комет, называемых периодическими, преобладают прямые движения, то есть движения в направлении обращения планет.
Будучи вращающейся системой тел, Солнечная система обладает моментом количества движения (МКД). Главная часть его связана с орбитальным движением планет вокруг Солнца, причем массивные Юпитер и Сатурн дают около 90%. Осевое вращение Солнца заключает в себе лишь 2% общего МКД всей Солнечной системы, хотя масса Солнца составляет более 99,8% общей массы. Такое распределение МКД между Солнцем и планетами связано с медленным вращением Солнца и огромными размерами планетной системы – ее поперечник в несколько тысяч раз больше поперечника Солнца. Момент количества движения планеты приобрели в процессе своего возникновения: он перешел к ним от того вещества, из которого они образовались.
Основная масса вещества, движущегося вокруг Солнца, содержится в девяти больших планетах. К их числу принадлежит и наша Земля. Планеты делятся на две группы, отличающиеся по массе, химическому составу (это проявляется в различиях их плотности), скорости вращения и количеству спутников. По своим физическим характеристикам они делятся на планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс и планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Данных о девятой планете – Плутоне – пока мало, но уже ясно, что ее нельзя отнести ни к одной из этих групп.
Планеты земной группы (как и наша планета) состоят из оксидов и других соединений тяжелых химических элементов: железа, алюминия и других металлов, а также кремния и других неметаллов. Из всех химических элементов преобладает кислород, входящий в состав большинства соединений. Планеты-гиганты состоят в основном из водорода и гелия, а также таких соединений, как метан и аммиак. Химический состав этих планет близок к среднему химическому составу Солнца, в котором преобладают наиболее просто устроенные атомы водорода и гелия. Планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун – гораздо массивнее, состоят в основном из легких веществ и поэтому, несмотря на огромное давление в их недрах, имеют малую плотность. У Юпитера и Сатурна главную долю их массы составляют водород и гелий. В них содержится также до 20% каменистых веществ и легких соединений кислорода, углерода и азота, способных при низких температурах конденсироваться во льды. У Урана и Нептуна льды и каменистые вещества составляют главную часть их массы.
Недра планет и некоторых крупных спутников (например, Луны) находятся в раскаленном состоянии. У планет земной группы и спутников вследствие малой теплопроводимости наружных слоев внутреннее тепло очень медленно просачивается наружу и не оказывает заметного влияния на температуру поверхности. У планет-гигантов конвекция в их недрах приводит к заметному потоку тепла из недр, превосходящему поток, получаемый ими от Солнца.
Венера, Земля и Марс обладают атмосферами, состоящими из газов, выделившихся из их недр. У планет-гигантов атмосферы представляют собой непосредственное продолжение их недр: эти планеты не имеют твердой или жидкой поверхности. При погружении внутрь атмосферные газы постепенно переходят в конденсированное состояние.
Ядра комет по своему химическому составу родственны планетам-гигантам: они состоят из водяного льда и льдов различных газов с примесью каменистых веществ. Почти все малые планеты по своему составу относятся к каменистым планетам земной группы. Только недавно открытый астероид Хирон, движущийся в основном между орбитами Сатурна и Урана, вероятно, подобен ледяным ядрам комет и небольшим спутникам далеких от Солнца планет. Обломки малых планет, образующиеся при их столкновении друг с другом, иногда выпадают на Землю в виде метеоритов. У малых планет, именно вследствие их малых размеров, недра прогревались значительно меньше, чем у планет земной группы, и поэтому их вещество зачастую претерпело лишь небольшие изменения со времени их образования. Измерения возраста метеоритов (по содержанию радиоактивных элементов и продуктов их распада) показали, что они, а, следовательно, и вся Солнечная система существует около 5 млрд. лет. Этот возраст Солнечной системы находится в согласии с измерениями возрастов древнейших земных и лунных образцов.
Динамические и физические особенности строения Солнечной системы указывают на то, что планеты сформировались из газопылевого вещества, некогда образовавшего протопланетное облако вокруг Солнца. Планеты земной группы образовались в результате аккумуляции каменистых твердых частиц, а у планет-гигантов образование началось с аккумуляции каменисто-ледяных частиц, а потом на некотором этапе их роста дополнилось присоединением газов, в основном водорода и гелия.
Согласно современным представлениям, все тела, обращающиеся вокруг Солнца, имеют общее происхождение. Они возникли в ходе продолжавшегося несколько миллиардов лет процесса эволюции огромного первоначально холодного газопылевого облака, частицы которого двигались по самым разнообразным орбитам вокруг Солнца, находившегося тоже в стадии формирования.
Столкновение частиц и обмен энергией между ними приводили к изменению их орбит и формы облака в целом. Орбиты частиц становились круговыми, а облако постепенно сплющивалось. Крупные частицы присоединяли к себе мелкие, и эти сгустки образовывали вокруг Солнца диск, толщина которого была в тысячу раз меньше его диаметра.
В первоначально однородном по своему составу облаке происходило одновременно перераспределение вещества. Сильный нагрев облака вблизи Солнца привел к тому, что наиболее распространенные в нем водород и гелий улетучивались на окраины, а в его центральной части остались только твердые тугоплавкие частицы. Из них-то и образовались планеты земной группы. В удаленных от Солнца частях газопылевого облака царила низкая температура, поэтому газы здесь намерзали на твердые частицы. Планеты-гиганты образовались из этого вещества, в составе которого преобладает водород и гелий.
В планетах на протяжении миллиардов лет происходили процессы расплавления, кристаллизации и другие физико-химические процессы, которые значительно изменили первоначальный состав и строение вещества, из которого образовались все ныне существующие тела Солнечной системы.
Далеко не все сгустки выросли в планеты. Многие остались в Солнечной системе в виде астероидов, и более мелких метеоритных тел. На окраинах Солнечной системы эти сгустки в виде ледяных глыб существуют до сих пор. В этом космическом холодильнике в виде ядер комет сохранилось в неизменном виде вещество допланетного облака.
Современная наука решительно отвергает допущение о случайном образовании и исключительном характере образования планетных систем. Современная астрономия приводит серьезные аргументы в пользу наличия планетных систем у многих звезд. Так, примерно у 10% звезд, находящихся в окрестностях Солнца, обнаружено избыточное инфракрасное излучение. Очевидно, это связано с присутствием вокруг таких звезд пылевых дисков, которые, возможно, являются начальным этапом формирования планетных систем.
На протяжении нескольких лет канадскими учеными измерялись очень слабые периодические изменения скорости движения 16 звезд. Такие изменения возникают из-за возмущения движения звезды под действием гравитационного связанного с ней тела, размеры которого много меньше, чем у самой звезды. Обработка данных показала, что у десяти из шестнадцати звезд изменения скорости указывают на наличие около них планетных спутников, масса которых превышает массу Юпитера, по аналогии с Солнечной системой указывает на большую вероятность существования и семейства более мелких планет.
О механизме образования планет, в частности, в Солнечной системе, также нет общепризнанных заключений. Сегодня существует много гипотез о происхождении Солнечной системы. Согласно одной из самых интересных версий (Х. Альвена и Г. Аррениуса) Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад. Причем Солнце – звезда второго (или еще более позднего) поколения. Солнечная система возникла из продуктов жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газопылевых облаках. Авторы исходили из предположения, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае появления планет-спутников около планеты. К моменту, когда начали образовываться планеты, центральное тело системы уже существовало. Чтобы образовать планетную систему, центральное тело должно обладать магнитным полем, а пространство в его окрестностях должно быть заполнено разряженной плазмой. Без этого процесс планетообразования невозможен.
Солнце имеет магнитное поле. Источником плазмы служила корона молодого Солнца. Сегодня она стала меньше. Но даже сейчас планеты земной группы практически погружены в разряженную атмосферу Солнца, а солнечный ветер доносит ее частицы и к более далеким планетам.
Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения об образовании Солнца и планет из одного массива вещества в одном нераздельном процессе. Они считают, что сначала из газопылевого облака возникает первичное тело, затем к нему извне поступает материал для образования вторичных тел. Мощное гравитационное воздействие центрального тела притягивает поток газовых и пылевых частиц, пронизывающих пространство, которому предстоит стать областью образования вторичных тел.
Для такого утверждения есть основания. Были подведены итоги многолетнего изучения изотопного состава вещества метеоритов, Солнца, Земли. Обнаружены отклонения в изотопном составе тех же элементов на Солнце. Отсюда следует, что основная масса вещества Солнечной системы поступила из одного газопылевого облака, из которого и образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества с другим изотопным составом поступила из другого газопылевого облака, и она послужила материалом для формирования метеоритов и частично планет. Смешение двух газопылевых облаков произошло примерно 4,5 млрд. лет назад, что и положило начало образованию Солнечной системы.
Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитным моментом, имело размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его окружала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разреженную намагниченную плазму. Как и в наши дни, с поверхности Солнца вырывались протуберанцы, но выбросы тех лет имели протяженность в сотни миллионов километров и достигали орбиты современного Плутона. Токи в них существовали в сотни миллионов ампер и больше. Это способствовало стягиванию плазмы в узкие каналы. В них возникали разрывы, пробои, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути их следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и неравномерной. Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частицы вещества под действием гравитации падали к центральному телу. Но в короне они ионизировались и в зависимости от химического состава тормозились на разных расстояниях от центрального тела, т.е. с самого начала имела место дифференциация допланетного облака по химическому и весовому составу. В конечном счете, выделилось 3-4 концентрических области, плотность частиц в которых примерно на 7 порядков превышала плотность таких же частиц в промежутках. Это объяснило тот факт, что вблизи Солнца расположены планеты, которые при относительно малых размерах имеют высокую плотность (от 3 до 5,5 г/см3), а планеты-гиганты имеют намного меньшую плотность (1 – 2 г/см3). Метеориты и кометы формировались на окраине Солнечной системы за орбитой Плутона. В отдаленных от Солнца областях существовала особая плазма, в ней механизм выпадения вещества еще работал, но струйные потоки, в которых рождаются планеты, образовываться не могли. Слипание выпавших частиц привело в этих областях к единственно возможному результату – к образованию каменных тел.
Сегодня есть уникальные сведения о планетных системах Юпитера, Сатурна, Урана. Можно уверенно говорить о наличии общих характерных особенностей у них и у Солнечной системы как целого.
Совсем недавно появилась еще одна версия происхождения Солнечной системы, согласно которой все тела, вращающиеся вокруг Солнца: планеты, кометы, астероиды, метеориты в разное время рождены в плазме Солнца и им же выведены на орбиты.Планеты выводились Солнцем на первоначальные (околосолнечные) орбиты через временные интервалы 1,2–1,7 млрд. лет в виде плотных слоистых сфер, имеющих температуру внутри, близкую к абсолютному нулю. Слои сферы были сложены атомами химических элементов: каждому слою соответствовал тот или иной химический элемент. Сферы имели горячую плазменную атмосферу и собственное свечение.
Орбиты планет не замкнутые, а спиралевидные, т.е. все планеты удаляются от Солнца. Рожденные первыми Нептун и Плутон, имеющие возраст около 12 млрд. лет, успели удалиться на окраину Солнечной системы, а молодой Меркурий, возраст которого 1,7 млрд. лет, вращается относительно недалеко от Солнца. Возможно, существует совсем юная планета, имеющая возраст десятки тысяч лет. Ее орбита находится в непосредственной близости от Солнца внутри его короны. Юная планета невелика, обладает собственным свечением, возможно, такой же яркости как Солнце и поэтому на фоне Солнца заметить ее довольно сложно.
Спутники планет-гигантов – Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна – рождены и выведены на орбиты самими планетами. То есть спутники названных планет – это «внуки» Солнца. Удаляются от Солнца, обращаясь по более сложным, но не замкнутым, орбитам и остальные тела Солнечной системы. Кометы, имеющие параболические орбиты, скорее всего, пришельцы из других звездных систем.
Дифференциация химического состава планет позволяет предположить, что в процессе образования химических элементов в плазме Солнца должна существовать некоторая эволюционная периодичность, направленная от простых элементов к более сложным. Рождение планеты соответствует завершению образования химических элементов того или иного периода периодической системы Менделеева. Рожденные первыми внешние планеты (Плутон, Нептун, Сатурн, Юпитер) сложены химическими элементами 1–4-го периодов. Элементов более высоких периодов во время их образования на Солнце еще не было. Земля родилась 7-ой по счету, если считать Нептун и Плутон, родившимися совместно. Поэтому в химическом составе Земли наблюдается 7 периодов элементов. Марс был рожден шестым, поэтому в его химическом составе должны отсутствовать все элементы 7-го периода или частично, например, уран. По этой же причине, возможно, что на Венере, Меркурии и Юной планете могут быть новые более сложные и тяжелые элементы с порядковыми номерами значительно выше урановых.
Земля зародилась в плазме Солнца и выведена им на околосолнечную орбиту более 4,5 млрд. лет назад. Новорожденная была довольно шустрой. Она облетала вокруг Солнца примерно за 8 часов, а на оборот вокруг своей оси затрачивала около одного часа. Юная Земля представляла собой сферу радиусом в 1,5–2 раза меньше радиуса современной Земли. Внутри сфера имела тонкослоистое строение, где каждый слой плотностью от 5 до 500 м (всего 150–200 тыс. слоев) был сложен тем или иным элементом периодической таблицы Менделеева и имел температуру, близкую к абсолютному нулю. Поверхность Земли имела тонкий расплавленный слой, образовавшийся вследствие разогрева замороженных атомарных слоев и перехода их в молекулярное состояние еще в плазме Солнца. Поверхностный слой представлял собой магму основного состава с температурой выше 1500 градусов. У Земли была горячая плазменная атмосфера, поэтому юная Земля светилась как звезда.
На околосолнечной орбите под действием мощных центробежных сил, имевших место вследствие быстрого осевого вращения Земли, часть расплавленного слоя в виде большой капли отделилась от Земли и стала вращаться вокруг нее. Так образовалась Луна. За 4,5 млрд. лет Земля и Луна удалились по спирали от Солнца и заняли предопределенные им законом тяготения современные орбиты. Луна за это время изменилась не сильно. Она лишь остыла и увеличила околоземный радиус орбиты. В настоящее время Луна представляет собой практически однородную сферу, выполненную магматическими породами основного состава. В ядре Луны не исключено присутствие еще не остывшей расплавленной магмы также основного состава.
Основные понятия темы:
Вселенная – (1) весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве, и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития.
– (2) часть материального мира, которая доступна исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки.
Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет.
Космогония – учение о происхождении и эволюции космических тел и их систем.
Космология – учение о Вселенной как целом, основанное на исследовании той ее части, которая доступна для астрономических наблюдений и других способов ее изучения.
Сингулярность – начальное сверхплотное состояние Вселенной.
Галактика – гигантские (до сотен миллиардов звезд) звездные системы.
Звезда – самосветящееся небесное тело, состоящее из раскаленных газов.
Протозвезда – обособившиеся из газопылевого облака в результате его гравитационной неустойчивости плотной конденсации вещества, в недрах которых еще не достигнуты температуры, необходимые для начала термоядерных реакций – основного источника энергии звезд.
Белые карлики – звезды, отличающиеся большой плотностью вещества, имеющие размеры и светимость, в сотни и тысячи раз меньшие, чем размеры и светимость Солнца, и вместе с тем высокую температуру.
Красный гигант – звезда высокой светимости, в сотни и тысячи раз превышающая размеры Солнца.
Сверхновая звезда – звезда, излучающая во время вспышки свет в сотни миллионов раз интенсивнее, чем Солнце.
«Черная дыра» – космический объект, обладающий гигантскими силами тяготения и ничего из себя не выпускающий.
Квазар – мощный источник космического радиоизлучения, представляет собой, скорее всего, исключительно активные ядра очень далеких галактик.
Пульсар – источник космического радиоизлучения с очень большой стабильностью периода.
Планета – массивное небесное тело шарообразной формы, которое движется вокруг Солнца и светит отраженным светом.
Астероид – малые планеты.
Реликтовое излучение – фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с температурой около 3 К.
Световой год – единица для измерения расстояний во Вселенной, соответствует длине пути, который проходит свет за 1 год.
Тема 10. Пространство и время в современной научной картине мира
1. Развитие представлений о пространстве и времени в истории науки
Классическая концепция пространства и времени
Пространство и время – основные понятия физики, и в то же время универсалии культуры (выраженные в категориях философии), имеют длительную историю.
Впервые понятие пространства как пустоты появляется у Демокрита. Существуют атомы, и пустота необходима для их соединения и перемещения. Евклид в своем труде «Начала» придал строгую математическую форму пространственным характеристикам объектов. Зарождаются геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве. Птолемей в своем труде «Альмагест» изложил свою геоцентрическую систему, которая господствовала в естествознании до XVI века. Это первая универсальная математическая модель мира, где время бесконечно, а пространство конечно, где происходит равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли. Коперник в своей книге «Об обращении небесных сфер» изложил гелиоцентрическую систему, которая разрушила прежние представления и направила мысль к пониманию безграничности и бесконечности пространства. Джордано Бруно в труде «О бесконечности, Вселенной и мирах» связал воедино бесконечность Вселенной и пространства. Его выводы получили свое обоснование в небесной физике Кеплера и Галилея. В своем труде «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой» Галилей сформулировал два основных принципа механики: принципа инерции и принципа относительности. По существу эти принципы описывают свойства пространства Вселенной. Окончательную формулировку эти принципы получили в механике Ньютона. Согласно принципу относительности Галилея все физические явления происходят одинаково во всех инерциальных системах, т.е. таких, которые покоятся или двигаются равномерно и прямолинейно. Законы движения выражаются одной математической формой: уравнения движения при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, они инвариантны (неизменны) по отношению к преобразованиям координат.
Р. Декарт обосновал единство физики и геометрии, он пришел к отождествлению материальности и протяженности. Он ввел систему координат. Галилей и Декарт подготовили математическое и экспериментальное обоснование свойств пространства и времени в классической механике.
Ньютон в классической механике представляет новую гравитационную модель Вселенной. Она опирается на закон всемирного тяготения. Сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. «Математические начала натуральной философии» (1687) почти на 200 лет определили развитие естествознания. Он сформулировал понятия движения, пространства и времени:
Пространство является бесконечным, плоским, прямоугольным, эвклидовым, т.е. метрические свойства описываются геометрией Евклида. Пространство рассматривается как абсолютное, пустое, однородное, изотропное и является «вместилищем» материальных тел и не зависимой от них инерциальной системой.
Время – абсолютно, однородно, равномерно текущее, синхронно и однообразно во всей вселенной, и как чистая длительность, не зависимо от свойств материальных объектов.
Эта концепция пространства и времени получила название субстанциональной, в ней пространство и время рассматриваются как самостоятельные сущности.
В XVII в. выдающийся немецкий философ Г. Лейбниц предложил реляционную концепцию пространства и времени: пространство – порядок сосуществования объектов, время – последовательность их смены. Однако она не оказала влияния, т.к. была недостаточной для объяснения законов движения.
Поэтому почти двести лет господствовала субстанциональная (классическая) концепция пространства и времени.
Рассмотрим две инерциальные системы:
точка М неподвижна относительно первой системы координат и ее координаты (x, y, z). Вторая система координат движется относительно первой в направлении оси x со скоростью v. Уравнения Галилея для случая равномерного движения вдоль оси подвижной системы относительно неподвижной имели такой вид:
x = x – vt; y = y; z = z; t = t.
Пример: два наблюдателя, один из которых находится на перроне и не подвижен по отношению к другому. С точки зрения второго наблюдателя первый движется к концу поезда.
Уравнения называются преобразованиями Галилея. Следствием из них является правило сложения скоростей: скорость движения одного объекта относительно другого является суммой или разностью их скоростей по отношению к неподвижной системе координат.
Опыты по измерению скорости света относительно Земли, проводимые в 1881 г. Морли и Майкельсоном, привели к парадоксальному результату, – нарушалось правило сложения скоростей:
c + v = c – v = c.
Парадокс был разрешен А. Эйнштейном, который создал специальную теорию относительности (СТО). В 1905 г. он выступил с докладом «К электродинамике движущихся сред». Релятивистская физическая теория наряду с квантовой теорией легли в основу физики и всего естествознания ХХ в.
СТО базируется на двух постулатах:
Все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета (принцип относительности).
Скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения источника и приемника света (принцип постоянства скорости света).
Скорость света – предельная скорость распространения материальных воздействий, по отношению к скорости света все движущиеся тела на Земле имеют скорость, равную нулю.
Эйнштейн использовал преобразования Х.А. Лоренца:
.
Выдающийся нидерландский физик Хендрик Антон Лоренц придумал их в 1904 г. для того, чтобы законы электромагнетизма (уравнения Максвелла) сохранили свой вид при переходе из одной инерциальной системы в другую (ведь явления электромагнетизма не зависят от того, с какой скоростью движется система отсчета). Преобразования Лоренца количественно выражают тот факт, что о времени и о пространстве (координатах) нельзя говорить как о независимых друг от друга понятиях.
Эйнштейн доказал, что в преобразованиях Лоренца отражаются не реальные изменения размеров тел при движении (это возможно только в абсолютном пространстве), а изменения результатов измерения в зависимости от движения системы отсчета. Относительными являются, не только движение, но и пространство и время.
В теории относительности в отличие от второго закона Ньютона, где масса считалась постоянной, масса зависит от скорости движения:
.
Движение тел невозможно со скоростями близкими к скорости света, т.к. масса при этом растет и приближается к бесконечности. Как шутят по этому поводу физики, можно стать миллионером, разогнав до космической скорости одну-единственную золотую монету. Только, во-первых, этот миллион уйдет на строительство ускорителя, а во-вторых, полученным богатством при таких скоростях трудно будет воспользоваться. Зависимость массы от скорости – это чисто релятивистский эффект. Как и другие релятивистские эффекты, он проявляется только при скоростях, соизмеримых со скоростью света. Его наблюдают, например, в ускорителях заряженных частиц.
Альберт Эйнштейн объединил своей СТО пространство и время в единый пространственно-временной континуум. Из этого следует, что положение любого тела определяют четыре параметра (x, y, z, t). Эта теория потребовала другой геометрии (неэвклидовой) и нашла выражение в 4-хмерном мире Германа Минковского. Положение любого объекта описывает мировая линия, которая находится внутри конуса, описываемого лучом света.
В 1908 году немецкий математик Г. Минковский, развивая идеи теории относительности, заявил: «Отныне пространство само по себе и время само по себе должны обратиться в фикции, и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность». Здесь имеются в виду два обстоятельства:
1) относительность промежутков времени и пространственных длин, их зависимость от выбора системы отсчета; 2) то, что пространство и время тесно связаны между собой (это главное). Они есть проявления некоторой единой сущности – четырехмерного пространства-времени. Вот этой их неразрывности и не знала прежняя физика. Что же представляет собой эта неразрывная связь?
Пространственные расстояния можно определять, измеряя время, за которое свет или вообще любые электромагнитные волны проходят измеряемое расстояние. Это так называемый метод радиолокации. Расстояние измеряется просто умножением постоянной скорости С на время прохождения электромагнитного сигнала. До теории Эйнштейна не знали, что скорость света постоянна, и никому бы и в голову не пришло так просто измерять расстояния.
Можно поступить и наоборот: измерять время световым сигналом, пробегающим известное расстояние. Если, например, заставить световой сигнал бегать, отражаясь между двумя зеркалами, отстоящими на три метра друг от друга, то каждый пробег будет длиться одну стомиллионную долю секунды. Сколько раз пробежал этот своеобразный световой маятник между зеркалами, столько стомиллионных долей секунды прошло.
Понять четырехмерный континуум не трудно, сложно наглядно представить себе четырехмерный мир. Очень просто нарисовать плоские геометрические фигуры на листе бумаги – они имеют длину и ширину. Гораздо труднее воображать трехмерные фигуры в пространстве - пирамиды, конусы, секущие их плоскости и т.д. Что касается воображения четырехмерных фигур, то иногда это очень трудно даже для специалистов, всю жизнь работающих с теорией относительности. Стивен Хокинг, например, известный английский физик-теоретик, крупнейший специалист в теории относительности так и говорит: «Невозможно вообразить четырехмерное пространство. Я сам с трудом представляю фигуры в трехмерном пространстве!». Но при этом специалисты с успехом используют понятие пространства-времени. Так в пространстве-времени можно линией изображать движение какого-либо тела. Если по горизонтальной оси (оси абсцисс) изобразить расстояние в пространстве по одному направлению, а по вертикальной (оси ординат) - отложить время. Для каждого момента времени отмечаем положение тела. Если тело покоится, то есть его расположение не меняется, то это на нашем графике изобразится вертикальной линией. Если тело движется с постоянной скоростью - мы получим наклонную прямую. При произвольных же движениях получается кривая линия. Такая линия получила название мировой линии. В общем случае надо вообразить, что тело может двигаться не только по одному направлению, но и по другим двум в пространстве тоже. Его мировая линия будет изображать движение тела в четырехмерном пространстве-времени.
Внешне это выглядит как «равноправие» пространства и времени, их значения просто отложены по разным осям координат. Но все же разница между ними существенная: в пространстве можно быть неподвижным, а во времени - нельзя. Мировая линия покоящегося тела изображается вертикально. Тело как бы увлекается потоком времени вверх, даже если оно не движется в пространстве. Мировая линия не может остановиться, оборваться в какой-то момент, ведь время не останавливается. Пока тело существует, непрерывно продолжается и его мировая линия.
Независимо от способности к наглядным представлениям физики-теоретики используют понятие о четырехмерном мире как рабочий инструмент для своих расчетов, оперируя мировыми линиями тел, вычисляя их длину, точки пересечения и так далее. Они развивают в этом четырехмерном мире четырехмерную геометрию, подобную геометрии Евклида. В честь Г. Минковского четырехмерный мир называют пространством-временем Минковского.
В то же время объяснительные и предсказательные функции СТО с точки зрения классических представлений выглядят явно парадоксально. Знаменитые парадоксы СТО:
парадокс одновременности: два события, происходящие одновременно в разных местах одной системы отсчета, не являются одновременными в другой системе отсчета.
х1 х2 , t1 = t2 , тогда t1 t2.
парадокс длины: длина l тела, измеренная в неподвижной системе отсчета, и длина l того же тела, измеренная в движущейся системе отсчета, не одинаковы и связаны соотношением: l= l 1-v2/c2
парадокс времени: время t протекания процесса в движущейся системе отсчета и время t протекания этого же процесса в неподвижной системе отсчета не одинаковы и связаны соотношением:t =t 1- v2/c2
А. Эйнштейна не покидало чувство незавершенности своей теории: как быть с наблюдателем, находящимся в системе отсчета, движущейся по отношению к другой с ускорением, т.е. в неинерциальной системе. Другая проблема возникла при попытке представить в рамках СТО тяготение.
Закон тяготения в том виде, как его сформулировал И.Ньютон, несовместим с теорией относительности. В самом деле, согласно утверждению Ньютона сила, с которой одно тело притягивает другое, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Поэтому, если притягивающее тело сдвинется, расстояние между телами изменится, и это мгновенно скажется на силе притяжения, влияющей на притягиваемое тело. Таким образом, по Ньютону, тяготение мгновенно передастся сквозь пространство. Но согласно теории относительности этого быть не может. Скорость передачи любой силы не может превышать скорость света, и тяготение не может передаваться мгновенно.
В 1915 году Эйнштейн завершил создание новой теории, объединяющей теории относительности и тяготения. Он назвал ее общей теорией относительности (ОТО). Теория тяготения Эйнштейна утверждает, что тяготеющие тела искривляют вокруг себя четырехмерное пространство-время. То, что четырехмерное пространство может быть искривленным, теоретически было открыто в начале прошлого века почти одновременно русским математиком Н.Лобачевским и венгерским математиком Я. Больяй. Немецкий математик Б.Риман стал рассматривать «искривленные» пространства не только с тремя измерениями, но и четырехмерные и вообще с любым числом измерений. С той поры геометрию искривленного пространства стали называть неевклидовой. Первооткрыватели неевклидовой геометрии не знали, в каких конкретно условиях может проявиться их геометрия, хотя отдельные догадки об этом высказывали. Созданный ими и их последователями математический аппарат был использован при формулировке общей теории относительности.
Итак, согласно основной идее А.Эйнштейна тяготеющие массы искривляют вокруг себя пространство-время. Пространство воздействует на материю, «указывая» ей, как двигаться. Материя, в свою очередь, оказывает обратное действие на пространство, «указывая» ему, как искривляться. В этом объяснении все необычно – и неподдающееся наглядному представлению искривленное четырехмерное пространство-время, и необычность объяснения силы тяготения геометрическими причинами. Физика здесь впервые напрямую связывается с геометрией. Знакомясь с успехами физики, чем ближе мы подходим к нашей эпохе, тем необычнее становятся ее открытия, а понятия все менее поддаются наглядным представлениям. Природа в ее нынешнем понимании настолько сложна, что требует от исследователя все больших усилий, в том числе и богатого воображения. После создания своей теории Эйнштейн указал на эффект замедления времени: в сильном поле тяготения время течет медленнее, чем вне его. Это означает, например, что любые часы у поверхности Солнца идут медленнее, чем на поверхности Земли, ибо тяготение Солнца больше, чем тяготение Земли. По аналогичной причине часы на некоторой высоте над поверхностью Земли идут чуть быстрее, чем на самой поверхности.
Итак, ОТО говорит о том, что свойства пространства и времени определяются движением материи, гравитационное поле искривляет пространство и меняет течение времени. В апреле 1921 г. А. Эйнштейн в интервью для американской газеты «Нью-Йорк Таймс» так пояснил суть своей теории относительности:
«… раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство и время».
ОТО – теория, распространяющая принцип относительности на любые системы отсчета и представляющая из себя более общую теорию тяготения, содержит в себе теорию Ньютона как предельный случай. ОТО имеет экспериментальное подтверждение и является мощным аппаратом в ядерной физике и физике элементарных частиц. В частности, такими примерами могут служить полученные при наблюдении солнечного затмения в 1919 г. и 1921 г. факты искривления светового луча гравитационным полем, которые оказались близкими к расчетам, полученным на основании ОТО. А также открытие в 1929 г. Хабблом так называемого «красного смещения» свидетельствовало о том, что Вселенная не статична, а расширяется.
В космических масштабах геометрия пространства перестала быть евклидовой. Так, если в евклидовой геометрии предполагается, что сумма углов треугольника составляет 180о, то сумма углов треугольника, изображенного на поверхности сферы, больше 180о, а на седловидной поверхности – меньше 180о. Поверхность сферы в неевклидовой геометрии называется поверхностью положительной кривизны, а поверхность седла – отрицательной. При скоростях, близких к скорости света, при сильном тяготении пространство приходит в сингулярное состояние, сжимается в точку. Мегамир через это сжатие взаимодействует с микромиром и становится во многом аналогичным ему. Классическая механика справедлива как предельный случай лишь при скоростях, намного меньших световой, и при массах, намного меньших, чем в мегамире.
Таким образом, мы еще раз имеем случай убедиться в том, что в развитии науки было выработано интересное требование: всякая новая теория должна включать в себя старую (в уточненном виде) для тех условий, при которых она справедлива. Как говорил А. Эйнштейн, лучший жребий физической теории – послужить основой для более общей теории, оставаясь в ней предельным случаем.
3. Формы пространства и времени
Современная наука использует понятия физического, биологического, психологического и социального пространства и времени. Физическому пространству и времени приписываются следующие характеристики: всеобщность, т.к. эти формы присущи всем без исключения материальным объектам на любом уровне, пространство обладает также свойствами протяженности – наличие определенного местоположения, изотропности – равномерность всех возможных направлений, однородности – отсутствие каких-либо выделенных точек, трехмерности; времени приписываются свойства длительности – продолжительности существования любого материального объекта, одномерности – положение объекта во времени описывается единственной величиной, необратимости – однонаправленность от прошлого к будущему, однородности – отсутствие каких-либо выделенных фрагментов.
Биологическое пространство-время характеризует особенности существования органической материи, для него характерны свойства асимметрии правого и левого; главными характеристиками биологического времени является цикличность (ритмичность), неравномерность – собственное время живых организмов характеризуется разным темпом, имеет индивидуальную меру, может убыстряться или замедляться в зависимости от состояния организма, периода его жизни и т.п. Для человека характерно также психологическое время, которое, как и биологическое, обладает неравномерностью, зависящей от состояния человека и происходящих вокруг него событий, темп и плотность психологического времени напрямую связаны с возрастом человека.
Социальное пространство-время не существует вне практической деятельности человека, это освоенные человеком сферы, наделенные особым культурным смыслом.
Основные понятия темы:
Пространство – философская категория для обозначения протяженности, порядка сосуществования и структурированности материальных объектов.
Время – философская категория для обозначения длительности, последовательности смены состояний, интенсивности, темпа и ритма существования материальных объектов.
Движение – любое изменение и взаимодействие вообще.
Инерциальная система – система, которая покоится или движется равномерно и прямолинейно. Уравнения движения при переходе от одной инерциальной системы к другой инвариантны (неизменны) по отношению к преобразованиям координат.
Неинерциальная система – система, которая движется с ускорением или замедлением.
Принцип относительности – все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
Пространственно-временной континуум – неразрывная связь пространства и времени и их зависимость от системы отсчета.
Тема 11. Основные концепции химии
1. Химия как наука, ее предмет и проблемы
Важнейшим разделом современного естествознания является химия. Она играет большую роль в решении наиболее актуальных и перспективных проблем современного общества. К их числу относят:
Все химические знания, приобретаемые за многие столетия и представленные в форме теорий, законов, методов, технологических прописей и т.д. объединяет одна-единственная непреходящая, – главная задача химии – задача получения веществ с необходимыми свойствами.
Существует множество определений химии. Ее называют, во-первых, наукой о химических элементах и их соединениях; во-вторых, наукой о веществах и их превращениях; в-третьих, наукой о процессах качественного превращения веществ. Они слишком кратки и не дают полного ответа. Определяя химию как науку, следует иметь в виду два обстоятельства: во-первых, химия – не просто сумма знаний о веществах, а высоко упорядоченная, постоянно развивающаяся система знаний, имеющих определенное социальное назначение. Во-вторых, специфика химии в том, что в отличие от других наук химия сама создает свой предмет исследования. Как никакая другая наука, она является одновременно и наукой, и производством. Химия всегда была нужна человеку в основном для того, чтобы получать из вещества природы вещества с необходимыми заданными свойствами. Это – производственная задача и, чтобы ее реализовать, надо уметь производить качественные превращения вещества. Другими словами, чтобы решить производственную задачу, химия должна решить теоретическую задачу генезиса (происхождения) свойств вещества. Таким образом, основанием химии является двуединая проблема: получение веществ с заранее заданными свойствами (производственная задача) и выявление способов управления свойствами вещества (научно - исследовательская деятельность). Это и есть основная проблема химии – она возникает в древности и не теряет своего значения в наше время, конечно, способы ее решения меняются в зависимости от эпох, развития материального производства и познания.
Истоки химических знаний лежат в глубокой древности. Химические превращения использовались людьми еще в те времена, о которых не сохранилось письменных памятников. Эти химические «средства труда» (и, прежде всего, реакция горения) имели очень большое значение. При их помощи были заложены основы развития почти всех областей производства веществ, необходимых для прогресса человеческого общества. Огонь, очаг, печь, гончарное ремесло, металлургия, изготовление стекла, обработка кожи, приготовление продуктов брожения, красок, лекарств, средств косметики – все это основные ступени совершенствования и усложнения использованных человеком средств труда. Без расцвета разнообразных химических ремесел вряд ли было бы возможно появление высокоразвитых цивилизаций древних государств – Китая, Индии, Египта, Греции и Рима – с их товарообменом, письменностью и замечательной культурой. В древности наивысший уровень химических знаний совпал с расцветом Римской империи.
Исключительное значение для развития химии имело атомно-молекулярное учение, колыбелью которого является Древняя Греция. Атомистика древнегреческих материалистов отделена от нас 25-вековым периодом, однако философское учение о дискретном строении материи, развитое ими, невольно сливается в сознании с нашими сегодняшними представлениями.
Как же зародилась атомистика?
Основным научным методом древнегреческих философов являлись дискуссия, спор. Для поиска «первопричин» в спорах обсуждались многие логические задачи, одной из которых являлась задача о камне: что произойдет, если начать его дробить? Большинство философов считало, что этот процесс можно продолжать бесконечно. И только Левкипп и его последователи утверждали, что этот процесс не бесконечен: при дроблении, в конце концов, получится такая частица, дальнейшее деление которой просто будет невозможно. Основываясь на этой концепции, Левкипп утверждал: материальный мир дискретен, он состоит из мельчайших частиц и пустоты.
Ученик Левкиппа Демокрит назвал эти мельчайшие частицы «неделимые», что по-гречески значит «атомы». Это название мы используем и сегодня. Демокрит, развивая новое учение – атомистику, приписал атомам такие «современные» свойства, как размер и форму, способность к движению. Последователь Демокрита Эпикур придал древнегреческой атомистике завершенность, предположив, что у атомов существует внутренний источник движения, и они сами способны взаимодействовать друг с другом.
Все положения древнегреческой атомистики выглядят удивительно современно, и нам они, естественно, понятны. Ведь любой из нас, ссылаясь на опыт науки, может описать множество интересных экспериментов, подтверждающих справедливость любой из выдвинутых концепций. Но совершенно непонятны они были 20-25 веков назад, поскольку никаких экспериментальных доказательств, подтверждающих справедливость своих идей, древнегреческие атомисты представить не могли.
Итак, хотя атомистика древних греков и выглядит удивительно современно, ни одно из ее положений в то время не было доказано. Следовательно, атомистика, развитая Левкиппом, Демокритом и Эпикуром была и остается просто догадкой, смелым предположением, философской концепцией, не подкрепленной практикой. Это привело к тому, что одна из гениальных догадок человеческого разума постепенно была предана забвению.
Об учении атомистов не вспоминали почти 20 веков. И лишь в XVII веке идеи древнегреческих атомистов были возрождены благодаря работам французского философа Пьера Гассенди (1592 – 1655 г.г.). Почти 20 лет он потратил, чтобы восстановить и собрать воедино забытые концепции древнегреческих философов, которые он подробно изложил в своих трудах «О жизни, нравах и учении Эпикура» и «Свод философии Эпикура». Эти две книги, в которых воззрения древнегреческих материалистов впервые были изложены систематически, стали учебником для европейских ученых и философов. До этого единственным источником, дававшим информацию о воззрениях Демокрита и Эпикура, была поэма Лукреция «О природе вещей».
История науки знает немало удивительных совпадений. Вот одно из них: возрождение древнегреческой атомистики совпадает по времени с открытием Р. Бойлем (1627 – 1691 г.г.) фундаментальной закономерности, описывающей изменения объема газа от его давления. Качественное объяснение фактов, наблюдаемых Р. Бойлем, может дать только атомистика: если газ имеет дискретное строение, т.е. состоит из атомов и пустоты, то легкость его сжатия обусловлена сближением атомов в результате уменьшения свободного пространства между ними.
Первая робкая попытка применения атомистики для объяснения количественно наблюдаемых явлений природы позволила сделать два очень важных вывода:
Только в XVIII веке ученые вплотную занялись исследованием газов. Последовал каскад открытий простых веществ: водород, азот, кислород, хлор. А несколько позже химики установили те законы, которые принято называть основными законами химии.
Закон сохранения массы сформулирован М.В. Ломоносовым в 1748 году и А. Лавуазье в 1777 году. Он гласит: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.
В 1801 году Ж. Пруст установил закон постоянства состава, согласно которому каждое химически чистое соединение независимо от способа его получения имеет вполне определенный состав.
Закон эквивалентов был сформулирован В. Рихтером в 1794 году. Он гласит: во всех химических реакциях взаимодействие различных веществ друг с другом происходит в соответствии с их эквивалентами, независимо от того, являются ли эти вещества простыми или сложными.
В 1803 году Д. Дальтон открыл закон кратких отношений, который представляет собой дальнейшее развитие закона эквивалентов, основанное на последовательном анализе ряда химических соединений, образующихся при взаимодействии друг с другом любых химических элементов. Вот его формулировка: если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то на одну и ту же массу одного из них приходятся такие массы другого, которые соотносятся между собой как простые целые числа.
Используя открытый им закон кратных отношений, закон эквивалентов и закон постоянства состава, Д. Дальтон создал новую версию атомистической теории. В ней атом из отвлеченной модели превратился в конкретное химическое понятие.
В серьезном противоречии с выводами атомистики Д. Дальтона оказался открытый Ж. Гей-Люссаком (в 1805 г.) закон объемных отношений, согласно которому объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу, а также к объему получающихся газообразных продуктов как простые целые числа. Для объяснения наблюдавшихся закономерностей соединения газов оказалось необходимым предположить, что любые газы, в том числе и простые, состоят не из атомов, а молекул. В равных объемах различных газов при одинаковой температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Это положение, высказанное в 1811 году А. Авогадро, вошло в химию как закон Авогадро. Однако в начале XIX века он не получили должного признания: даже крупные химики того времени отрицали возможность существования молекул, состоящих из нескольких одинаковых атомов. И только спустя полвека в сентябре 1860 года на I Международном съезде химиков в Германии, в г. Карлсруэ были окончательно приняты основные положения атомно-молекулярного учения:
Дальнейшее развитие атомно-молекулярного учения стало возможным благодаря открытию Д.И. Менделеева в 1869 году периодического закона химических элементов и создания его табличного выражения – периодической системы. Оказалось, что периодичность изменения свойств химических элементов и их соединений, связаны с повторяющейся структурой электронных оболочек их атомов.
На рубеже XIX – XX веков в химии начали прослеживаться кризисные тенденции, поскольку подверглась сомнению истинность сложившейся атомно-молекулярной концепции, т.к. она не могла объяснить некоторые экспериментальные данные, полученные к концу XIX века. Открытие электрона, радиоактивность, по мнению многих химиков, разрушили основы объективного анализа химических процессов. Однако дальнейшее исследование сложного строения атома прояснило причину связи атомов друг с другом. Это – химическая связь, указывающая на действие электростатических сил между атомами. Это силы взаимодействия электрических зарядов, а их носители – электроны и ядра атомов. В образовании химической связи между атомами наиболее важны валентные электроны, которые расположены на внешней оболочке и связаны с ядром менее прочно. Различаются три основных типа химической связи: ковалентная, ионная и металлическая.
Химическая связь – это взаимодействие, связывающее отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы. Они являются теми структурными уровнями организации материи, которые изучает химия. Энергия связи является важнейшей характеристикой химической связи, определяющей ее прочность. Количественно она оценивается при помощи энергии, которая затрачивается на ее разрыв. Вопрос об энергетике различных химических процессов, о степени превращения веществ в химических реакциях связан с применением в химии законов термодинамики. Химическая кинетика выявляет механизм реакции, качественные и количественные изменения химических процессов. Стало очевидным, что химическая картина мира оказалась много сложнее, чем это представлялось в XIX веке. Позиции атомно-молекулярной теории продолжали усиливаться в XX веке.
Таковы общие представления о предмете химии как науки и о круге ее проблем.
2. Основные этапы (концепции) развития химии
Химия должна ответить на вопрос, от чего зависят свойства вещества. Исторически сформировались четыре способа решения этого вопроса. Свойства вещества зависят
1) от его элементного и молекулярного состава (1660 гг.)
2) от структуры его молекул – структурная химия (1880 гг.)
3) от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции (1950 гг.)
4) от уровня химической организации вещества – эволюционная химия(1970 гг.).
До середины XVII века не был известен ни один химический элемент. Во второй половине ХVII в. в работах английского ученого Р. Бойля было доказано, что качества и свойства тела зависят от того, из каких материальных элементов тело составлено. С этого момента стали считать, что наименьшей частицей простого тела является молекула. После открытия ряда элементов первую попытку их классификации сделал Лавуазье, эта работа была успешно завершена в 1867 г. Д.И. Менделеевым.
В 1860 г. А.М. Бутлеровым была создана химическая теория строения вещества, которая положила начало структурной химии. Стало ясно, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом, но и структурой молекул. Появилось понятие «реакционная способность», в него включались представления о химической активности отдельных элементов молекулы – атомов, атомных групп и даже отдельных химических связей. В 1860-е годы появляется термин «органический синтез». Химия превратилась из науки главным образом аналитической в синтетическую. Этот период связан с развитием производства анилиновых красителей для текстильной промышленности, искусственного шелка, взрывчатых веществ, различных лекарств и др. Но этот этап был не долгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине ХХ в. выдвинули новые требования к производству материалов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов имеющихся знаний было не достаточно. Нужно было исследовать изменения свойств веществ в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость химических процессов.
Химия становится наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Она обеспечивает производство синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительстве, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Многие материалы стали производиться из нефтяного сырья, а производство азотных удобрений – из азота и воздуха. Появились новые технологии.
В 60-70-е годы ХХ в. возник четвертый способ решения главного вопроса химии. Он открыл путь использования в производстве материалов самые высокоорганизованные химические системы, которые возможны в настоящее время. В основе этого способа лежит принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. (Это своеобразная биологизация химии). Возникает эволюционная химия. Ее считают предбиологией, т.е. наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем. Химия связывается с биологией. Долгое время эти две науки шли каждая своим путем, параллельно, чему способствовали представления о непроходимой грани между живым и неживым. Лишь открытие в ХХ в. микромира позволило увидеть практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке; обусловленности биологических функций химическими реакциями. В то же время стало совершенно ясно, что нельзя сводить явления жизни к химическим реакциям (антиредукционизм). Специфика химических процессов в живых системах состоит в самосохранении, самовоспроизведении живой системы. В 60–е годы ХХ в. были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции. Обычно они дезактивировались в процессе работы, ухудшались и выбрасывались. Исследования в области биокатализаторов ориентировались на естественный отбор каталитических структур, осуществляемый природой на пути эволюции от неорганической материи к органической. Результатом явилась информация об отборе химических элементов и структур, который оказался подобен биологической эволюции. Ныне известно более ста химических элементов. Большинство из них участвуют в жизнедеятельности организмов. Однако основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Общая весовая доля их в организме более 97%. За ними следуют 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме – 1,6 %.
3. Химические системы и процессы
Интенсивное развитие химии в XX веке, характеризующееся разработкой принципиально новых научных направлений и технологических процессов, синтезом ранее неизвестных типов химических соединений, новыми условиями осуществления химических реакций (в плазме, твердой фазе, неводных и смешанных растворителей), способствовало пересмотру и систематизации фундаментальных химических представлений с позиции современного естествознания.
Значительно обогатились знания об уровнях химической организации материи. Низшим исходным уровнем химической организации материи является атом. Атом – система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов. Атомы образуются при взаимодействии только трех типов элементарных частиц, но при этом возникает большой набор самых разнообразных устойчивых (или неустойчивых) систем. Весь образовавшийся ансамбль подразделяется на совокупность, в каждую из которых входят только атомы, характеризующиеся одним и тем же зарядом ядра. Эти совокупности называются химическими элементами.
Следующим, более высоким уровнем химической организации материи после атома, является молекула. Молекула – нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов, связанных, вследствие химического взаимодействия, в определенном порядке (т.е. обладающая определенной структурой), не имеющая, как правило, не спаренных электронов и способная к самостоятельному существованию. Молекулы могут состоять как из атомов одного и того же элемента – гомоатомные или гомоядерные, так и из атомов различных элементов – гетероатомные или гетероядерные.
Дальнейшее усложнение химической организации материи происходит при взаимодействии атомных и молекулярных частиц, ведущем к образованию более сложных совокупностей – молекулярных ассоциаций и агрегатов. Важно отметить, что ассоциаты существуют главным образом в газообразном или жидком состояниях, а агрегаты – в твердом.
В XX веке продолжает уточняться периодический закон химических элементов. В настоящее время он формулируется следующим образом: свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра их атомов.
Продолжает развиваться и периодическая система. Была упразднена введенная Д.И. Менделеевым нулевая группа. Изучение химических свойств благородных газов, показало, что они являются элементами главной подгруппы VIII группы периодической системы.
Понятие вещества как вида материи, характеризующегося массой покоя, перестало удовлетворять современных химиков. Сейчас вещество, с точки зрения химии, это определенная совокупность атомных и молекулярных частиц, их ассоциатов и агрегатов, находящихся в любом из трех агрегатных состояний. Простые вещества – это вещества, состоящие из атомов одного и того же элемента, а сложные вещества образуются при химическом взаимодействии атомов разных химических элементов. Природа сложных веществ – химических соединений – зависит от химической связи. Широта понятия химической связи не позволяет дать его четкого определения. Можно ограничиться следующим: под химической связью понимается такой вид взаимодействия между атомно-молекулярными частицами, который обусловлен совместным использованием их электронов. При этом имеется в виду, что такое обобществление электронов взаимодействующими частицами может изменяться в широких пределах.
Важной количественной характеристикой, показывающей число взаимодействующих между собой атомов в образовавшейся молекуле, является валентность. Это понятие возникло в химии более 100 лет. Им обозначили свойство атомов одного элемента присоединять определенное число атомов других элементов. Современные представления о строении атома связывают валентность с числом неспаренных элементов, благодаря которым осуществляется связь между атомами.
Современная теория химической связи дает удовлетворительные ответы на следующие вопросы:
Почему и каким образом из свободных атомов образуются молекулы?
Почему атомы соединяются друг с другом в определенных соотношениях?
Каковы эти соотношения для различных химических элементов?
Какова геометрическая форма молекул и как она связана с электронной структурой составляющих ее атомов?
Связь атомов посредством электронных пар называют ковалентной связью. Разновидность ковалентной связи, образованной атомами, называют неполярной, а образованной двумя разными атомами – полярной или поляризованной.
Ионной называют химическую связь между ионами – заряженными частицами, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов. Вещества, образованные из ионов, называются ионными соединениями.
Металлическая связь проявляется при взаимодействии атомов элементов, имеющих избыток свободных валентных орбиталей по отношению к числу валентных электронов.
Водородная связь обусловлена дополнительным взаимодействием между ковалентно связанным атомам водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом той же самой или другой молекулы.
Учение о химических связях составляют основу современной теории химического строения. Согласно ей, химическое строение – это не только порядок элементарной связи атомов и их взаимное влияние в веществе, но и направление, и прочность связей, межатомные расстояния, распределение плотности электронного облака, эффективные заряды атомов и т.п.
В XX веке химия все более становилась наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, сколько наукой о процессах и механизмах изменения веществ. Химические процессы представляют собой сложнейшие явления, как в неживой, так и в живой природе. Они протекают в форме взаимодействия двух или нескольких веществ, приводящего к образованию новых веществ. Склонность вещества вступать в те или иные химические взаимодействия называется его реакционной способностью, о которой судят по числу и разнообразию характерных для данного вещества превращений. Суть этой способности можно понять с точки зрения активности химических элементов. Наиболее активными являются неметаллы с минимальной атомной массой и имеющие во внешней оболочке 6 или 7 электронов. В качестве примера можно привести кислород: ведь в нем горит даже железо. Что касается металлов, то наиболее активными из них являются элементы, принадлежащие I и II группам таблицы Менделеева, имеющие на внешнем уровне соответственно 1 и 2 валентных электрона и большую атомную массу. Например, барий легко разлагает воду даже при комнатной температуре, а соприкосновение цезия с водой очень часто приводит к взрыву. В то же время элементы с полностью укомплектованной оболочкой являются неактивными (например, инертные газы: неон, аргон, криптон, ксенон).
Описание и объяснение химических процессов – задача одного из важнейших разделов химии, называемого химической кинетикой. Обычно эту общую задачу подразделяют на две более конкретные:
1. Выявление механизма реакции – установление элементарных стадий процесса и последовательности их протекания (качественные изменения);
2. Количественное описание химической реакции – установление строгих соотношений, которые бы удовлетворительно предсказывали изменение количества исходных реагентов и продуктов по мере протекания реакции.
Для понимания основных закономерностей осуществления химического процесса необходимо изучение механизма его протекания. Исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. Число промежуточных стадий может быть очень велико – в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время существования промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют в равновесном состоянии несколько секунд.
Накопление информации о механизме отдельных химических реакций позволит проводить их классификацию, и будет способствовать в дальнейшем созданию общей теории осуществления того или иного типа химической реакции. С другой стороны, выявление механизма конкретной химической реакции позволяет решать важную практическую задачу – выделение наиболее медленной элементарной стадии, которую принято называть лимитирующей, т.е. определяющей скорость всего химического процесса в целом.
Рассматривая механизм химических реакций, следует, прежде всего, иметь в виду, что характер взаимодействия существенно зависит от агрегатного состояния реагентов и продуктов. Реагенты и продукты, вместе взятые, образуют так называемую физико-химическую систему.
Совокупность однородных частей системы, обладающих одинаковым химическим составом и свойствами и отделенных от остальных частей системы поверхностью раздела, называют фазой. Системы, состоящие из одной фазы, называют гомогенными, а системы, содержащие несколько фаз – гетерогенными.
Определение механизма химической реакции является специальной задачей химической кинетики, которую решают, используя современные физико-химические методы исследования.
4. Реакционная способность веществ
Основным понятием в химической кинетике является понятие скорости реакции. В природе и в промышленности протекает огромное количество химических процессов. Одни протекают веками, другие очень быстро.
Скорость химической реакции определяется изменением концентрация реагирующих веществ в единицу времени. Она зависит от многих факторов и включает природу реагентов, концентрацию реагирующих веществ и температуру, наличие катализаторов, состояние кристаллической решетки твердых реагентов и продуктов, если такие имеются в системе.
Быстрее протекает та реакция, в которой взаимодействует меньше ионов. Скорость реакции увеличивается также в случае увеличения числа частиц реагирующих веществ, приводящего к более частым их столкновениям. Влияние концентрации реагентов на скорость химического взаимодействия выражается основным законом химической кинетики – законом действующих масс. Этот закон распространяется на газовые смеси и растворы, но он не применим к реакциям твердых веществ.
Для реакций с участием твердых веществ скорость взаимодействия очень чувствительна к степени смешения реагентов и состоянию их кристаллической решетки, так как любые нарушения в этой решетке вызывают увеличение реакционной способности твердых тел.
Многочисленные опыты показывают, что при повышении температуры в арифметической прогрессии скорость большинства химических реакций возрастает в геометрической прогрессии. С первого взгляда может показаться, что высокая температурная чувствительность скорости реакции связана с увеличением числа молекулярных столкновений. Однако это не так. Согласно расчетам, общее число столкновений молекул при повышении температуры на десять градусов возрастает только на 1,6 %, а число прореагировавших молекул возрастает на 200 – 400 %.
Чтобы объяснить наблюдаемые расхождения, С. Аррениус предположил, что влияние температуры сводится главным образом к увеличению числа активных молекул, т.е. молекул, столкновение которых приводит к образованию продукта (эффективного столкновения). Согласно С. Аррениусу, доля эффективных столкновений, равная отношению их числа к общему числу столкновений (n), изменяется с температурой.
Одно из наиболее эффективных средств воздействия на скорость протекания химических процессов – использование катализаторов. Напомним, что катализаторы – это вещества, которые изменяют скорость реакции, а сами к концу процесса остаются неизменными как по составу, так и по массе. Иначе говоря, в момент самой реакции катализатор активно участвует в химическом процессе, как и реагенты. Но к концу реакции между ними возникает принципиальное отличие – реагенты изменяют свой химический состав, превращаясь в продукты, а катализатор выделяется в первоначальном виде. Чаще всего роль катализатора заключается в увеличении скорости реакции, хотя некоторые катализаторы не ускоряют, а замедляют химический процесс. Явление ускорения химических реакций благодаря присутствию катализаторов, носит название катализа, а замедление – ингибирования.
Существуют два вида катализа – гомогенный и гетерогенный. При гомогенном катализе реагенты, продукты и катализатор составляют одну фазу (газовую или жидкую). В этом случае отсутствует поверхность раздела между катализатором и реагентами.
Особенность гетерогенного катализа состоит в том, что катализаторы (обычно твердые вещества) находятся в ином фазовом состоянии, чем реагенты и индукторы реакции. Реакция развивается на поверхности твердого тела, которая всегда имеет много дефектов, в том числе свободные электронные пары, не участвующие в образовании связи. Молекулы реагентов легко взаимодействуют с этими электронами и благодаря образующимся связям легко удерживаются на поверхности катализатора. В результате некоторые связи внутри адсорбированных молекул настолько ослабевают, что молекулы либо разрушаются, либо превращаются в активные радикалы. Каталитическая активность твердого вещества тем выше, чем лучше реагенты адсорбируются на его поверхности, и чем слабее продукты реакции удерживают его. При этом важно, чтобы, изменяя энергетическое состояние молекул реагента, катализатор сам не образовывал с ними прочных химических связей.
Согласно современным воззрениям, каталитическая активность твердого тела обусловлена не всей поверхностью, а лишь отдельными ее частями, называемыми ее активными центрами. Их природа пока точно не установлена. Как правило, химики стремятся получать твердый катализатор с максимально большой поверхностью. Однако площадь сама по себе еще не определяет эффективность катализатора. Более важно – состояние поверхности, т.е. число активных центров на единицу поверхности.
В 1960 году были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно катализаторы в ходе их работы дезактивизировались, ухудшались и выбрасывались. В 1964 году отечественный химик А.П. Руденко выдвинул теорию химической эволюции, напрямую связанную с процессами самосовершенствования катализаторов.
Для современной картины мира, пронизанной идеей развития, идея эволюции может показаться достаточно тривиальной. Однако в познании неживой природы проследить генетическую цепочку становления, возникновения, функционирования и гибели отдельных форм и образований на фоне «глобального эволюционизма» – задача не простая. Для химиков эволюция не исчерпывается возникновением и распадом межатомных, молекулярных структур. Химический процесс приводит к постепенному усложнению вещественной структуры космоса, к обогащению энергетических связей. В то же время он, как верно подметил Гегель, отягощен разрывами, подчас длительными остановками развития.
Появление идеи химической эволюции было подготовлено большими успехами в области изучения механизма химических превращений, развитием химической кинетики. В 1951 году Б.П. Белоусов открыл гомогенную периодическую химическую реакцию – окисление лимонной кислоты броматом при катализаторе ионами церия в сернокислой среде. Вопреки вековому опыту химиков, количество вещества, вступающего в реакцию, не убывало, не оставалось равновесным, а колебалось. Явно неживая химическая смесь проявила как бы способность к самоорганизации. До сих пор химики утверждали: никаких колебательных процессов в однородных растворах быть не может. Однако в последние годы накоплено достаточно фактов, свидетельствующих о множестве колебательных явлений типа реакции Белоусова. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет появления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако в отличие от самоорганизации других открытых систем в указанных химических реакциях, важное значение приобретают каталитические процессы. Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Химическая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем.
Таким образом, химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. Орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений является базисная реакция.
В настоящее время химические процессы исследуются такими отраслями как химия плазмы, реакционная химия, химия высоких давлений и температур. Анализ химических процессов выходит на фундаментальный теоретический уровень. В результате развития квантовой химии многие проблемы механизма реакции решаются на основании теоретических расчетов.
5. Проблемы самоорганизации в современной химии
Понятие самоорганизации имеет в эволюционной химии большое значение. Сложились два подхода к решению проблем самоорганизации предбиологических систем: субстратный и функциональный. Субстратный подход позволил получить информацию об отборе химических элементов и структур, который происходил в процессе самоорганизации предбиологических систем. На Земле из органогенов наиболее распространены только кислород и водород, распространенность других очень мала. В космосе господствуют два элемента – водород и гелий. Существенную роль в отборе химических элементов, способных к образованию прочных энергоемких связей, в первую очередь, сыграл углерод, который вмещает и удерживает внутри себя самые редкие химические противоположности, а также обладающие лабильностью органогены – азот, фосфор и сера, и элементы, которые являются центрами ферментов – железо и магний.
В ходе эволюции наряду с отбором химических элементов для биосистем осуществлялся также отбор химических соединений. Из небольшого числа органических веществ природа создала огромный мир растений и животных. Химики считают, что когда период химической подготовки сменился периодом биологической эволюции, химическая эволюция остановилась. Им очень важно понять, как происходила эта химическая подготовка, чтобы научиться у природы из менее организованных материалов создавать более организованные.
Функциональный подход к проблеме предбиологической эволюции характеризуется исследованием самоорганизации материальных систем, выявлением механизмов этих процессов. Такой подход преимущественно используется физиками и математиками, они рассматривают эволюционные процессы с позиций кибернетики. Многие из них утверждают, что для функционирования механизмов самоорганизации природа систем никакой особой роли не играет: живые системы, даже интеллект, можно смоделировать и из металла.
Тот факт, что катализ сыграл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим, в настоящее время подтверждается многими данными. Наиболее убедительные результаты, как мы уже видели, связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые проводили Б.П. Белоусов и А.М. Жаботинский. Эти реакции сопровождаются образованием новых структур, причем важное значение в них приобретают каталитические процессы, роль которых усиливается по мере усложнения структуры химических систем.
Основные понятия темы:
Атом – система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра и электронов.
Молекула – нейтральная по заряду наименьшая совокупность атомов, обладающая определенной структурой и способностью к самостоятельному существованию.
Валентность – количественная характеристика, показывающая число взаимодействующих между собой атомов в образовавшейся молекуле.
Катализатор – вещество, влияющее на скорость химической реакции.
Катализ – ускорение химической реакции, благодаря присутствию специального вещества.
Ингибирование – замедление химической реакции, благодаря присутствию специального вещества.
Органогены – химические элементы, участвующие в создании и жизнедеятельности организмов.
Химическая связь – это взаимодействие, связывающее отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы.
Химическая кинетика – описание и объяснение химических процессов.
Тема 12. Проблемы и перспективы современной геологии
1. Основные этапы развития наук о Земле
Физические, космологические и химические концепции подвели нас вплотную к представлениям о Земле, ее происхождении, строении и разнообразных свойствах. Исследователи и путешественники, наблюдатели и философы создали единую географическую картину мира, рисующую Землю как сложную систему, состоящую из различных, но взаимосвязанных элементов: горных пород и почвы, климата и воды, флоры и фауны.
Различные науки о Земле, имея один объект исследования – Землю, развиваются вместе, взаимно обогащая друг друга. Они тесно взаимодействуют с физикой, химией, биологией, на стыках, с которыми возникают новые научные направления, решающие задачу объяснения единства вещества Земли, баланса ее энергии, глобальных процессов, объединяющих различные сферы Земли, а также отдельные участки ее поверхности.
В становлении и развитии наук о Земле выделяют три этапа:
1.Доклассический (от античности до XVII века)
2.Классический (XVIII – первая половина XX века)
3.Неклассический (60-е годы XX века по настоящее время)
В первый период были выдвинуты идеи о шарообразности Земли и климатической зональности. Древние греки и римляне знали о поднятии и опускании суши, землетрясениях, вулканах и вулканической деятельности; о том, что полезные ископаемые зарождаются и находятся в недрах Земли. Они имели представление о многих горных породах и минералах, парагенезе, геологическом строении некоторых участков земной коры, об осадконакоплении и осадкообразовании, могли оценить последствия деятельности человека в «геологическом отношении».
Во второй период разрабатываются концепции активности Земли: нептунизм, плутонизм, катастрофизм, униформизм, актуализм, мобилизм и т.д. Согласно концепции нептунизма (А.Г. Вернер), все горные породы отложились в виде осадков из Всемирного океана. Плутонизм видел динамический исток всех явлений во внутреннем тепле Земли, вызывающем землетрясения и извержения вулканов. В этих концепциях активность Земли связывается с одной из геооболочек. Униформизм настаивал на том, что геологические явления в прошлом были такими же, как и в настоящее время. Сторонники актуализма считали, что, используя сравнительно-исторический метод, можно судить о прошлых геологических процессах.
В третий, неклассический, период фактуальный потенциал настолько возрос, что оказалась возможной концепция глобальной эволюции Земли. Согласно этой концепции, несколько миллиардов лет назад вокруг Солнца обращалось гигантское холодное газопылевое облако. Частицы, составлявшие первоначальную туманность, сталкивались друг с другом и образовывали холодные твердые сгустки, впоследствии ставшие планетами. Разогревание их произошло позже благодаря сжатию и поступлению солнечной энергии.
Теории эволюции Земли, то есть полного и непротиворечивого описания развития ядра и мантии Земли, океанической и континентальной коры, атмосферы, гидросферы и биосферы пока не существует. Имеется несколько направлений и школ, возглавляемых ведущими специалистами в области геофизики, геохимии и геологии. Сложность возникающих проблем, неоднозначность трактовки уже добытых фактов пока не позволяют соединить в единой картине данные, полученные при различных подходах.
2. История геологического развития Земли
Ученые разделяют историю Земли на длительные промежутки времени – эоны. Эоны – на эры, эры – на периоды, периоды – на эпохи, эпохи – на века. Разделение на эры и периоды не случайно. Окончание одной эры и начало другой знаменовалось существенными преобразованиями лика Земли, изменением соотношения суши и моря, интенсивными горообразовательными процессами.
Геологическая история Земли делится на два эона: криптозойский и фанерозойский. Криптозойский (от греч. крипто – тайный, скрытый и греч. zoе – жизнь) эон - интервал времени (свыше 3000 млн. лет), в течение которого сформировались докембрийские толщи пород, лишенные явных остатков скелетной фауны. Он составляет 5/6 всего геологического летоисчисления. Фанерозой(от греч. фанеро – явный и zoе – жизнь), охватывает последние 570 млн. лет. Выделен в 1930 году американским геологом Дж. Чедвиком наряду с криптозойским эоном.
Самый древний этап в геологической истории Земли – катархей (ниже древнейшего) и архей (древнейший). Это время активной вулканической деятельности на планете. В отложениях этих эр остатки организмов практически не обнаружены. Горные породы архея представлены гнейсами (метаморфическая горная порода, состоящая из кварца, полевого шпата и слюды), кристаллическими сланцами, кварцитами.
На грани архейской и следующей за ней протерозойской (от греч. proteros – более ранний, первый; zoe – жизнь) эры в результате горообразовательных процессов произошло значительное перераспределение суши и моря на Земле.
Протерозой – огромный по продолжительности (около 2 млрд. лет) этап исторического развития Земли. Это эра возникновения жизни на Земле. Жизнь становится важным геологическим фактором. Живые организмы изменяют форму и состав земной коры. В результате фотосинтетической деятельности неузнаваемо изменился состав атмосферы. К этой эре относится образование крупнейших залежей железных руд (курские, криворожские) органогенного происхождения.
Между протерозойской и палеозойской эрами (около 600 млн. лет назад) происходил очередной период интенсивного горообразования. Вновь перераспределяются площади суши и моря на Земле. Накопленные в течение протерозоя мощные слои осадков в результате сжатий, поднятий дна моря превратились в горные породы.
Палеозойская эра (от греч. palaios – древний, zoe – жизнь) - первая эра фанерозойского эона. Продолжительность – около 240-350 млн. лет. Это эра активного горообразования. Животный мир развился от примитивных морских животных до наземных пресмыкающихся, а растительный – до хвойных растений. Из полезных ископаемых появляются каменный уголь, нефть, горючие сланцы, фосфориты.
Следующая эра – мезозойская (от греч. mesoa – средний, zoe – жизнь). Ее продолжительность – около 173 млн. лет. Это время интенсивного горообразования на периферии Тихого, Атлантического и Индийского океанов, эра господства гигантских пресмыкающихся на суше, в морях и в воздухе (динозавров, ихтиозавров и др.). Появляются многочисленные насекомые, костистые рыбы, птицы, млекопитающие, а из растений - лиственные деревья.
Около 60-70 млн. лет назад началась кайнозойская (от греч. kainos – новый, zoe – жизнь) и продолжается в настоящее время. Она характеризуется интенсивными горообразовательными процессами, неоднократными наступлениями моря на сушу и его отступлениями. Около 0,7 – 1,8 млн. лет назад произошло резкое изменение климата, сопровождавшееся мощным материковым оледенением, охватившим огромные площади в Евразии и Северной Америке. Накопление гигантских запасов льда на суше привело к существенному понижению уровня Мирового океана (на 60-70 м). В конце кайнозойской эры появился человек.
3. Внутреннее строение Земли
Современные концепции геосферных оболочек
Шарообразность Земли, расположение на ней основных масс твердого, жидкого и газообразного вещества, а также многие ее физико-химические свойства позволили для удобства ее исследования выделить внутри Земли и вокруг нее ряд концентрических оболочек различной плотности и химического состава. Впервые такой подход к изучению нашей планеты предложил австрийский геолог Э. Зюсс. В своем трехтомном труде «Лик Земли» он обобщил представления предшественников о строении и развитии земной коры и назвал выделяемые по различным признакам концентрические оболочки Земли геосферами.
В настоящее время в направлении от периферии к центру Земли различают магнитосферу, атмосферу, гидросферу, земную кору, мантию Земли и ее ядро. Земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера описаны подробно. Что касается мантии и ядра, то они исследованы недостаточно. Для их изучения применяются методы, основанные главным образом на способности световых, звуковых и ударных волн по-разному распространяться в различных сферах.
Центральная область Земли – ядро. Оно ограничено сферической поверхностью на глубине 2900 км. Вещество ядра обладает повышенной плотностью и электропроводностью. Радиус ядра 3470 км. Предполагают, что ядро состоит из двух частей: внутренней (радиусом 1300 км) твердой и очень плотной от огромного сжатия оболочки, состоящей из металлического железа, и внешней оболочки из расплавленных минералов с температурой 5000-6000о С.
83% объема Земли и 67 % ее массы составляет ее мантия. Верхняя граница мантии проходит на глубине от 5-10 до 70 км. Нижняя – на глубине 2900 км. Предполагается, что мантия Земли сложена в основном оливином – минералом, содержащим кремний, железо и магний. Благодаря высокому давлению вещество мантии, по - видимому, находится в твердом кристаллическом состоянии, за исключением атмосферы. Температура в мантии не превышает 2000-2500о С. С процессами в мантии Земли связаны тектонические движения земной коры, извержения вулканов и другие процессы.
Земная кора – твердая внешняя оболочка земного шара толщиной в среднем 35-40 км. Различают два вида земной коры – материковую или континентальную и океаническую.
Материковая земная кора состоит из трех слоев: верхнего осадочного, среднего «гранитного» и нижнего «базальтового», названных по их преимущественному составу. Мощность материковой коры – 35-40 км под равнинами и 70 км в области гор.
Океаническая земная кора не имеет «гранитного» слоя, а ее осадочный слой обладает меньшей мощностью по сравнению с материковой корой. Океаническая кора имеет мощность от 5 до 10 км.
Земная кора подвержена постоянным тектоническим движениям. Одна из современных теорий, объясняющих динамику процессов в земной коре, называется теорией неомобилизма. Ее появление относится к концу 60-х годов XX в. и вызвано сенсационным открытием на дне океана цепи горных хребтов, оплетающих земной шар. Ее длина превышает 72 тыс.км. Компьютерные программы, построенные на основе теории неомобилизма, позволили смоделировать динамические процессы, происходившие внутри Земли и на ее поверхности в относительно близкие эпохи прошлого.
Ученые считают, что геосферные оболочки возникли в результате дифференциации вещественного состава первичной Земли. Они отличаются по плотности и химическому составу.
Земную кору и верхний слой верхней мантии объединяют в общую твердую оболочку – литосферу. Общая ее мощность составляет, вероятно, 50-200 км. Она имеет важное значение, так как создает твердый слой на поверхности Земли, на котором возникает жизнь. Она содержит в себе полезные ископаемые, необходимые для жизни человека, имеет особый органический слой – почву, создающую условия для жизни растительных организмов, которые, в свою очередь, являются пищей для человека и животных.
Гидросфера – водная оболочка Земли, совокупность всех природных вод планеты. Она включает мировой океан, воды суши и находится в тесном взаимодействии с литосферой (подземные воды), атмосферой (водяной пар), и живыми организмами. Гидросфера едина, так как все воды взаимосвязаны и находятся в постоянном круговороте. В.И. Вернадский писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов…Все земное вещество…ею проникнуто».
Атмосфера – газовая оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести и участвующая в ее суточном и годовом вращении. Впервые термин «атмосфера» ввел в практику М.В. Ломоносов. Атмосфера состоит из смеси газов, называемой воздухом. Нижней границей атмосферы является поверхность Земли. Четко выраженной верхней границы она не имеет. Условно ее проводят на высоте около 2000-3000 км.
С высотой температура, давление и плотность воздуха в атмосфере меняются. В зависимости от этого принято деление атмосферы на несколько слоев: тропосфера (толщина 16-18 км над экватором), стратосфера (50-55 км), мезосфера (80-85 км), термосфера (от 85 до 600-800 км). Атмосфера защищает Землю от влияния открытого космоса, поддерживает температурное равновесие и благоприятный режим, содержит азот, входящий в состав почти всех живых организмов, и кислород, необходимый для дыхания. Одним из важнейших компонентов атмосферы является изотоп кислорода – озон. Озоновый слой, являясь экраном от ультрафиолетового излучения, играет исключительно важную роль в сохранении жизни на Земле.
Особая комплексная оболочка Земли, в пределах которой соприкасаются, проникают друг в друга и взаимодействуют верхняя часть литосферы, гидросферы, нижняя часть атмосферы называется географической оболочкой. Границы географической оболочки разные ученые определяют по-разному. Верхняя граница совпадает с границей тропосферы или озоновым экраном, а нижняя – граница земной коры или нижняя граница ее осадочного слоя.
Целостность географической оболочки обеспечивается постоянным обменом веществ и энергией между сушей, атмосферой, мировым океаном и организмами. Учение о географической оболочке было разработано А.А. Григорьевым.
Основные понятия темы:
Земля – третья по счету от Солнца планета в Солнечной системе.
Нептунизм – концепция, согласно которой все горные породы отложились в виде осадков из Всемирного океана.
Плутонизм – концепция, согласно которой все процессы на Земле обусловлены ее внутренним теплом.
Униформизм – концепция о неизменности геологических явлений в истории Земли.
Ядро Земли – центральная область Земли, ограниченная сферической поверхностью на глубине 2900 км.
Мантия Земли – одна из внутренних оболочек, расположенная между Земной корой и ядром.
Земная кора – твердая внешняя оболочка земного шара толщиной в среднем 35-40 км, часть литосферы.
Эра геологическая – длительный этап геологической истории и развития жизни на Земле, соответствующий времени образования определенных горных пород.
Литосфера – верхняя оболочка Земли.
Атмосфера – газовая оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести и участвующая в ее суточном и годовом вращении.
Гидросфера – водная оболочка Земли, совокупность всех природных вод планеты.
Тема 13. Особенности биологического уровня организации материи
1. Биология как система наук о живой природе
Термин «биология» был введен впервые в XIX веке Жаном Батистом Ламарком. Биология изучает бесчисленные формы живых организмов, их строение, функции, индивидуальное развитие, взаимоотношение друг с другом и с окружающей средой. Предмет биологии – жизнь, которая является наиболее сложной формой организации и движения материи. Поэтому она представляет собой систему наук и ее структуру можно рассматривать с разных точек зрения. По объекту исследования в биологии выделяют вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию. По свойствам и проявлениям живого биология подразделяется на морфологию (строение организмов), физиологию (функционирование организмов), молекулярную биологию (микроструктура живых тканей и клеток), экологию (образ жизни растений и животных, их связи с окружающей средой), генетику (законы наследственности). По уровню организации изучаемых живых объектов в биологии выделяют: анатомию (строение организма), гистологию (строение тканей), цитологию (строение живых клеток).
Исторически биология развивалась как описательная наука о многообразных формах и видах растительного и животного мира. Поэтому важнейшее место в ней занимали методы анализа, систематизации и классификации огромного эмпирического материала, накопленного натуралистами.
Поиски единой основы живых форм привели к изучению их сначала на клеточном, а затем на молекулярном уровне. Попытки создания классификаций видов растений и животных привели к идеям и принципам теории эволюции. Описательная биология послужила эмпирическим фундаментом, на котором сформировался единый, целостный взгляд на многообразный мир живых систем, связанный с изучением структуры биологических систем, структурных уровней организации живой материи. Поэтому в развитии биологии обычно выделяют три основных этапа:
этап систематики (К. Линней);
эволюционный этап (Ч. Дарвин);
этап биологии микромира (Г. Мендель).
Развитие биологии все больше убеждает ученых в единстве природы, в связи органического и неорганического миров.
2. Основные концепции происхождения жизни. Сущность живого
В биологии сложились четыре подхода к объяснению феномена жизни:
Витализм – объяснение специфики жизни наличием в организмах особой «жизненной силы» (vitalis – жизненный).
Редукционизм – сведение процессов жизнедеятельности к совокупности определенных химических реакций.
Композиционизм считает основной причиной функционирования явлений жизни межорганизменные связи.
Функционализм возник в связи с обсуждением вопроса о возможности жизни на других планетах, природа и структура живого может различаться, сходство же будет проявляться только в функциях.
В соответствии с этими подходами существует несколько концепций происхождения жизни. Наиболее распространенными из них являются следующие:
Креационизм – жизнь была создана сверхъестественным путем в определенное время.
Самопроизвольное (спонтанное) зарождение: жизнь возникала неоднократно из неживого вещества. Ван Гельмонт (1577-1644) описал эксперимент, в котором он за 3 недели якобы создал мышей. Для этого понадобились грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом служил человеческий пот. Опровержение этому дал в 1688 г. Франческо Реди из Флоренции. До сих пор важное значение в биологии имеет знаменитый «принцип Реди», согласно которому жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (биогенез). Реди провел такой эксперимент: он взял четыре больших сосуда, в первый поместил змею, во второй – немного рыбы, в третий – угрей, в четвертый – кусок молодой телятины. Эти сосуды он плотно закрыл и запечатал. То же самое поместил в четыре других сосуда, но оставил их открытыми. Видел мух, свободно влетающих и вылетающих из этих сосудов. В результате в открытых сосудах были обнаружены маленькие белые червячки (личинки мух), а в запечатанных сосудах не было ни одной личинки.
Ладзаро Спалланцани в 1765 г. доказал, что кипячение убивает все формы живых существ. А в 1860 г. Луи Пастер предложил свои знаменитые способы пастеризации и стерилизации (стерилизация - обработка неживых предметов, которые могут быть заражены живыми существами).
Теория стационарного состояния – жизнь существовала всегда, также как и Вселенная. Виды живого существовали всегда и у них есть только две возможности: либо изменение численности, либо вымирание.
Теория панспермии – жизнь на Землю занесена из других частей Галактики или Вселенной. В 1865 году немецкий ученый–медик Г. Рихтер утверждал, что зародыши предков организмов могли быть занесены с метеоритами и космической пылью. Эта гипотеза широко распространена среди ученых, наиболее видными ее сторонниками являются У. Томсон, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский. В 1907 г. шведский естествоиспытатель С. Аррениус выдвинул сходную гипотезу, которая и получила название панспермии: во Вселенной вечно существуют «семена жизни», которые, попадая в благоприятные условия, рождают жизнь.
Теория биохимической эволюции – жизнь возникла в результате физико-химических процессов. В 1924 г. А.И. Опарин (биохимик) опубликовал книгу «Происхождение жизни», в которой изложил гипотезу возникновения жизни на Земле.
В современной биологии все теории делятся на две большие группы: голобиоза и генобиоза.
Голобиоз – методологический подход, признающий первичность структур типа клеточной, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментов. Появление нуклеиновых кислот – завершение эволюции.
Генобиоз признает первичность молекулярной системы со свойствами генетического кода. Дж. Холдейн высказал предположение: первичной была макромолекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции, так называемый «голый ген».
Имеются и промежуточные варианты: белковые и нуклеиновые молекулы появились одновременно и подверглись коэволюции, т.е. одновременной и взаимосвязанной эволюции. Контраргумент: белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально настолько различны, что нереально их одновременное появление и сосуществование. К 1980-м гг. усилились позиции генобиоза.
Очевидно на современном уровне исследования, что в определении жизни должны быть зафиксированы функциональные и субстратные моменты. Жизнь – высшая из природных форм движения материи, для которой характерны самообновление, саморегуляция, самовоспроизведение разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.
3. Уровни организации живой материи и ее свойства
Выделяют несколько уровней организации живой материи:
Молекулярный – на этом уровне обеспечиваются все важнейшие процессы жизнедеятельности организма (обмен веществ, сохранение энергии и т.п.);
Клеточный – клетка является структурной и функциональной единицей всего живого;
Тканевой – совокупность сходных по строению клеток, которые объединены общими функциями;
Органный. Органы – это структурно-функциональное объединение нескольких видов тканей.
Организменный имеет два уровня: одноклеточный и многоклеточный, представляющий собой целостную систему органов, специализирующихся на выполнении различных функций.
Популяция – совокупность организмов одного вида, объединенная общим местом обитания.
Биогеоценоз – совокупность организмов разных видов и различной сложности со всеми факторами среды обитания; взаимообусловленный комплекс живых и косных компонентов.
Биосфера – система высшего порядка, охватывает все явления жизни на нашей планете. На этом уровне происходят превращение веществ, круговорот веществ и превращение энергии.
Свойства живой материи:
Единство химического состава. В состав живого организма входят те же элементы, что и в состав неживой природы, однако соотношение их разное. В живом организме 97% химического состава приходится на углерод, водород, кислород, азот, фосфор, серу. В неживой природе широкое распространение имеют кремний, железо, магний, натрий.
Обмен веществ (метаболизм). В неживой природе также существует обмен веществами, однако они просто переносятся с одного места на другое или меняется их агрегатное состояние (например, смыв почвы, превращение воды в пар или лед).
Размножение – способность к самовоспроизведению.
Наследственность – способность передавать свои признаки, особенности развития из поколения в поколение. Она обусловлена ДНК.
Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки. Она создает разнообразный материал для естественного отбора. Связана с наследственностью.
Рост и развитие.
Раздражимость – активная реакция организма на внешнее воздействие.
Ритмичность – повторение одного и того же состояния через определенные промежутки времени. Обусловлено различными космическими или планетарными системами.
Относительная энергозависимость. Живые организмы существуют только до тех пор, пока в них поступает энергия в виде пищи; прямо или косвенно они используют энергию Солнца.
Гомеостаз – саморегуляция, самоподдержание организма; способность сохранять стационарное состояние и выживать в условиях непрерывно меняющейся среды.
Противостояние энтропийным процесса (негэнтропийность)..
4. Клеточная теория. Единство органического мира
Представление о структурных уровнях организации живой материи сформировалось под влиянием клеточной теории строения живых тел. Клетка - это единица живого, мельчайшая система, которая обладает всеми свойствами живого и является носителем генетической информации.
В 1839 г. Т. Шванн и М.Я. Шлейден создали клеточную теорию. Ее основные положения:
Современная клеточная теория дополняет эти положения следующими:
Исследования в области цитологии показали, что клетки имеют общие свойства и в строении, и в функциях. Они реализуют обмен веществ, саморегуляцию своего состояния, передают наследственную информацию. Клетки существуют и как отдельные организмы (одноклеточные), и в составе многоклеточных организмов. Они имеют разный срок существования. Жизненный цикл клетки оканчивается делением или гибелью. Размеры клеток также очень разнообразны. Клетки образуют ткани, несколько типов тканей образуют органы. Однако в природе встречаются организмы, не имеющие клеточной структуры. Это вирусы.
Клетки делятся на два типа: безъядерные и ядерные. Безъядерные клетки называются прокариоты (бактерии, сине-зеленые водоросли) и исторически являются предшественниками вполне развитых, имеющих ядро клеток, появившихся около 3 млрд. лет тому назад, - эукариотов. Прокариоты имеют в своем составе нити молекул нуклеиновых кислот, которые выполняют функцию управления. Только расположены они в цитоплазме, а не в ядре. Безъядерные клетки выполняют все функции, свойственные типичным клеткам. У эукариотов нити управления внутриклеточным обменом находятся в ядре клетки, в очень длинных цепях молекул нуклеиновых кислот (ДНК, РНК), исходной структурной единицей которых является ген. Это природное кибернетическое устройство, которое содержит инструкцию, информацию, коды, определяющие характер деятельности клетки по обмену веществ и самовоспроизводству. Гены обеспечивают важнейшие функции жизнедеятельности и клетки, и организма в целом.
Важнейшими свойствами клетки, обеспечивающими ее главные функции, являются метаболизм (обмен веществ) и гомеостаз (сохранение стабильности условий внутренней среды клетки).
Поток информации в клетке обеспечивается нуклеиновыми кислотами. Существует два типа нуклеиновых кислот: ДНК и РНК. ДНК входит в состав ядра, в состав хромосом. Хромосомы – материальная основа наследственности, представляющая собой ряд линейно сцепленных генов. Каждый ген отвечает за какой-то элементарный признак, поэтому наследственность дискретна. Поток веществ и информации в клетке нуждается, а энергии; процессы, обеспечивающие энергетические потребности клетки составляют поток энергии. Поток энергии в клетке регулируется законами биоэнергетики В. Скулачёва. В качестве источников клеточной энергии используются простые сахара (глюкоза), процессы дыхания (образуются углекислый газ и вода) и брожения (образуются спирт или молочная кислота). Большую роль в биоэнергетике клетки играют фотосинтез и хемосинтез.
Основные понятия темы:
Витализм – объяснение специфики жизни наличием в организмах особой «жизненной силы».
Редукционизм – сведение процессов жизнедеятельности к совокупности определенных химических реакций.
Композиционизм – признание межорганизменных связей основной причиной функционирования явлений жизни.
Функционализм – такой подход к определению живого, согласно которому природа и структура живого могут различаться, сходство же будет проявляться только в функциях.
Голобиоз – методологический подход к объяснению происхождения жизни, признающий первичность структур типа клеточной, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментов и из которых появляются нуклеиновые кислоты, кодирующие генетическую информацию.
Генобиоз – методологический подход к объяснению происхождения жизни, признающий первичность молекулярной системы («макромолекулы») со свойствами генетического кода.
Жизнь – высшая из природных форм движения материи, для которой характерны самообновление, саморегуляция, самовоспроизведение разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.
Гомеостаз – самоподдержание организма, способность сохранять стабильное состояние в любых ситуациях.
Клетка – единица живого, мельчайшая система, обладающая всеми свойствами живого и являющаяся носителем генетической информации.
Вирусы – организмы, не имеющие клеточной структуры.
Прокариоты – безъядерные клетки.
Эукариоты – клетки, имеющие ядра.
Ген – элементарная единица наследственности.
Хромосомы – материальная основа наследственности, представляющая собой ряд линейно сцепленных генов.
Тема 14. Генетика и эволюция
1. Концепции эволюционизма в биологии
Современные представления о характере и законах функционирования живых организмов были бы невозможны без эволюционного подхода к анализу природы.
Эволюция – это процесс исторического развития органического мира. Сущность этого процесса состоит в непрерывном приспособлении к разнообразным и постоянно меняющимся условиям окружающей среды, в возрастающем со временем усложнении организации живых существ. В ходе эволюции осуществляется преобразование одних видов в другие.
Главное в эволюционной теории – идея исторического развития от сравнительно простых форм жизни к более высокоорганизованным.
Формированию исторических взглядов на живую природу способствовали работы К. Линнея «Система природы», «Философия ботаники». Ученый изучил более 10 тысяч видов растений и 4200 видов животных. Разработанная им систематика была очень простой и удобной и получила высокую оценку ученых. Недостаток ее состоял в ее искусственности. Она позволяла распознавать растения, но не раскрывала их природу. Кроме того, К. Линней ошибочно считал количество видов неизменным (сколько их создал Бог).
Развитие ботаники и зоологии привело к возникновению идей эволюционного развития природы и отказу от представлений о неизменности видов.
Ж. Бюффон (Франция), Э. Дарвин (Англия), И. Гете (Германия) и другие натуралисты и мыслители высказывали научные догадки об эволюционном возникновении и развитии жизни на Земле. Однако они не были подкреплены фактами.
Наиболее полно по тем временам идея эволюции была изложена в работе видного французского биолога Ж.Б. Ламарка «Философия зоологии». Он выделяет две причины изменчивости видов: влияние и изменение условий жизни и наследственность. Постоянство видов, утверждает Ламарк, явление только кажущееся и связано оно с кратковременностью наблюдений за ними. По его мнению, несколько тысяч лет для природы – не более чем секунда. Ламарк считал, что высшие формы жизни произошли от низших в процессе эволюции. Он ошибочно полагал, что главная причина развития – это внутренне присущее живым организмам стремление к самосовершенству, заложенное в них творцом (Богом). Большое значение он придавал упражнению и неупражнению органов. Длинная шея у жирафа возникла, по мнению ученого, в результате постоянного упражнения этого органа несколькими поколениями по доставанию листьев с высоких деревьев и непосредственного закрепления этого изменения. Это в дальнейшем привело к очень распространенным, но научно совершенно необоснованным представлениям о наследовании признаков, приобретаемых под непосредственным воздействием среды.
В России мысли об изменчивости видов и возможности их эволюционного преобразования высказывал К.Ф. Рулье. Эти идеи поддерживал известный русский мыслитель А.И. Герцен.
Ошибки Ж.Б. Ламарка в понимании факторов эволюционного процесса преодолел Ч. Дарвин. В своей работе «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859), обобщив отдельные эволюционные идеи, онсоздал стройную теорию эволюции. Движущими силами эволюции он считал наследственную изменчивость и естественный отбор, а элементарной единицей эволюции – вид.
Дарвин сформулировал следующие положения:
Во-первых, изменчивость свойственна любой группе животных и растений, и организмы различаются во многих отношениях. Во-вторых, число организмов каждого вида, рождающихся на свет, больше того их числа, которое может найти пропитание и выжить, однако численность каждого вида в естественных условиях довольно постоянна. В-третьих, поскольку рождается больше особей, чем может выжить, происходит борьба за существование, конкуренция в борьбе за пищу и место обитания. В-четвертых, изменения организма, облегчающие его выживание в определенной среде, дают своему обладателю преимущество перед другими организмами, менее приспособленными к внешним условиям; идея выживаемости наиболее приспособленных организмов является ядром теории естественного отбора. В-пятых, выживающие особи дают начало следующему поколению, благодаря чему «удачные» положительные изменения передаются последующим поколениям.
Параллельно с теорией Дарвина развивались концепции, которые частично или полностью строились на других идеях. Так, в конце XIX – начале XX вв. сложился неоламаркизм, представленный тремя основными течениями: ортоламаркизм, механоламаркизм и психоламаркизм.
Представители ортоламаркизма считали, что направленность эволюции обусловлена внутренними изначальными свойствами организмов. Сторонники механоламаркизма объясняли эволюционные преобразования организмов их изначальной способностью целесообразно реагировать на изменение внешней среды. Психоламаркизм трактовал эволюцию как постепенное увеличение роли сознания в развитии от примитивных существ до разумных форм жизни.
Кроме этих концепций, не согласующихся с идеями Дарвина, можно также назвать телеогенез, сальтационизм, генетический антидарвинизм.
Вместе с тем, эволюционная теория Дарвина имела своих сторонников, которые примыкали к двум направлениям: классический и ортодоксальный дарвинизм. Классический дарвинизм прилагал усилия для того, чтобы, во-первых, подтвердить истинность эволюционных представлений, и, во-вторых, сочетать их с современными научными воззрениями. Ортодоксальный дарвинизм имел место в советской биологии 30 – 50-х годов XX века. Его представители абсолютизировали принципы эволюционной теории. Исходя из идеи о решающей роли внешней среды, советские ученые доказывали возможность радикального изменения природы растения (например, превращение озимой пшеницы в яровую).
Дарвиновский принцип «борьбы за существование», сформулированный для мира растений и животных, был перенесен в сферу социальных отношений. Так, английский социолог Г. Спенсер, разрабатывая «органическую теорию», трактовал социальные конфликты как естественную форму выражения дарвиновского принципа.
Таким образом, с появлением теории Дарвина началось развитие подлинно научных представлений об эволюции органического мира. Вторая половина XIX в. прошла под флагом борьбы за дарвинизм. В конце XIX в. эволюционные идеи начали проникать в конкретные биологические дисциплины.
2. Эволюция как основа многообразия и единства живых организмов
Микроэволюция и макроэволюция
Самым слабым местом в эволюционном учении Ч. Дарвина были представления о наследственности, которые подвергались серьезной критике его противниками. Действительно, если эволюция связана со случайным появлением полезных изменений и наследственной передачей приобретенных признаков потомству, то каким образом они могут сохраняться и даже усиливаться в дальнейшем? Этот недостаток дарвиновской теории был преодолен возникшей в XX в. новой наукой – генетикой.
Еще во второй половине XIX в. австрийский естествоиспытатель Грегор Мендель, применив статистические методы для анализа результатов гибридизации (скрещивания) сортов гороха, сформулировал законы наследственности. В первом законе Менделя утверждается идея единообразия первого поколения гибридов, то есть проявления у них признаков одного из родителей. Это явление Мендель назвал доминированием, а сам признак доминантным. Поэтому первый закон часто называют законом доминирования. Подавленный признак был назван рецессивным. Второй закон Менделя гласит, что если потомков первого поколения, одинаковых по изучаемому признаку, скрестить между собой, то во втором поколении признаки обоих родителей проявляются в определенном числовом соотношении: ¾ особей будут иметь доминантный признак, а ¼ – рецессивный. Следовательно, рецессивный признак у гибридов первого поколения не исчез, а был только подавлен и проявился во втором гибридном поколении. В связи с этим второй закон Менделя называется законом расщепления. Третий закон Менделя – закон независимого комбинирования подтверждает, что при скрещивании двух гомозиготных особей (одинаковых по генотипу), отличающихся друг от друга по двум или более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга во всех возможных сочетаниях. Таким образом, Г. Мендель сформулировал важнейший принцип не возникшей еще генетики – принцип дискретности. Он гласит: признаки организма определяются отдельными (дискретными) факторами. Известность к Менделю пришла в 1900 г., когда его законы были переоткрыты К. Корренсом, Э. Чермаком, Х. де Фризом.
В 1909 году было введено понятие гена – элементарной единицы наследственности. Каждый ген отвечает за какой-то один наследственный признак. Было доказано, что гены расположены в хромосомах, находящихся в ядрах клеток. Хромосомы представляют собой тонкие длинные нити. Они располагаются по всему ядру, иногда образуя плотные клубки. Хромосомы состоят из молекул ДНК и белков. Ген представляет собой участок молекулы ДНК. Именно молекулы ДНК является носителем полной информации о наследственности. Благодаря исследованиям американского биолога Т. Моргана и его учеников, удалось определить расположение генов в хромосомах плодовой мушки дрозофилы. Ученый разработал хромосомную теорию наследственности, которая являла собой совокупность представлений о генах или носителях наследственности, их линейном расположении и сцеплении в хромосомах, об обмене генами между хромосомами.
Зародившаяся в начале XX века генетика первоначально занимала позиции антидарвинизма: преувеличивалось значение мутаций, отрицалась роль естественного отбора, высказывались идеи возможности эволюции при постоянстве гена. Такие представления способствовали даже распространению антиэволюционизма. Причиной тому явилась недостаточная разработанность вопросов о роли наследственной изменчивости в эволюции, селективной ценности начальных генов при возникновении ложных организмов, игнорирование фактических доказательств творческой роли отбора.
Хромосомная теория наследственности не снимала противоречий между дарвинизмом и генетикой. Важнейшим шагом по пути их преодоления явилось создание синтетической теории эволюции (СТЭ), ознаменовавшей создание единой системы биологического знания, воспроизводящей законы развития и функционирования органического мира как целого.
Основные положения синтетической теории эволюции можно свести к следующим:
- главным фактором эволюции считается естественный отбор, интегрирующий и регулирующий действия всех остальных факторов (онтогенетической изменчивости, мутагенеза, гибридизации, миграции, изоляции, пульсации численности).
- эволюционные изменения случайны и не направлены, исходным материалом организации популяции являются мутации;
- эволюция протекает дивергентно, постепенно, посредством отбора случайных мутаций, а новые формы образуются через наследственные изменения;
- макроэволюция, ведущая к образованию надвидовых групп, осуществляется только посредством микроэволюции, протекающей в популяциях и приводящей к образованию нового вида; каких-либо специфических механизмов возникновения новых форм жизни не существует.
В синтетической теории эволюции выделяют такие элементарные явления и факторы, как популяция – элементарная эволюционная структура; гипотетического состава популяции – элементарное эволюционное явление; генофонд популяции – элементарный эволюционный материал; мутационный процесс, «волны жизни», изоляция, естественный отбор – элементарные эволюционные факторы.
СТЭ описывает следующие формы естественного отбора: движущий – благоприятствующий лишь одному направлению изменчивости, когда происходит дивергенция дочерних форм; дизруптивный – разрывающий, благоприятствующий двум или нескольким направлениям изменчивости; стабилизирующий - благоприятствующий сохранению в популяции оптимального фенотипа и действующий против проявлений изменчивости.
Таким образом, уточнения, дополнения и исправления первоначальной теории эволюции Дарвина привели к возникновению синтетической теории эволюции. В отличие от дарвиновской в синтетической теории эволюции элементарной единицей эволюции служит популяция, поскольку именно в ее рамках происходят наследственные изменения генофонда. Другое существенное отличие состоит в четком разграничении в синтетической теории эволюции областей исследования микроэволюции и макроэволюции.
Понимание отношений между микро - и макроэволюцией предполагает ответ на вопрос, является ли синтетическая теория эволюции лишь теорией микроэволюции, или она одновременно объясняет и макроэволюцию? На этот вопрос пока что ученые не дали однозначного ответа. Одни считают, что теория эволюции является и теорией макроэволюции. Другие считают, что теория макроэволюции еще не создана. Снять это противоречие сможет более широкий синтез эволюционной теории и новой генетики.
Основными направлениями исследований ученых-генетиков в ХХ в. стали:
Крупнейшие открытия современной генетики связаны с установлением способности генов к перестройке – мутирование. Мутации могут быть полезными, вредными или нейтральными. Одним из результатов мутаций может быть появление организма нового вида – мутанта. Причины мутаций (изменения генной информации) до конца не выяснены. Однако установлены основные факторы, вызывающие мутации, так называемые мутагены. Известно, например, что мутации могут вызываться некоторыми общими условиями, в которых находится организм: его питанием, температурным режимом и т.д. или действием экстремальных факторов, например, некоторых химических веществ или радиоактивных элементов. Одним из наиболее опасных видов мутагенов являются вирусы.
3. Принципы воспроизводства и развития живых систем
Онтогенез и филогенез
Молекулярная биология уже заняла ведущее место среди наук о живой природе благодаря своим блестящим успехам. Она накопила факты и сделала обобщения, представляющие существенный вклад во все три основных раздела, из которых складывается эволюционная теория: доказательства реальности эволюции, учение о движущих силах эволюции и выяснение конкурентных путей, которыми шла эволюция (филогенетика). Вместе с тем принципы эволюционной теории проливают свет на происхождение и становление важнейших молекулярно-биологических структур и процессов и позволяют понять, в силу каких причин они неизбежно должны были приобрести именно те черты, какие наблюдаются на самом деле.
Важнейшей составляющей процесса развития любого организма является воспроизводство в клетках по определенному шаблону веществ и структур, необходимых для последующего деления клетки. Воспроизводство живых систем и сохранение видовых признаков обеспечивается системой воспроизведения организма. Она в закодированном виде содержит полную информацию для построения белка из запасенного клеткой органического материала. Свои функции система воспроизведения осуществляет посредством ДНК и РНК. Первая хранит генетическую информацию, заложенную вдоль собственной цепи. Вторая способна ее считывать, переносить в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные материалы и строить из них белковые молекулы.
Процесс воспроизводства состоит из трех стадий: репликации, транскрипции, трансляции. Репликация – это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клетки. Транскрипция представляет перенос кода ДНК путем образования одноцепочной информационной молекулы РНК на одной из двух нитей ДНК. Информационная молекула РНК – это копия части ДНК, группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции. Далее происходит трансляция – синтез белка на основе генетического кода информационной РНК.
Таким образом, главное в механизме самовоспроизведения клеток – свойство ДНК самокопироваться и строго равномерное деление репродуктивных хромосом (ядер клеток, содержащих РНК). После этого клетка может делиться на две совершенно идентичные. Так как каждая клетка многоклеточного организма происходит от одной зародышевой как результат последовательных делений, то все клетки имеют одинаковый набор генов.
Наследственная информация, закодированная в управляющих структурах зародышевой клетки, реализуется в процессе онтогенеза. Содержание процесса онтогенеза составляет развитие особи, последовательности морфологических, физиологических и биохимических преобразований, претерпеваемых организмом от образования зародышевой клетки до смерти. В онтогенезе выделяются количественная (увеличение размеров и живой массы организма, продолжительность жизни) и качественная (дифференцировка, появление новых функций и структур) стороны. В ходе онтогенеза у высших животных и человека сменяются сравнительно четко отграничиваемые фазы: эмбриогенез, созревание, взрослое состояние, старение. У беспозвоночных и низших позвоночных наблюдаются разнообразные типы онтогенеза, нередко сопровождающиеся перестройкой всей структуры организма (метаморфоз). Новое в процессе развития организма возникает как благодаря непрерывному переходу организации зародыша на более высокий уровень, так и мутациям, вносящим в онтогенез принципиально новые компоненты. Эти новообразования выступают в единстве с моментами преформизма, поскольку реализуемые во взрослом организме наследственные признаки записаны уже в исходной зиготе на молекулах вещества ДНК, структурированного в генах. Противоречие между консервативной наследственной стороной развития организма и индивидуальной изменчивостью, прямо или косвенно связанные со средой и приспособлением, снимается в филогенезе. Филогенез – процесс исторического развития мира живых организмов как в целом, так и отдельных групп – видов, родов, семейств, отрядов (порядков), классов, типов, царств. Главным механизмом, регулирующим филогенез и происходящее в его ходе образование таксонов, является естественный отбор. Филогенез может представлять собой как прогрессивное развитие с повышением общего уровня жизнедеятельности и расширением адаптивных возможностей организма, так и регресс или попадание в эволюционный тупик.
В процессе филогенеза периоды плавного развития и выработки приспособлений к сравнительно стабильным условиям среды чередуются со скачкообразными переходами на высшую ступень организации, на которой вырабатываются качественно новые приспособления, функции и органы. Филогенез протекает на основе накопления индивидуальных изменений в ходе отдельных онтогенезов. Онтогенез в своем конкретном выражении служит проявлением и в определенной мере воспроизведением филогенеза. Вместе с тем ряд предковых стадий выпадает из онтогенеза, другие коренным образом преобразуются в результате приспособления к новым условиям.
Филогенез и онтогенез соединены многочисленными связями и зависимостями. Эти связи во многом даже в общих чертах остаются неясными. Более того, пока что не создана теория онтогенеза. Длительный путь от «белка до признака» еще даже не разведан, а без прохождения этого пути глубокое понимание и объяснение эволюционного процесса невозможно.
Основные понятия темы:
Генетика – это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.
Эволюция – направленный процесс исторического изменения организмов.
Онтогенез – индивидуальное развитие организма от момента зарождения до окончания жизни.
Филогенез – процесс исторического развития организмов.
Синтетическая теория эволюции – комплекс представлений о микро - и макроэволюции, сложившийся к середине XX века.
Микроэволюция – это совокупность эволюционных процессов, протекающих в популяциях и приводящих к образованию нового вида.
Макроэволюция – эволюционные процессы, ведущие к образованию надвидовых таксонов.
Тема 15. Человек как предмет естествознания
1. Естественнонаучная концепция антропогенеза
Проблема человека, его природы и сущности, его развития и предназначения – одна из главных проблем и философии, и науки, и религии.
Проблемой происхождения человека и его эволюцией занимается антропология. Она получила бурное развитие после создания теории эволюции Дарвина и пыталась найти ответ на вопрос, каким образом биологический организм, который принадлежит к типу хордовых, подтипу позвоночных, классу млекопитающих, отряду приматов, семейству гоминид, превратился в человека, биологическое и социальное существо, в носителя культуры.
Возникновение человека было и остается тайной. Вот почему версия о его божественном происхождении не теряет своей актуальности и поныне.
В настоящее время имеется несколько концепций происхождения человека на Земле:
1) креационизм (теологическая концепция);
2) от внеземных существ, посещавших Землю (паранаучная концепция);
3) естественнонаучная (натуралистическая) концепция: происхождение человека от высокоразвитых предков современных обезьян – гоминид;
4) космологическая концепция (В.И. Вернадский, П. Тейяр де Шарден): возникновение человека как необходимый этап космогенеза и превращение его в решающий фактор космической эволюции.
Естественнонаучная концепция в XX веке получила генетическое подтверждение. Оказалось, что из всех животных по генетическому аппарату ближе всех к человеку стоят шимпанзе.
Еще К. Линней в середине XVII в. включил человека в систему животного царства и объединил его с обезьянами в одном отряде приматов. Именно с этого времени проблема генезиса человека приобрела особую важность для естествознания. Для Ламарка факт сходства, единства и родства, а также общности происхождения высших животных и человека не вызывает никаких сомнений. Человек рождается как существо биологическое, не имея ни представлений, ни знаний, но, обладая органами, способными обеспечивать их появление и функционирование, благодаря воспитанию, опыту и окружающим его обстоятельствам, человек становится существом социальным.
В XIX в. начинается интенсивное осмысление проблемы антропогенеза. В 1859 году Ч.Дарвин в своей книге «Происхождение видов путем естественного отбора» вскрывает основные причины эволюции животного мира. Полученные результаты позволили ему сформулировать гипотезу о происхождении человека от высокоразвитых предков современных обезьян в книге «Происхождение человека и половой отбор» (1871 г.). Он писал: «Как бы ни было велико умственное различие между человеком и высшими животными – оно только количественное, а не качественное». Таким образом, именно он заложил традицию выведения всех особенностей человеческой жизнедеятельности из инстинктивных форм поведения животных.
Ф. Энгельс – представитель трудовой теории антропогенеза – считал, что труд изменяет характер действия естественного отбора, не отменяя действия биологических законов. Труд создал из обезьяны человека: формирование прямохождения, руки, речи, развитие мозга, абстрактного мышления, возникновения социума – все это социальные формы наследственности.
Однако теория антропогенеза не считается завершенной. Не решенными считаются следующие проблемы: 1) Какова движущая сила процесса происхождения человека? 2) Каковы управляющие этим процессом закономерности?
Согласно гипотезе Э. Геккеля предками человека были не современные обезьяны, а дреопитеки - древесные обезьяны, которые жили 70 млн. лет назад. От них одна линия пошла к шимпанзе и гориллам, другая – к человеку. Основные этапы эволюции предков человека выглядят примерно так:
20 млн. лет назад наступившее похолодание заставило их спуститься с деревьев. Останки этих существ были найдены в Индии - рамапитеки – 14 млн. лет назад (от Индии до Африки); сивапитек – предок орангутанга – 10 млн. лет назад жил в Азии. Зинджантроп - «человек умелый» (Homo habilis) изготовлял примитивные орудия труда – 2-5 млн. лет назад жил в Восточной Африке. Объем мозга 600-700 куб. см.
Австралопитек - южная обезьяна - жил 4-2 млн. лет назад.
Питекантроп – 1,9-0,65 млн. лет назад.
Синантроп жил 400 тыс. лет назад, найден на о. Ява, в Китае, объем мозга 900 куб. см. Рост –150-160 см. Рядом с останками найдены орудия труда, синантропы жили в пещерах.
Неандерталец жил 30-40 тыс. лет назад. Найден в Германии, объем мозга - 1500 куб. см. Впервые обнаружено захоронение трупов.
Кроманьонец – 40-18 тыс. лет назад. Во Франции, в пещере Кро-Маньон были найдены останки существа, близкого по облику, росту и объему черепа современному человеку.
Палеонтологическая летопись прерывается, поэтому очень трудно показать эволюцию человека. Генетически человек не изменялся после кроманьонца, продолжалась только его социальная эволюция.
В основе космологической концепции антропогенеза В.И. Вернадского лежит его знаменитое учение о биосфере. Более подробно это учение будет рассмотрено далее. Здесь важно отметить то, что биосфера – это динамическое целое, функции которого состоят в улавливании, ассимиляции и переносе энергии. Как целое, она включена в более широкое окружение – свою сферу обитания (геокосмическую); как закономерный этап эволюции материи она выполняет космическую функцию снижения энтропии и упорядочения хаоса; как системное образование она состоит из нескольких подсистем, между которыми также постоянно происходит обмен веществом и энергией. Поэтому картина эволюции мира не может быть получена простым суммированием отдельных ее форм, биосфера не состоит из каких-либо частей, она целостное природное тело. Именно в этом контексте Вернадский рассматривает антропогенез как космический процесс. Для Вер надского человек – не просто мера организованности, космическая сила, но и формирующийся направляющий и организующий фактор самого процесса развития биосферы. Поэтому человек не только не является побочным продуктом эволюции природы или даже ее ошибкой, а выступает целью земного этапа эволюции материи.
Теория эволюции биосферы не может не быть также эволюцией человека как естественного тела природы. А значит, для природного существования человека необходимо три рода условий:
1. Космологические условия – некоторая совокупность и их определенная связь физических констант, определяющих облик нашей Вселенной, специфику протекания процессов, характер законов в познаваемой человеком части универсума, особенности физических и химических взаимодействий, и др.
2. Экологические условия - включенность человека в эволюционно сложившиеся связи и отношения организмов между собой и с факторами неорганического происхождения. Занимаемая человеком экологическая ниша влияет на процессы развития человеческой популяции, возникновение рас и т.п.
3. Биологические условия – особенности организма человека, уникальность человечества в целом и каждого индивида в частности, определяемые, прежде всего, генетическими факторами.
Таким образом, возникновение человека до сих пор остается загадкой. Существует множество концепций антропогенеза, самыми распространенными в естествознании считаются теория Дарвина – Энгельса и теория Вернадского.
2. Физиология человека. Здоровье и работоспособность человека
Человек в рамках естествознания – это всего лишь животное, высшее, разумное, но все же животное. Даже самые высокие взлеты человеческого духа естествознание пытается объяснить биохимическими, физиологическими процессами, протекающими в организме человека.
Человеческий организм представляет собой сложный комплекс, состоящий из нескольких сложных взаимосвязанных и взаимодействующих систем, обеспечивающих жизнедеятельность человеческого организма. К ним относятся:
Кровь, лимфа, тканевая жидкость – внутренняя среда организма, обладающая гомеостазом, обусловливающая независимое существование организма человека. В 1939 г. Р. Ланг ввел в науку понятие «система крови».
Функции этой системы:
1. Поддержание гомеостаза, т.е. совокупность приспособительных реакций организма, направленных на сохранение динамического состояния его внутренней среды: температуры тела, кровяное давление и т.д. 2. Транспортная, т.е. перенос газов крови, питательных веществ, продуктов метаболизма. 3. Терморегуляторная. 4. Защитная, т.е. участие в иммунных реакциях. 5. Экскреторная (выделительная) и др.
Система кровообращения – это сердце и замкнутая система кровеносных сосудов, включающая артерии, капилляры, вены. Движение крови образует большой и малый круги обращения.
Система лимфообращения осуществляет постоянный отток межтканевой жидкости по направлению к сердцу, поддерживает объем и состав тканевой жидкости, переносит питательные вещества из пищеварительного канала в венозную систему, участвует в иммунных функциях организма. Лимфатическая система включает костный мозг, вилочковую железу, миндалины, лимфатические узлы, селезенку, лимфоидные узелки в органах пищеварения, лимфатические пути. Лимфа поддерживает белковое постоянство крови (до 200 г белка в течение суток).
Дыхательная система обеспечивает ткани человеческого организма кислородом и освобождает их от углекислого газа, участвует в голосообразовании, обонянии и др.
Пищеварительная система состоит из пищеварительной трубки длиной 8-9- м и крупных пищеварительных желез – печени, поджелудочной железы, желудка, слюнных желез.
Выделительная система включает почки, кожу, легкие, железы сальные и потовые.
Иммунная и эндокринная системы включают железы внутренней секреции, которые осуществляют гормональную регуляцию организма и влияют на обмен веществ и энергии, рост и развитие, размножение, адаптацию организма.
Нервная система обеспечивает взаимодействие с внешней средой и регуляцию работы всех органов и систем организма. Анатомически нервная система делится на центральную и периферическую. Центральная нервная система состоит из головного и спинного мозга, в которых располагаются главным образом тела нейронов. Скопления тел нейронов образуют серое вещество головного и спинного мозга, а скопления их отростков – белое вещество. Нервы, отходящие от спинного и головного мозга, разветвляются. Тонкие нервные волоконца пронизывают все органы, - так образуется периферическая нервная система.
Спинной мозг выполняет функции: 1) рефлекторную (двигательные и чувственные рефлексы), 2) проводимости (связь с головным мозгом).
Головной мозг состоит из 3 отделов:
1) задний (продолговатый мозг, мост и мозжечок); 2) средний (соединяет передний мозг с задним); 3) передний (кора больших полушарий).
Функции отделов головного мозга:
1. Продолговатый мозг является непосредственным продолжением спинного мозга (напоминает его своим строением) и обеспечивает рефлексы кашля, чихания, пищеварения, сосания, сердечно-сосудистой деятельности, дыхания, равновесия. От него отходят нервы, управляющие деятельностью языка, глотки, гортани, щитовидной железы, крупных кровеносных сосудов, внутренних органов. Мост содержит нервные пути, связывающие передний и средний мозг с продолговатым и спинным мозгом.
2. Средний мозг обеспечивает двигательные рефлексы, здесь находятся нервные центры слуха и зрения.
3. В промежуточном мозге находится зрительный бугор – центр всей чувствительности, кроме обоняния; подбугорье – центр вегетативной системы, регулирующей все обменные процессы; эпифиз контролирует железы внутренней секреции, гормоны которых определяют пигментацию кожи в зависимости от освещенности.
4. Кора больших полушарий имеет толщину 1,3-1,4 мм и площадь около 2200 см 2 и состоит из серого и белого вещества. Выполняет двигательные и чувствительные функции, здесь находятся речевой центр и сенсорная зона, отвечающая за оценку различных чувственных стимулов. Слуховой центр, расположенный в височной доле, анализирует звуковые раздражители; зрительный расположен в затылочной доле и отвечает за формирование зрительных образов; центры вкуса и обоняния находятся в переднем отделе.
Нервная система делится на соматическую (отвечает за чувствительность и двигательные функции) и вегетативную (иннервирует все внутренние органы и железы). Вегетативная нервная система обеспечивает регуляцию «растительных» функций, т.е. питание, дыхание, выделение, размножение. Она делится на два отдела: симпатическая (центры расположены в грудных сегментах спинного мозга, вырабатывают норадреналин, который поддерживает организм в состоянии активности – сердце сокращается чаще, сильнее, помогая человеку справляться с нагрузкой) и парасимпатическая (центры расположены в среднем, продолговатом мозге и крестцовых сегментах спинного мозга, вырабатывают ацетилхолин, который обеспечивает организму состояние покоя – сердце сокращается медленнее и меньше крови выбрасывается).
Анализаторы – органы чувств (термин введен И.П. Павловым). Анализатор состоит из трех отделов: периферический, проводниковый, центральный (корковый) и выполняет следующие функции: воспроизводит внешние и внутренние раздражители (сигналы); передает информацию в кору больших полушарий; опознает сигнал (в виде конкретного образа).
Таким образом, человек – это сложный высокоорганизованный комплекс взаимосвязанных и взаимодействующих систем обеспечения его жизнедеятельности.
Более ста лет назад выдающийся французский биолог и медик К. Бернар выдвинул идею единства здоровья и болезни, по существу, обосновал учение о гомеостазе. В лекциях о жизни животных и растений в 1878 г. он обобщил накопленный медициной опыт и данные своих экспериментов и наблюдений. Утверждая единство здоровья и болезни, великий естествоис пытатель писал: «Физиология болезней, конечно, заключает в себе процессы, которые могут быть присущи им специально, но их законы абсолютно тождественны с законами, управляющими функциями жизни в здоровом состоянии». Идея единства здоровья и болезни, как двух качественно различных феноменов, которые могут сосуществовать в индивидууме пронизывает современные руководства по общей патологии. Сам организм (его центральная нервная система) может быть организатором пато логических процессов. Это утверждение основывается на результатах большого количества экспериментов. Однако при этом особо подчеркивается тот факт, что организация (самоорганизация) пато логического процесса есть организация адаптивной программы в экстремальных, аварийных условиях среды. Идеи такого рода присутствуют в работах Н. П. Бехтеревой, Г. Н. Кржижановского и других ученых.
Современная медицина после долгих дискуссий стала определять здоровье человека как нормальное психосоматическое состояние и способность человека оптимально удовлетворять материальные и духовные потребности. Болезнь - нарушение оптимального психосоматического состояния и способности удовлетворять свои потребности. Как видим, здоровье и болезнь определяются через понятие нормы, которая понимается как функциональный оптимум системы, а патология как нарушение этой нормы.
При анализе специфики здоровья обычно разграничивают понятия здоровье индивида и здоровье популяции. Здоровье индивида определяется сохранением нормального функционирования его организма при максимальной продолжительности жизни. Здоровье популяции в отличие от этого характеризует процесс развития жизнеспособности и трудоспособности человеческого коллектива в ряду поколений. Это развитие предполагает совершенствование психофизиологических, социокультурных и творческих возможностей людей. Таким образом, здоровье индивида выражается, прежде всего, в продолжительности жизни, а здоровье популяции – в показателях заболеваемости и смертности, росте хронической патологии и т д.
В 1947 г. Всемирная Организация Здравоохранения, основанная по инициативе ООН, предложила краткую формулировку термина «здоровье». Здоровье — это состояние полного физического, умственного и социального благосостояния. Оказывается, каждый человек рождается на свет с определенным запасом жизненной энергии, которой и определяется его жизненная роль. Этот запас у людей разный. Когда организм переживает состояние стресса, все его жизненно важные системы и органы подвергаются перенапряжению и выходят из строя у конкретного человека в зависимости от наибольшей уязвимости.
Многие надеются на то, что если после страшного перенапряжения хорошенько отдохнуть, то можно вернуть прежнее состояние и силы. Это неверно. Эксперименты на животных ясно показали, что каждое такое воздействие оставляет неизгладимый след, так как израсходованные адаптационные резервы не восстанавливаются. С другой стороны, попытка избежать всех форм стресса – не выход из положения. Исследования показали, что сокращение активности также ведет к сокращению жизни. Другими словами, и расточать жизнь, и бездействовать – одинаково плохо. Лучше всего умеренность и равновесие.
Еще во времена Гиппократа было известно, что человеческие эмоции связаны с заболеваниями. Но только в 1818 г. Гетрус применил новый термин – психосоматические заболевания (с греч. «психе» - душа, «сома» - тело, т.е. мы имеет дело с «душевно-телесными» заболеваниями. При всех заболеваниях имеется взаимосвязь между эмоциями и состоянием организма. Почти все больные, независимо от того, знали они об этом или нет, имели предшествующие заболеванию эмоциональные переживания.
Когда человек не справляется с критическими стрессовыми состояниями, то его мозг или организм обязательно выходят из строя. И если развивается какое-то заболевание, оно ударяет по самым уязвимым местам на шего организма. Где проявит себя болезнь, зависит от того, какие органы оказались «повышенно чувствительны» в результате перенесенных детских заболеваний, наследственной предрасположенности или состояния нервной системы. Стрессы влияют на организм двумя основными путями. Эмоции, связанные с проявлением враждебности и ненависти, вызывают повышенную реакцию организма, а такие чувства, как страх или уныние – пониженную. Подобно тому, как мрачные мысли могут вывести вас из строя, так светлые и добрые помогут сохранить наилучшее здоровье. Думайте всегда о хорошем. Соломон, один из мудрейших людей, когда-то живших на земле, говорил: «Веселое сердце благотворно, как врачевство, а унылый дух сушит кости».
К необходимым факторам здоровья и долголетия относятся и природные средства: свежий воздух, солнечный свет, умеренность, отдых, физические упражнения, вода и правильное питание. Сотрудничество с природой помогает восстановить нарушенный баланс и гармонию в системах организма.
Движение и деятельность – закон существования. Польза человеческому организму от физических упражнений неоценима, потому что они улучшают кровообращение; предупреждают преждевременные сердечные заболевания; увеличивают доставку кислорода организму; способствуют пищеварению; успокаивают нервы и уравновешивают эмоции; повышают сопротивляемость организма к заболеваниям; снимают усталость; укрепляют мышцы, кости и связки; придают фигуре стройность; обостряют умственные способности; усиливают самообладание, развивают ловкость; помогают противостоять неожиданным стрессам (физическим или эмоциональным); улучшают функции желез; развивают силу, уверенность и волю; способствуют крепкому, полноценному сну.
Мало кто реально представляет себе, какую роль играет вода в нашей жизни. На 50—65 % человеческий организм состоит из воды. Мышцы содержат 75 % воды, и даже в костях ее больше 20 %. Каждая клетка нуждается в жидкости. Все химические и электрические процессы в организме совершаются в жидкой среде. В среднем человек должен выпивать 8 стаканов воды ежедневно.
Для нормального функционирования наш организм нуждается в определенном количестве поваренной соли. Чрезмерное употребление соли может привести к серьезным проблемам, в частности, к повышению кровяного давления.
Всем известно пагубное влияние сахара на состояние зубов. Научные исследования показали, что избыточное потребление сахара значительно повышает уровень холестерина в крови, а это может привести к заболеваниям сердца. Так как мозгу для обмена веществ необходима глюкоза, всякое нарушение содержания сахара в кровяном русле приводит к нарушению работы клеток мозга. Подсчитано, что одна белая клетка крови – лейкоцит – может уничтожить около 14 болезнетворных бактерий. Если же человек потребляет много сахара (24 чайных ложек в сутки), защитные способности лейкоцита слабеют, и он сможет одолеть лишь одну бактерию. Тот, кто потребляет много сахара, открыт для многочисленных инфекционных заболеваний.
Бывает, что человек чувствует себя хорошо, все органы и системы работают, казалось бы, нормально, но достаточно легкого сквозняка – и он уже во власти недуга: на несколько дней слег в постель с высокой температурой. Выходит, что даже при нормальных качественных показателях организм может быть чрезвычайно уязвимым, а значит, не абсолютно здоровым. Академик Г.М. Амосов предложил ввести новый медицинский термин «количество здоровья» для обозначения меры резервов организма. Есть скрытые резервы сердца, почек, печени. Выявляются они с помощью различных нагрузочных проб. Здо ровье — это количество резервов в организме, это максимальная производительность органов при сохранении качественных пределов их функций.
Сегодня вместо 100-120 лет мы живем в среднем 70, т.е. наша жизнь укорачивается. Первой причиной этого, отнимающей у нас примерно 20-30 лет, считают повседневную нагрузку на мозг – болезни, стрессы, переживания, неправильный образ жизни. Второй причиной, отнимающей у нас примерно 10-20 лет, И. Мечников назвал самоотравление гнилостными веществами из толстого кишечника. Регулярно употребляя кисломолочные продукты, мы имеем все основания надеяться выиграть 10 лет здоровой жизни.
Секрет долголетия кроется в пяти условиях жизни: закаленное тело, здоровые нервы и хороший характер, правильное питание, климат, ежедневный труд.
Правильный образ жизни И. И. Мечников называл ортобиозом («орто» - прямой, правильный; «био» - жизнь). С точки зрения современной науки имеются восемь важнейших условий ортобиоза:
- труд;
- нормальный сон, он является средством восстановления сил мозга.
- положительные эмоции, их обеспечивают доброжелательное отношение к другим людям, юмор, оптимизм. Надо фиксировать внимание на хорошем и уметь радоваться.
Согласно теории американских ученых Р. Мелзаки, П. Уолл, положительные эмоции как бы закрывают «болевой шлагбаум» в сером веществе спинного мозга, а отрицательные, наоборот, открывают его. Поло жительные эмоции – универсальный исцелитель от многих недугов, иногда даже от такого тяжелого заболевания, как рак. Например, американские ученые утверждают, что в Нью-Йорке зарегистрировано 20 больных раком, которые излечились от него, не прибегая к помощи ни специальных фармакологических веществ, ни радиоактивного излучения: всего-навсего с помощью положительных эмоций (новая любовь, коренные изменения в жизни, общий оптимистический настрой).
- рациональное питание (по количеству и качеству). Знаменитый кардиолог Уайт говорил: чтобы не болеть атеросклерозом и дольше прожить, надо не злоупотреблять двумя вещами: желудком и будильником, т. е. кушать не досыта, а спать по потребности.
- избегать алкоголя и никотина. Алкоголь—яд для всех клеток тела. Слабеют нервные процессы, дрябнет сердечная мышца. Неблагоприятное действие оказывает алкоголизм родителей на потомство, повышая число детей с психическими и физическими дефектами. Табачный яд – целый букет вредностей. Никотин – нервно-сосудистый яд. От инфаркта миокарда курящие умирают в 11 раз, от рака легких в 13 раз чаще, чем некурящие. Живут они на 10 лет меньше.
- соблюдение режима, т.е. выполнение определенной деятельности организма в определенное время, что приводит к образованию в мозгу условных рефлексов на время. В результате привычное время еды настраивает организм на прием, и переваривание пищи, привычное время для работы – на соответствующую форму деятельности
- закаливание организма, т.е. процесс приспособления организма к неблагоприятным внешним воздействиям, главным образом к холодовому фактору, причем приспособление это достигается путем использования естественных сил природы – солнечных лучей, воздуха, воды.
- физические упражнения, достаточный объем двигательной активности.
Что такое работоспособность? С физиологической точки зрения, работоспособность определяет возможности организма при выполнении работы к поддержанию структуры и энергозапасов на заданном уровне. В соответствии с двумя основными типами работ различают физическую и умственную работоспособность. Выделяют общую (потенциальную, максимально возможную работоспособность при мобилизации всех резервов организма) и фактическую работоспособность, уровень которой всегда ниже. Фактическая работоспособность зависит от текущего уровня здоровья, самочувствия человека, а также от свойств нервной системы, индивидуальных особенностей функционирования психических процессов (памяти, мышления, внимания, восприятия), от оценки человеком значимости и целесообразности выполнения определенной работы и мобилизации для этого определенных ресурсов организма.
Работоспособность имеет следующие фазы:
- фаза мобилизации;
- фаза врабатываемости (постепенное приспособление организма к наиболее оптимальному режиму выполнения работы);
- фаза оптимальной работоспособности (или фаза компенсации);
- фаза неустойчивости компенсации или субкомпенсации (происходит свое образная перестройка организма: необходимый уровень работы поддерживается за счет ослабления менее важных функций. Эффективность труда поддерживается уже за счет дополнительных физиологических процессов, менее выгодных энергетически и функционально. Например, в сердечнососудистой системе обеспечение необходимого кровоснабжения органов осуществляется уже не за счет увеличения силы сердечных сокращений, а за счет возрастания их частоты)
- фаза «конечного порыва» имеет место при наличии сильного мотива к деятельности;
- фаза декомпенсации наступает при выходе за пределы фактической работоспособности, во время работы в сложных и экстремальных условиях, она сопровождается прогрессирующим снижением производительности труда, появлением ошибок, выраженными вегетативными нарушениями – учащением дыхания, пульса, нарушением точности координации.
Периоды подъема и спада работоспособности чередуются в течение определенного времени. Максимальные подъемы отмечаются в 10 –13 и 17-20часов. Минимум работоспособности приходится на ночные часы. Но и в это время наблюдаются физиологические подъемы с 24 до 1 часа ночи и с 5 до 6 часов утра. Периоды подъема работоспособности в 5 – 6,11 – 12, 16 – 17, 20 – 21, 24 – 1 час чередуются с периодами ее спада в 2 – 3, 9 – 10, 14 – 15, 18 – 19, 22 – 23 часа. Это учитывают при организации режима труда и отдыха. Интересно, что в течение недели отмечаются те же этапы: в понедельник человек проходит стадию врабатывания, во вторник, среду и четверг имеет устойчивую работоспособность, а в пятницу и субботу у него развивается утомление.
Существуют и сезонные колебания работоспособности. В переходное время года, особенно весной, у многих людей появляются вялость, утомляемость, снижается интерес к работе. Это состояние называют весенним утомлением.
Широкое распространение получила модная теория так называемых трех биоритмов – физического, эмоционального и интеллектуального – со дня рождения. Такие циклы действительно существуют, причем они имеют связь с показателями обмена веществ. Но их трудно прогнозировать с момента рождения из-за многочисленных привходящих факторов, вызывающих физические, эмоциональные, психические стрессы. Например, при напряженных тренировках спортсменов или во время студенческой сессии амплитуда соответствующих биоритмов была все время на подъеме, а частота увеличивалась. Это свидетельствует о том, что психологические факторы сильнее природных датчиков ритма.
В последние годы обнаружены ритмы функционирования нервной, мышечной и сердечнососудистой систем продолжительностью 5–16 дней. Их выраженность зависит от тяжести труда. У людей тяжелого физического труда они равны 5 – 8 дням, у работников умственного труда – 8 – 16 дням.
На работоспособность влияет и возраст. Установлено, что в 18-29 лет у человека наблюдается самая высокая интенсивность интеллектуальных и логических процессов. К 30 годам она снижается на 4%, к 40 – на 13%, к 50 – на 20%, а в возрасте 60 лет – на 25 %. По данным ученых Киевского института геронтологии, физическая работоспособность максимальна в возрасте от 20 до 30 лет, к 50 – 60 годам она снижается на 30 %, а в следующие 10 лет составляет лишь около 60 % юношеской.
Спад работоспособности связан с утомлением, которое долго считали отрицательным явлением. Современные физиологи (академик А. Аршавский и др.) доказали, что утомление – это естественный процесс восстановления работоспособности. Эксперименты показали, что физические нагрузки не сокращают, а наоборот, увеличивают продолжительность жизни.
Различают физиологическое и психическое утомление. Первое из них связано с воздействием на нервную систему продуктов разложения, освобождающихся в результате двигательно-мускульной деятельности. Психическое утомление проявляется: в понижении восприимчивости человека, в результате чего отдельные раздражители он вообще не воспринимает, а другие воспринимает лишь с опозданием; в снижении способности концентрировать внимание, в результате человек совершает ошибки; в уменьшении способности к запоминанию, трудностям в воспоминании уже известных вещей, причем воспоминания становятся обрывочными, и человек не может применить свои профессиональные зна ния в работе в результате временного нарушения памяти; в замедленности мышления, его неправильности, оно в какой-то мере теряет свой критический характер, гибкость, широту, человек с трудом соображает, не может принять правильное решение; в области эмоциональной возникает безразличие, скука, состояние напряженности, могут возникнуть явления депрессии или повышенной раздраженности, наступает эмоциональная неустойчивость; в возникновении помех в деятельности нервных функций, обеспечивающих сенсомоторную координацию, в результате чего усталый человек медленнее реагирует на внешние воздействия, одновременно теряет ловкость, скоординированность движений, что приводит к ошибкам, несчастным случаям.
После прекращения работы наступает фаза восстановления физиологических и психологических ресурсов организма. Однако не всегда восстановительные процессы проходят нормально и быстро. После сильно выраженного утомления вследствие воздействия экстремальных факторов организм не успевает отдохнуть, восстановить силы за обычные 6 – 8 часов ночного сна. Порой требуются дни, недели для восстановления ресурсов организма. В случае неполного восстановительного периода сохраняются остаточные явления утомления, которые могут накапливаться, приводить к хроническому переутомлению различной степени выраженности. В состоянии переутомления длительность фазы оптимальной работоспособности резко сокращается или может отсутствовать полностью, и вся работа проходит в фазе декомпенсации. В состоянии хронического переутомления снижается умственная работоспособность: трудно сосредоточиться, временами наступает забывчивость, замедленность и по рой неадекватность мышления. Все это повышает опасность несчастных случаев.
Для предотвращения хронического переутомления необходима правильная, рациональная организация режима труда и отдыха. Для начинающегося переутомления (I степень) достаточно упорядочить отдых, сон, занятия физкультурой, культурные развлечения. В случае легкого пере утомления (II степень) полезен очередной отпуск и отдых. При выраженном переутомлении (Ш степень) необходимо ускорение очередного отпуска и организованного отдыха. Для тяжелого переутомления (IV степень) требуется уже лечение.
Степень переутомления (по К. Платонову)
|
Симптомы |
I - начинающееся переутомление |
II – легкое переутомление |
III- выраженное переутомление |
IV – тяжелое переутомление |
|
Снижение работоспособности |
малое |
заметное |
выраженное |
резкое |
|
Появление сильной усталости |
при усиленной нагрузке |
при обычной нагрузке |
при облегченной нагрузке |
без всякой нагрузки |
|
Компенсация снижения работоспособности волевым усилием |
не требуется |
полностью компенсируется |
не полностью |
незначительно |
|
Эмоциональные сдвиги |
временами снижение интереса к работе |
временами неустойчивость настроения |
раздражительность |
угнетенное состояние, раздражительность |
|
Расстройства |
трудно засыпать и просыпаться |
сонливость днем |
бессонница |
3. Высшие психические функции и их физиологические механизмы. Сознание и мозг
Материальные основы психической деятельности человека изучает физиология высшей нервной деятельности (ФВНД). Ее основоположником является великий русский ученый И.П. Павлов, создавший учение о безусловных и условных рефлексах как двух формах поведения человека.
Безусловные рефлексы - видовые генетически закрепленные, стереотипные формы поведения человека, они врожденны.
Условные рефлексы – индивидуальные приобретенные в процессе жизни и обучения приспособительные реакции, возникающие на основе образования временной связи между условным раздражителем и безусловным актом. Значение условных рефлексов в том, что они, будучи формой приобретенного поведения, являются основой для развития, обучения, приобретения навыков, умений, знаний в процессе индивидуального опыта человека.
ФВНД изучает сложнейшие проявления психики: сознание, мышление, память, внимание, эмоции и др.
Особенностью психических функций человека является наличие второй сигнальной системы – особые условные рефлексы, вырабатываемые на слово. Слово – обобщенный сигнал, имеет знаковую природу и заменяет конкретный предмет. Благодаря второй сигнальной системе у человека формируется абстрактно-логическое мышление.
Физиологические предпосылки сознания:
1. Оптимальное кровоснабжение мозга;
2. Оптимальный уровень возбудимости нервных центров. При низком уровне возбудимости сознание отсутствует (например, сон).
В самостоятельную группу выделяют неосознаваемые психические процессы, которые составляют сферу бессознательного. Сознание и бессознательное – взаимосвязанные формы психической деятельности, которые осуществляются на уровне коры и подкорки.
Сознание – это высшая форма отражения мозгом человека окружающего мира. Это такое знание, которое существует и может быть передано в знаковой форме.
Итак, сознание – это одна из форм отражения материи. Отражение универсальное свойство, присущее всей материи, ее важнейший атрибут. Отражение – это способность одних материальных объектов воспроизводить в своих изменениях свойства других материальных объектов в процессе их взаимодействия. Сознание является результатом взаимодействия двух материальных объектов: человеческого мозга и предметного мира. На каждом уровне организации материи отражение имеет свою специфику и форму. Из приведенной ниже таблицы видно, что взаимодействие объектов проявляется в определенных формах движения материи, результатом которых являются соответствующие формы отражения.
Таблица «Формы отражения материи»
|
Уровни организации материи |
Формы движения материи |
Формы отражения |
|
Органическая природа |
социальная |
сознание человека |
|
биологическая |
психика высших животных |
|
|
раздражимость |
||
|
Неорганическая природа |
химическая |
химическая (различные химические реакции) |
|
физическая |
физическая (оптические, акустические, электромагнитные и др.) |
|
|
механическая |
механическая (например, деформация) |
Из таблицы видно, что сознание как форма отражения имеет социальную природу и является высшим уровнем психической активности человека как социального существа.
Способом бытия сознания является речь. Речь - исторически сложившаяся форма общения людей с помощью знаков. Виды речи: устная, письменная, внутренняя. В речевой функции левому полушарию коры головного мозга принадлежит господствующая роль. Правое полушарие доминирует в процессах восприятия предметов, геометрических фигур, деталей и образов. Эта межполушарная асимметрия доказана клинико-патологическими данными. Выявлены нарушения речи, связанные с поражением нижней лобной извилины; сенсорная афазия возникает при поражении задних отделов верхней височной извилины, при этом страдает восприятие речи на слух. Опыты показали, что у правшей в 75% случаев доминирует левое полушарие. Люди с доминирующим левым полушарием тяготеют к теории, имеют большой словарный запас, им присуща двигательная активность, целеустремленность, способность прогнозировать события. «Правополушарный» человек тяготеет к предметным видам деятельности, медлителен и неразговорчив, склонен к созерцательности и воспоминаниям.
Исследуя взаимосвязь сознания и мозга, ученые сделали вывод о том, что правое полушарие мозга улавливает смысл, а левое подбирает слова. Чтобы рассказать о том, что увидел, надо сначала уловить суть, а затем облечь ее в слова. Если человек не может этого сделать, значит, у него повреждена определенная зона головного мозга - таков традиционный взгляд на проблему. Однако сотрудник Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М.Сеченова РАН М.А. Грицышина предположила, что разные этапы формирования высказывания связаны с разными отделами и полушариями головного мозга. Чтобы проверить это, она предлагала здоровым людям и испытуемым с очаговыми поражениями правого и левого полушарий головного мозга составить рассказ по сюжетной картинке "Гость" известного карикатуриста Х. Бидструпа. Было проанализировано 73 рассказа, 20 из которых принадлежали здоровым испытуемым, 40 рассказов - больным с поражением левого полушария головного мозга, а также 13 рассказов - больным с поражением правого полушария. Результаты анализа рассказов подтвердили предположения исследователя и выявили интересные закономерности.
Для понимания замысла художника необходимо иметь здоровое правое полушарие. Люди с пораженным правым полушарием затруднялись определить сюжет картинки. Эти трудности проявлялись по-разному, в зависимости от того, какая часть полушария пострадала. При поражении передних отделов рассказчики описывали отдельные эпизоды, но не могли сложить их в единое целое. Больные с нарушениями в задних отделах такой проблемы не испытывали, но от них ускользал смысл картинки. Они произносили многословный связный текст, который не имел прямого отношения к сюжету рисунка, а был вызван скорее ассоциациями, навеянными этим рисунком.
Левое полушарие отвечает за то, как сформированный правым полушарием смысл высказывания облекается в слова. Основную роль в подборе слов играют передние отделы левого полушария. Больные с поражениями в этих областях изъяснялись односложно. Они хорошо поняли сюжет, каждое использованное ими слово относилось к сути этой простой истории, но связного развернутого рассказа эти люди составить не могли. При нарушениях в задних отделах левого полушария все наоборот: слова льются, но очень трудно подобрать подходящие к случаю.
Исследования М.А. Грицышиной позволили сделать выводы: 1) При поражении задних отделов практически невозможно четко выразить мысль либо потому, что ее трудно уловить (правое полушарие), либо потому, что не удается подобрать нужные слова (левое полушарие). 2) Передние отделы отвечают за связь отдельных эпизодов в единое целое, причем правое полушарие объединяет понятия, детали, левое же связывает слова в предложения, а фразы друг с другом.
Сознание – это сложный феномен, имеющий определенную структуру, куда входят три сферы: когнитивная, эмоциональная, мотивационно-волевая. Когнитивная сфера включает в себя познавательные способности человека. К ним, в частности, относятся: чувственность (ощущения, восприятия, представления), мышление (понятия, суждения, умозаключения), внимание, память, воображение.
Внимание – это сосредоточенность, избирательная познавательная направленность, нацеленность на определенный объект, значимый в данный момент. Физиологический механизм внимания – это 1) ориентировочный рефлекс, который заключается в установке анализаторов на объект; 2) локальный процесс активиза ции, основанный на явлении доминанты. Внимание бывает двух видов: произвольное (основано на сложных взаимосвязях в коре больших полушарий) и непроизвольное (связано с возбуждением подкорковых образований). Главную роль в обеспечении внимания играет промежуточный мозг и ассоциативные зоны коры больших полушарий.
Память – это способность мозга хранить, перерабатывать и воспроизводить полученную информацию. Виды памяти: зрительная (иконическая), слуховая (эконическая), моторная, словесно-логическая, ассоциативная. Левое полушарие обеспечивает словесно-логические способы запоминания, правое – наглядные образы.
Эмоциональная сфера сознания представляет собой субъективно - психологические переживания и включает в себя 1) инстинктивно-аффективные состояния (неотчетливые переживания, предчувствия, смутные видения, галлюцинации, стрессы); 2) эмоции и эмоциональные состояния (гнев, восторг, страх, радость, отчаяние и т.д.); 3) чувства, отличающиеся большей отчетливостью, осознанностью (наслаждение, отвращение, любовь, ненависть и т.д.). Все эти разнопорядковые явления обычно объединяются понятием «эмоции». Эмоция определяется как отражение ситуации в форме психического переживания и оценочного отношения к ней. Эмоциональная сфера присутствует также и в познавательном процессе, повышая или, наоборот, снижая его эффективность. Об эмоциональной сфере более подробно поговорим в следующей лекции.
Мотивационно-волевая сфера включает в себя потребности, интересы, цели, мотивы, которые реализуются всегда только благодаря волевой компоненте. Воля – это способность человека к достижению своих целей. Воля – это сознательное регулирование человеком своих действий и поступков, требующих преодоления внутренних и внешних трудностей. Волевое регулирование поведения человека детерминировано условиями, в которых он живет и трудится. Воля не является изолированным свойством психики человека, и поэтому рассматривается во взаимосвязи с другими сторонами сознания.
Физиологические механизмы волевой активности представлены следующим образом: в теменной части коры больших полушарий расположена двигательная область. Она связана со всеми участками коры, в том числе с корковыми концами всех анализаторов. Эта связь дает возможность возбуждению, возникшему в каком-либо участке коры, достигнуть двигательной области и вызвать в ней аналогичный процесс. Так представлен элементарный путь прохождения информации, человеку же присуща способность накапливать информацию и действовать на ее основе. Как показывают исследования, исключительное значение в осуществлении волевой регуляции имеют лобные доли коры мозга. Их поражение приводит к абулии (болезненному безволию). Важное значение в общем механизме волевого регулирования имеет также ретикулярная формация. Ретикулярная формация – это своеобразный фильтр, отбирающий одни импульсы и задерживающий другие. Общепризнанно также, что ретикулярная формация является своеобразным аккумулятором и пультом управления энергетическим снабжением коры.
Волевое действие включает в себя: цель, планирование и исполнение. Цели определяются мотивами, т.е. потребностями, влечениями и желаниями. Часто осознание (или формирование) цели связано с борьбой мотивов, которая заканчивается принятием решения. За принятием решения следует планирование способов достижения поставленной цели. Как только определены пути и способы, человек приступает к практическому осуществлению принятого решения.
Волевой акт совершается при большем или меньшем напряжении. Это так называемое волевое усилие. Оно пронизывает все звенья волевого акта от осознания цели до практического ее осуществления. Волевое усилие зарождается и возрастает по мере возникновения и нарастания трудностей, напряжений.
К волевым свойствам личности относятся: настойчивость, выдержка, самостоятельность, смелость, отвага, мужество, стойкость, дисциплинированность. Эти качества формируются в процессе жизни и деятельности. У бездеятельных людей низкий уровень развития волевых качеств, их называют слабовольными.
4. Этология. Особенности поведения человека и животных
Исследование поведения человека показывают, что оно в основном определяется генетическими особенностями и только часть признаков определяется культурой, образованием, воспитанием. То есть поведение человеческого индивида не выходит за рамки своего вида, как и у всякого филогенетически сложившегося вида.
Ученые ищут общее и различие в человеке и животных. Сходства человека и животного определяются следующими признаками:
1) вещественным составом, строением, поведением организмов;
2) человеческий зародыш в своем развитии проходит те же стадии, которые прошла эволюция живого;
3) у человека имеются рудиментарные органы, которые выполняли важнейшие функции у животных: копчик, аппендикс, волосы и т.д.;
Отличия человека и животного:
1) человек обладает разумом, т.е. он способен к понятийному, абстрактному мышлению. Чем выше эта способность, тем выше интеллект человека;
2) человек обладает речью, т.е. общение происходит с помощью слов, знаков – это видовой признак человека;
3) способность к труду. Только человек способен изготавливать и использовать орудия труда. Животное приспосабливается к окружающей среде, а человек приспосабливает ее к себе, т.е. преобразует.
Таким образом, очевидно, что различия имеют социальный характер.
Наука о поведении животных называется этологией. Основы этологии были заложены в начале 30-х годов ХХ в. выдающимся австрийским биологом Конрадом Лоренцем. Этология изучает поведение животных преимущественно в свободных условиях. Исследования показали, что животные рождаются с заданными формами поведения – инстинктами. Инстинкт – это единица поведения, определяемая генотипом. Инстинкты специфичны для каждого вида и в процессе эволюции могут совершенствоваться. Питанию, росту, размножению и самосохранению соответствуют 4 вида инстинктов: голода, половой, агрессии и страха. Изучая животных, Лоренц вывел ряд врожденных запретов, которые не позволяют выполнять обычные программы поведения при общении с себе подобными. Все эти запреты возникают под жестким давлением отбора ради сохранения вида. Важнейшими из этих запретов являются следующие:
1. Не убей своего! Чтобы выполнять его, необходимо безошибочно узнавать своих.
2. Нельзя нападать неожиданно и сзади без предупреждения и без проверки!
3. Нельзя применять убийственный прием в драке со своим!
4. Нельзя бить того, кто принял позу покорности!
5. Победа с тем, кто прав. Животное, защищающее свою территорию, свое жилище, самку, детеныша, почти всегда выигрывает в конфликте.
Особенности социального поведения животных обусловлены тем, что их социальное поведение – не случайность, а эволюционный механизм, возникновение которого определяется преимуществами общественной жизни. Социальные группы могут состоять из двух особей и до нескольких тысяч у насекомых. Анонимная стая – простейшая форма семьи. Безличная семья – замена одного члена семьи на другого остается не замеченной. Личные семьи – лебеди, дикие гуси. Иерархические группы: пчелы и термиты.
Данные этологии показывают, как много сходств у человека с животными. Однако на основании аналогий между поведением животных и человека делаются различные выводы:
первая точка зрения К. Лоренца: человек по происхождению животное и обладает всеми его свойствами, включая биологическую основу мотивации его агрессивного поведения. Эта позиция находит свое выражение в социобиологии, согласно которой в основе всех форм социального поведения человека лежат врожденные структуры. Образ жизни человека определяется его генами.
вторая точка зрения Вальтера Холличера: человек качественно отличается от животного, и поэтому распространять закономерности животного мира на человеческое поведение неверно и бесперспективно.
Уместно здесь вспомнить древнекитайскую мудрость: не все люди есть в зверях, но все звери есть в людях.
С точки зрения социобиологии сложные поведенческие программы, присущие животному миру, следует рассматривать как естественное обоснование человеческой морали. Ведь большинство признаков, присущих человеку, генетически обусловлено. И только часть человеческих черт обусловлена воспитанием, образованием и другими факторами внешней среды обитания. Поэтому суть эволюции составляет процесс передачи генов от поколения к поколению. Все человеческие действия – это его поведение. Социобиологи, исследуя человеческое поведение, доказывают, что все наше поведение в значительной степени биологично.
Отвечая на вопрос о происхождении человеческой морали и высказывая гипотезу о ее биологической природе, этологи открыли у животных большой набор инстинктивных запретов, необходимых и полезных в общении с сородичами.
В качестве примера наличия некоторых «социальных» чувств часто приводят собаку. Каждый, воспитывая собаку, может убедиться, как легко можно привить ей некоторые наши правила, которые ей исходно совершенно чужды – понятливость и послушность. Мы называем собаку другом человека. Некоторые люди спокойно оставляют ребенка на попечении своей собаки, страшного хищника, способного растерзать даже взрослого и сильного человека. То есть люди доверяют ей. Доверяют устойчивым принципам ее поведения. Ведь собака, как и человек с моральными устоями, не может обидеть самку или детеныша, готова рисковать жизнью за товарища, уважает смелость и прямоту и презирает трусость и обман. Она очень тонко чувствует, когда ее хозяин чем-то расстроен, и способна на проявление чуткости и сопереживания.
По мнению Конрада Лоренца, у животных есть мораль, это – создание естественным способом врожденного запрета выполнять обычные про граммы поведения в некоторых случаях, возникающих при общении с себе подобными. Так как полезный необходимый инстинкт остается неизменным (у хищника это загонять добычу, убивать ее, рвать на части и прочее), в осо бых случаях, где его проявление было бы вредно, вводится специально созданный самой природой механизм торможения. Социобиологи находят аналогии в культурно-историческом развитии человеческого общества: важнейшие требования всех моральных заповедей – это не предписания, а именно запреты. Как врожденные механизмы и ритуалы препятствуют асоциальному поведению животных, так и человеческие табу определяют поведение людей и придают им моральную оценку. Все эти врожденные запреты возникают под жестким давлением отбора ради сохранения и выживания вида. Как видим, с точки зрения социобиологов, человек – это животное. Поэтому необходимо понять, что социальное поведение людей диктуется не только разумом и культурной традицией, но по-прежнему подчиняется еще и тем закономерностям, которые сложились филогенетически, и мы можем хорошо их узнать, только изучая поведение животных. Многие в высшей степени сложные формы поведения – влюбленность, дружба, ревность, скорбь, власть – своими корнями уходят в биосоциальную эволюцию, поэтому правомерно говорить об аналогиях между биологическими и социальными свойствами в сообществах высших животных и человеческого сообщества.
Основные понятия темы:
Антропогенез – процесс происхождения человека.
Здоровье – 1)нормальное психосоматическое состояние и способность человека оптимально удовлетворять материальные и духовные потребности.
– 2)это количество резервов в организме, максимальная производительность органов при сохра нении качественных пределов их функций.
Ортобиоз – правильный образ жизни.
Работоспособность – это возможности организма при выполнении работы поддерживать структуру и энергозапасы на заданном уровне.
Отражение – это способность одних материальных объектов воспроизводить в своих изменениях свойства других материальных объектов в процессе их взаимодействия.
Сознание – это высшая форма отражения мозгом человека окружающего мира.
Внимание – это сосредоточенность, избирательная познавательная направленность, нацеленность на определенный объект, значимый в данный момент.
Память – это способность мозга хранить, перерабатывать и воспроизводить полученную информацию.
Воля – это сознательное регулирование человеком своих действий и поступков, требующих преодоления внутренних и внешних трудностей.
Эмоции – это своеобразные психологические состояния, выражающие особое отношение человека к действительности в форме непосредственных переживаний.
Речь – исторически сложившаяся форма общения людей с помощью знаков.
Тема 17. Эмоции и творчество. Жизнь как ценность
1. Эмоции и их роль в жизни человека
Эмоции – это своеобразные психологические состояния, выражающие особое отношение человека к действительности в форме непосредственных переживаний. Радость, грусть, страх, восторг, отчаяние – это разнообразные чувства и эмоции. Человек всегда проявляет свое отношение к происходящему, и оно выражается в удовлетворенности или неудовлетворенности человека своими поступками, высказываниями, деятельностью. Другими словами, любые проявления активности человека сопровождаются эмоциональными переживаниями.
Эмоции, утверждал Ч. Дарвин, возникли в процессе эволюции как средство, при помощи которого живые существа устанавливают значимость тех или иных условий для удовлетворения актуальных для них потребностей. В разных условиях значимость одних и тех же объектов бывает неодинакова. Стакан воды, выпитый для утоления жажды, приносит удовольствие. Если же заставить пить воду человека, не испытывающего жажду, то он будет переживать чувство неудовольствия. Мир чувств и эмоций очень сложен и многообразен. Тонкость его организации и многогранность выражения нередко не осознается самим человеком. Всем известно, как трудно бывает рассказать о своих чувствах, выразить переживания в речи. Слова кажутся недостаточно яркими и четко передающими различные эмоциональные состояния и их оттенки.
Чем более сложно организовано живое существо, чем более высокую ступень на эволюционной лестнице оно занимает, тем богаче та гамма всевозможных эмоциональных состояний, которые оно способно переживать. Количество и качество потребностей человека, в общем и целом соответствуют числу и разнообразию характерных для него эмоциональных переживаний и чувств, причем, чем выше потребность в своей социальной и нравственной значимости, тем возвышеннее связанное с ней чувство.
Основные эмоциональные состояния, которые испытывает человек, делятся на собственно эмоции, чувства и аффекты. Эмоции и чувства предвосхищают процесс, на правленный на удовлетворение потребности, находятся как бы в начале его. Эмоции и чувства выражают смысл ситуации для человека с точки зрения актуальной в данный момент потребности и могут вызываться как реальными, так и воображаемыми ситуациями. Они, как и чувства, воспринимаются человеком как его собственные внутренние переживания, передаются другим людям, сопереживаются.
Чувства – высший продукт культурно-эмоционального развития человека. Они связаны с определенными, входящими в сферу культуры предметами, видами деятельности и людьми, окружающими человека. Предметом чувственного отношения человека могут стать исторические и социальные события, многое другое. В отличие от эмоций, которые обычно возникают в ответ на воздействие отдельных свойств окружающей среды, чувства соотносятся с восприятием и оценкой сложных предметов, событий, людей, ситуаций. Они достаточно развиты лишь у человека, у животных их нет.
Чувства выполняют в жизни и деятельности человека, в его общении с окружающими людьми мотивирующую роль. В отношении окружающего его мира человек стремится действовать так, чтобы подкрепить и усилить свои положительные чувства. Они всегда связаны с работой сознания, могут произвольно регулироваться. Проявление сильного и устойчивого чувства к чему-либо или к кому-нибудь называется страстью. Устойчивые чувства умеренной или слабой силы, действующие в течение длительного времени, именуются настроениями. Настроение – это более или менее длительное и устойчивое эмоциональное состояние, окрашивающее все другие переживания и деятельность человека.
Аффекты – это особо выраженные эмоциональные состояния, сопровождаемые видимыми изменениями в поведении человека, который их испытывает. Развитие аффекта подчиняется следующему закону: чем более сильным является исходный мотивационный стимул поведения, чем больше усилий пришлось затратить на то, чтобы его реализовать, чем меньше итог, полученный в результате всего этого, тем сильнее возникающий аффект. В отличие от эмоций и чувств, аффекты протекают бурно, бы стро, сопровождаются резко выраженными органическими изменениями и двигательными реакциями.
Аффекты, как правило, препятствуют нормальной организации поведения, его разумности. Они способны оставлять сильные и устойчивые следы в долговременной памяти. В то время как работа эмоций и чувств связана по преимуществу с кратковременной и оперативной памятью. Эмоциональная напряженность в результате аффектов накапливается и, если ей во время не дать выхода, может привести к сильной и бур ной эмоциональной разрядке, которая, снимая возникшее напряжение, часто сопровождается чувством усталости, подавленности, депрессией.
Одним из наиболее распространенных в наши дни видов аффектов является стресс. Он представляет собой состояние чрезмерно сильного и длительного психологического напряжения, которое возникает у человека, когда его нервная система получает эмоциональную перегрузку. Стресс дезорганизует деятельность человека, нарушает нормальный ход его поведения. Стрессы, особенно если они часты и длительны, оказывают отрицательное влияние не только на психологическое состояние, но и на физическое здоровье человека. Они представляют собой главные «факторы риска» при появлении и обострении таких заболеваний, как сердечнососудистые и заболевания желудочно-кишечного тракта.
Страсть – еще один вид сложных, качественно своеобразных и встречающихся только у человека эмоци ональных состояний. Страсть представляет собой сплав эмоций, мотивов и чувств, сконцентрированных вокруг определенного вида деятельности или предмета (человека). Как писал С. Л. Рубинштейн: «Страсть всегда выражается в сосредоточенности, собранности помыслов и сил, их направленности на единую цель... Страсть означает порыв, увлечение, ориентацию всех устремлений и сил личности в едином направлении, сосредоточение их на единой цели». Объектом страсти может быть и человек, и определенные вещи, вызывающие непреодолимое стремление к обладанию ими. Страсть всегда побуждает человека к активности, она отличается стойкостью, длительностью времени, в течение которого она проявляется и владеет человеком. Страсти могут быть положительными и отрицательными. Положительные, высокие страсти облагораживают жизнь, делая ее содержательной , интересной, красивой. Ничто великое на свете еще никогда не совершалось без великой страсти. Отрицательные страсти разрушительны для личности, толкая на аморальные поступки, они губительны для человека и, как правило, ведут к трагедии.
Эмоции, чувства и состояния могут оцениваться и по таким параметрам, как: интенсивность, продолжительность, глубина, осознанность, условия возникновения и исчезновения, действие на организм, динамика развития, направленность (на себя, на других, на мир, на прошлое, настоящее или будущее), способ их внешнего выражения (экспрессия) и др. В целом же, чувства и эмоции не отделимы от личности. «То, что радует человека, что его интересует, повергает в уныние, волнует, что представляется ему смешным, более всего характеризует его сущность, его характер, индивидуальность» (В. Вундт).
Является ли эмоция нарушением поведения или, напротив, это организующая реакция? Дарвин, Кеннон, Линер считали в целом, что эмоция является полезной, и что она представляет собой адаптивный процесс благодаря осуществляемой ею энергетической мобилизации в ответ на требования среды. Напротив, большинство других психологов рассматривали эмоцию как дезорганизацию, нарушение деятельности. Именно это резкое нарушение адекватного действия, любого поиска адаптации, эта дезорганизация, распространение возбуждения на весь организм и характеризуют эмоцию. Так, эмоция вызывает нарушения памяти, навыков и вообще замену трудных действий более легкими. Эмоция соответствует такому снижению уровня адаптации, которое наступает, когда мотивация яв ляется слишком сильной по сравнению с реальными возможностями субъекта. Эмоция — это страх, гнев, горе, иногда радость, особенно чрезмерная радость.
Например, студент, сдающий экзамен и имеющий избыточную мотивацию по сравнению с его возможностями. При слабом уровне дезорганизации эмоция может выражаться в виде несвойственных ему и излишних негативных реакций: влажные руки, общее напряжение, затрудненное пищеварение, возбужденность. Эти органические расстройства, если они не слишком сильны, могут сочетаться с высокой успешностью на экзамене. При более значительном уровне дезорганизации экзаменующийся теряется, приходит в замешательство, нарушения охватывают саму психическую деятельность: возникает неясность мыслей, провалы памяти, вербальные затруднения. Вегетативные проявления могут стать еще более сильными: слезы, покрас нение или побледнение, а иногда даже обморок. Как говорил Хоудж, «эмоциональные реакции обратно пропорциональны способности высших мозговых центров противостоять данной ситуации».
Эмоция возникает часто потому, что субъект не может или не умеет дать адекватный ответ на стимуляцию. Рассмотрим три группы ситуаций, которые характеризует новизна, необычность, внезапность. Разумеется, что многие ситуации обладают несколькими из этих признаков.
Ситуации являются новыми, когда мы совсем не подготовлены к встрече с ними. Возникающее возбуждение может разрядиться лишь в виде эмоциональных реакций. Хороший пловец, услышав призыв о помощи, не испытывает или почти не испытывает эмоции, он плывет, но зритель, не умеющий плавать и остающийся пассивным на берегу, волнуется.
Возникновение эмоций связано с избыточной мотивацией. Часто избыточная мотивация возникает из-за несоответствия мотивации субъекта обстоятельствам, которые не позволяют ему действовать. Например. Избыточная мотивация перед действием: волнение. В тех случаях, когда человек сильно заинтересован в каком-то трудном деле, мотивация мешает ему отвлечься и думать о чем-то другом. Он испытывает волнение или тревогу, которые выражаются в возбуждении и неприятных вегетативных реакциях. Создается впечатление, будто не использованная энергия выливается в эмоциональные разряды. Чаще всего волнение проходит, как только субъект начинает действовать. Избыточная мотивация после действия. Жане приводит случай с одним альпинистом, который поскользнулся и покатился в пропасть. Когда ему удалось удержаться и выйти к скале, где ему больше не угрожала никакая опасность, его охватила сильная дрожь. «Сердце, - рассказывал альпинист, - часто билось, тело покрылось холодным потом, и только тогда я испытал страх, какой-то ужас». Случай с киноактрисой, автомобиль которой занесло на повороте. Автомобиль перевернулся на бок; актрисе удалось выбраться через окно автомобиля невредимой, после чего она упала в обморок. Избыточная мотивация в социальном поведе нии. Действие, легко осуществляемое, когда человек один, становится трудным, как только его нужно выполнить в присутствии другого. Социальное поведение является более трудным, т.к. человек как бы «открывается» перед другими, выносит свои действия на суд другого или других.
Волнение, которое при этом возникает, весьма характерно. Мы не любим писать, когда кто-то заглядывает через плечо. Школьник, успешно работающий за партой, часто волнуется, сбивается, когда его вызывают к доске; говорят, что он теряется. Избыточная мотивация при фрустрации. Фрустрация (чувство крушения) возникает всякий раз, когда физическое, социальное и даже воображаемое препятствие мешает или препятствует достижению цели. Сам термин «фрустрация» в переводе с латинского означает обман, тщетное ожидание. Фрустрация переживается как напряжение, тревога, отчаяние, гнев, которые охватывают человека, когда на пути к достижению цели он встречается с неожиданными помехами, которые мешают удовлетворению потребности. Фрустрация создает, таким образом, наряду с исходной мотивацией новую, защитную мотивацию, направленную на преодоление возникшего препятствия, и реализуется в эмоциональных реакциях. Самой распространенной из них является агрессивность, направленная чаще всего на препятствия. Адекватная реакция на препятствие состоит в том, чтобы преодолеть или обойти его, если это возможно; агрессивность же, быстро переходящая в гнев, проявляется в бурных и неадекватных реакциях: оскорбление, физические нападки на человека или объект. В некоторых случаях субъект реагирует на фрустрацию отступлением и уходом (например, выходит из комнаты), сопровождаемым агрессивностью, которая не проявляется открыто. Фрустрация влечет за собой эмоциональные нарушения лишь тогда, когда возникает препятствие для сильной мотивации.
Эмоции обладают заразительностью. Бывает, что ситуация как таковая, не вызвала бы у нас никаких эмоций, если бы только один или несколько из окружающих нас людей не испытывали эмоций. Страх заразителен, как и радость, смех. Различают два типа случаев заражения эмоциями: во-первых, случаи, когда одна и та же ситуация вызывает у нескольких индивидов одинаковую реакцию страха, гнева или радости. В группе всегда происходит усиление аффективных состояний и эмоциональных реакций; во-вторых, случаи, когда эмоция овладевает человеком, хотя сама ситуация его не затрагивает. Бурная ссора двух людей может привлечь наше внимание или оставить нас равнодушными, но может и привести к тому, что мы сами будем охвачены гневом. В этом случае мы отождествляем себя с одним из ссорящихся. Таким же заразительным может быть смех. Мы можем засмеяться, потому что смеются вокруг нас.
Если часто повторяется ситуация, к которой невозможна адаптация, то развиваются состояния тревожности или даже невротические состояния. В жизни часто бывают более или менее постоянные причины избыточной мотивации, чаще всего они социального происхождения: женщина боится оказаться покинутой, работник опасается увольнения, солдат боится быть убитым и т.п. Эти внутренние страхи, которые не находят внешнего проявления, поддерживают более или менее выраженное состояние тревожности. Такое состояние может возникнуть также из-за неразрешимого внутреннего конфликта.
Эмоции вызывают в организме множество характерных реакций. К ним относятся:
а) вегетативные реакции – изменение частоты сердечных сокращении, кровяного давления, сужения и расширения сосудов, изменение скорости амплитуды и ритма дыхания, температуры кожи, потоотделения, диаметра зрач ка, секреции слюны. Наблюдаются расстройства пищеварительной системы, сокращение и расслабление сфинктера, изменяется электрическая активность мозга, химический и гормональный состав крови, мочи, слюны и т.д. Лишь немногие изменения вегетативных функций могут рассматриваться как характерные проявления эмоций.
б) мышечные реакции – увеличение мышечного напряжения. Когда мы говорим, что человек, только что переживший состояние эмоционального шока, «окаменел», мы хотим тем самым подчеркнуть, что его мышцы находятся в состоянии гипертонуса. Его внешним проявлением является преобразование неиспользованной по назначению энергии в спазматические движения — смех, слезы, беспорядочные действия.
При чрезмерной активности наблюдается тем большее увеличение мышечного напряжения, чем сильнее стремление субъекта подавить вызываемые стимуляцией движения; это напряжение еще более усиливается под влиянием социальных и моральных запретов. Напряжен юноша, не решающийся обнять нравящуюся ему девушку; напряжен ребенок, не желающий подчиниться какому-то требованию; напряжен человек, испытывающий страх и не осмеливающийся убежать. Дети, воспитывавшиеся в большой строгости, сильнее скованы в движениях по сравнению с детьми, которым предоставлялась известная свобода. Лица, страдающие от различных конфликтов и даже с невротическими отклонениями, характеризуются, как правило, большей скованностью движений, чем другие. Многие психотерапевтические приемы связаны со снятием этой напряженности. Аутогенная тренировка Шульца заключается в том, чтобы научиться расслабляться, в результате чего уменьшаются раздражительность, тревожность и связанные с ними нарушения.
Среди внешних проявлений эмоций особую роль играет мимика и пантомима (движение мышц тела, жесты). У искренне радующегося человека округляются и блестят глаза, губы расплываются в улыбку, руки распахиваются для объятий. Общество поощряет выражение одних эмоций и порицает другие. Западная цивилизация мирится со слезами женщин, мальчикам же внушается, что мужчине не подобает плакать. Однако такой обычай существует не везде. Например, раньше юноши из племени маори плакали также часто, как и женщины. Некоторые проявления радости и гнева зависят от социальной среды, и воспитание направлено на то, чтобы подавить неодобряемые проявления эмоций. Общество создает настоящий язык мимики, который может быть универсальным или, напротив, весьма специфичным, и часто непонятным непосвященному. Чтобы лучше понять поведение какого-либо народа, нужно знать не только его разговорный язык, но также и его язык тела. Психика человека настолько сложна, что не всегда по выразительным движениям можно определенно судить о переживаниях. Уже у подростка наблюдается несоответствие между эмоциями и формами их выражения. Чем старше человек или чем богаче его переживания, тем более сложны и многообразны формы их выражения. Накапливая жизненный опыт, человек научается искусно управлять своими переживаниями и их проявлениями. Нередко наигранной веселостью маскируется смущение, растерянность, а за видимым спокойствием скрывается неудовольствие или какие-то сдерживаемые переживания.
Важнейшие функции эмоций:
- сигнальная, т.е. переживания возникают и изменяются в связи с происходящими изменениями вне человека или в его организме.
- регулирующая, т.е. переживания, эмоции направляют наше поведение, поддерживают его, заставляют преодолевать встречающиеся преграды или мешают деятельности, блокируют ее.
- интегративно-защитная роль эмоций, на которую указывал известный советский физиолог Л. К. Анохин. Он, в частности, писал: «Производя почти моментальную интеграцию (объединение в единое целое) всех функций организма, эмоции сами по себе и в первую очередь могут быть абсолютным сигналом полез ного или вредного воздействия на организм, часто даже раньше, чем определены локализации воздействий и конкретный механизм ответной реакции организма». Благодаря своевременно возникшей эмоции, организм имеет возможность эффективно приспособиться к окружающим условиям.
- мобилизационная, компенсаторная. Эмоции не всегда вызывают нарушения деятельности, напротив, они способны мобилизовать человека, компенсировать недостаточность информации, недостаточ ность возможностей человека по решению проблемы.
Можно привести немало примеров компенсаторного значения эмоций. Так, ярость помогает человеку бороться даже в тех условиях, где у него практически нет шансов на успех. Человек в состоянии чрезвычайного эмоционального возбуждения способен на гигантские мышечные усилия, на необычные для него формы деятельности.
Никакой творческий процесс вообще невозможен без эмоций, без увлеченности проблемой, деятельностью.
2. Воображение и творчество. Поиски алгоритма творчества
«Творчество, - подчеркивал Н.А. Бердяев, - всегда есть прирост, прибавление, создание нового, не бывшего в мире». Каждый человек является существом творческим. Во всяком процессе творчества есть свои стадии. Английский ученый Г.Уоллес выделил четыре стадии творчества: подготовку, созревание, озарение и проверку. Центральный момент творчества – озарение, интуитивное схватывание нового. Интуиция – это непосредственное неосознанно полученное знание. Оно может быть чувственным, рациональным или же эйдетическим. В первом случае интуиция выступает как мгновенное чувство, во втором случае мы имеем дело с интеллектуальной интуицией, в третьем случае речь идет об эйдетической интуиции как единстве чувственного и рационального (согласно философской традиции под эйдосом понимали то, что дано в мышлении и в то же время видимо). Поскольку пути возникновения интуиции не осознаются, постольку есть соблазн видеть тайну интуиции либо в глубинах бессознательного (З.Фрейд), либо в «сверхсознании», под которым К.С. Станиславский, например, понимал высший этап творческого процесса, отличный как от бессознательного, так и от осознанного.
Творчество как процесс создания чего-то нового часто предполагает, что человек может испытывать недостаток информации, знаний, умений для достижения цели, решения той или иной проблемы, осуществления каких-то действий. Именно поэтому ему необходимо сделать рывок в неизведанное, создать новые знания, умения, новые объекты и произведения. Эмоции, вдохновение, воображение помогают сделать этот «рывок в творчество». Огромную роль эмоций в творческом процессе подчеркивал В.И. Вернадский: «Говорят: одним разумом можно все постигнуть. Не верьте!.. Одна нить – разум, другая – чувство, и всегда они друг с другом соприкасаются в творчестве».
Развитие всех форм человеческой деятельности ставит задачу обучения творчеству. Науку о творческой деятельности и методах обучения ей называют эвристикой. («Эврика!» означает «нашел!», название «эвристика» придумал древнегреческий математик Папп). Сократические беседы, обмен мнениями, дискуссии, анализ проблемных ситуаций – все это способствует развитию духовных, творческих способностей личности.
Интуиция и творчество не поддаются логическому анализу и описанию. Однако мечта всех ученых – найти некий алгоритм творчества, прежде всего творческого решения проблем. Созданы методы, которые называют эвристическими. Эти методы требуют мобилизации таланта, памяти, внимания, воображения субъекта. Философия имеет эвристический характер, поэтому ее изучение является одним из действенных средств постижения тайн интуиции и творчества. Эвристическим содержанием обладают все принципы науки. Так, например, в физике действует принцип соответствия: должно быть соответствие между старой и новой теорией, в некотором пределе математический аппарат новой теории должен совпадать с математическим аппаратом старой теории. Когда Лобачевский создавал свой знаменитый вариант неевклидовой геометрии, то в качестве эвристического принципа он использовал постулат об обусловленности свойств пространства в микромире взаимодействием молекул, вследствие чего для описания этого пространства необходима особая неевклидова геометрия. Таким образом, любые философские и научные положения, идеи, принципы имеют эвристический характер: они могут привести, а могут и не привести к успеху. Использование любых эвристик всегда связано с риском неудачи и, следовательно, требует осторожности.
Поиски алгоритма творчества привели к исследованию научного и технического творчества, которое рассматривается как нахождение принципиально нового решения научной или технической проблемы. Выявлена структура мыслительного процесса решения проблемы: 1) мотивация (желание решить проблему); 2) анализ проблемы; 3) поиск решения: а) использование имеющегося алгоритма; б) перебор вариантов с целью выбора наиболее оптимального; в) решение на основе комбинации отдельных звеньев из различных алгоритмов; г) поиск принципиально нового решения (творческое мышление), связанный с углублением логических рассуждений, использованием аналогии, эвристических приемов.
Неудача на этом этапе вызывает целую гамму эмоциональных состояний от отчаяния до страсти и одержимости. В этом случае переключение на другую деятельность – лучший способ дать идее «созреть», потому что внутренняя творческая работа не прекращается ни на миг.
Следующий этап творческого процесса – озарение, сопровождается вдохновением – небывалым подъемом внутренних духовных сил человека, и проявляется как инсайт – мгновенное осознание решения проблемы, интуитивное мышление. К факторам, способствующим «озарению» относятся: а) высокая увлеченность проблемой (страсть); б) вера в успех; в) высокая информированность в проблеме, накопленный опыт; г) высокая ассоциативная деятельность мозга (во сне, при высокой температуре, лихорадке и т.п.).
4) Логическое обоснование найденной идеи решения, доказательство правильности решения. 5) Реализация решения. 6) Проверка найденного решения и его коррекция (в случае необходимости возврат к этапу 2).
Таким образом, выявленный механизм творческого процесса представляет собой движение: сознание бессознательное сознание.
Созданы и продолжают создаваться различные приемы и методики усиления (развития) творческих способностей. Самыми «экзотические» из них являются приемы, разработанные и используемые Борисом Райковым. Это – внушение в состоянии гипноза воплощения в другую личность (выдающегося художника, музыканта и т.п.).
Среди других специальных методик наиболее известными, распространенными являются:
- «мозговой штурм» или брейнсторминг (А. Осборн, США) при работе в группе. Основные правила:
7-10 человек (из них только несколько специалистов);
запрет критики;
состояние релаксации, т.е. психической и мышечной расслабленности, комфорта;
все идеи фиксируются без авторства;
все собранные идеи передают группе экспертов для отбора наиболее ценных, как правило, таких бывает около 10 %.
- Синектический штурм (У. Гордон) включает 4 основанных на аналогии приема: прямой (подумайте, как решаются задачи, похожие на данную); личной, или эмпатии (попробуйте войти в образ данного в задаче объекта и рассуждать с этой точки зрения); символической (дайте в двух словах об разное определение сути задачи); фантастической (представьте, как бы эту задачу решали сказочные волшебники).
- Метод фокальных объектов (фокальный – находящийся в фокусе внимания): признаки случайно выбранных объектов переносят на рассматриваемый объект, в результате чего получаются необычные сочетания, позволяющие преодолевать инерцию и косность привычки.
- Метод морфологического анализа заключается в том, что вначале выделяют главные характеристики объекта (оси), а затем по каждой из них записывают всевозможные варианты-элементы. Имея запись по всем осям, и ком бинируя сочетания разных элементов, можно получить большое число всевозможных вариантов. В поле зрения при этом могут попасть и неожиданные сочетания, которые едва ли пришли бы в голову.
- Метод контрольных вопросов: составляется целый список наводящих вопросов (чем больше, тем лучше), типа: А если сделать наоборот? А если изменить форму объекта? А если взять другой материал? А если уменьшить или увеличить объект? и т.п.
Все эти методы влияют на целенаправленную стимуляцию ассоциативных образов, т.е. на воображение.
Воображение – процесс, создания новых образов (представлений) путем переработки материала восприятий и представлений, полученных в предшествующем опыте.
Воображение бывает пассивным (сон, грезы) и активным. Активное воображение делится на репродуктивное (воссоздающее) и продуктивное (творческое). Мечта – это тоже воображение, связанное с осознанием желаемого будущего.
Этапы творческого воображения: возникновение творческой идеи – замысел, «вынашивание» замысла; реализация замысла (воплощение смысла).
Основные приемы воображения:
- «агглютинация» - «склеивание» различных, порой несоединимых в действительности частей, качеств;
- гиперболизация – увеличение и уменьшение предмета, изменение отдельных частей;
- схематизация (например, различия сглаживаются, сходство выступает явно);
- типизация – выделение существенного, повторяющегося в однородных образах;
- заострение – подчеркивание каких-либо отдельных признаков.
Язык воображения (и, прежде всего, искусства) – это метафора. Метафора представляет собой выражение одного явления через другое, позволяющее в ряде сопоставлений удержать многозначный смысл. Метафоричность предполагает особый взгляд на окружающий мир, способность делать такие сравнения и сопоставления, которые показывают привычные вещи в необычном ракурсе. Метафоры позволяют увидеть мир сквозь призму воображения, т. е. создать новую реальность.
В середине ХХ века были сделаны попытки доказать на практике возможность управления творческим процессом. Осборн, Цвикки, Гордон утверждают: творческие способности развиваются посредством обучения. Фергюссон считает: творческие способности высвобождаются, поэтому лучшими формами являются игровые и проблемные методы обучения. Однако все известные на Западе методы активизации мышления сохранили старую технологию решения творческих задач – перебор всех возможных вариантов, т.е. «метод проб и ошибок».
Наш соотечественник Г.С. Альтшуллер разработал наиболее эффективные методы качественно новой технологии решения изобретательских задач – ТРИЗ. В основе ТРИЗ лежит представление о закономерном развитии технических систем. В течение более 10 лет автор исследовал патентный фонд, содержащий описания миллионов изобретений. Анализ позволил выявить ряд важнейших закономерностей развития технических систем, которые легли в основу решения изобретательской задачи.
Особое внимание в этом методе сосредоточено на цент ральных этапах творческого процесса – анализе задачи и формировании новой идеи, поначалу кажущейся невероятной.
Г. С. Альтшуллер пишет, что «суть ТРИЗ в том, что она принципиально меняет технологию производства новых технических идей. Вместо перебора вариантов ТРИЗ пред лагает мыслительные действия, опирающиеся на знание законов развития технических систем. Мир творчества ста новится неограниченно управляемым и потому может быть неограниченно расширен». Основа ТРИЗ – законы диалектики и законы общей теории систем, а также постулат об объективном, закономерном развитии техники, принципом развития которой является техническое противоречие. Выявлены типовые формы противоречий, для их разрешения в ТРИЗ построены логические инструменты – «вещественно-полевой анализ» и «алгоритм решения изобретательских задач». Используя эти (или дополнительно введенные) ресурсы, разрешают техническое противоречие и устраняют конфликт, из-за которого возникла задача. Да лее программа предусматривает развитие найденной идеи, извлечение из этой идеи максимальной пользы. В программе, в самой ее структуре и правилах выпол нения отдельных операций отражены объективные зако номерности развития технических систем. Поскольку программу реализует человек, АРИЗ предус матривает операции по управлению психологическими фак торами. Эти операции позволяют гасить психологическую инерцию и стимулировать работу воображения. Значитель ное психологическое воздействие оказывает само существование и применение АРИЗ: программа придает уверенность, позволяет смелее выходить за пределы узкой специальности и, главное, все время ориентирует работу мысли в наиболее перспективном направлении. АРИЗ имеет и конкретные психологические операторы, форсирующие воображение.
Таким образом, каждый человек обладает творческими способностями, но развить их можно только в процессе деятельности. Закономерностей художественного творчества не существует, хотя есть некоторые общие стадии в этом процессе. Научить художественному творчеству нельзя, можно научить ремеслу, т.е. репродуктивной деятельности. Продуктивное воображение можно развить, но определяющую роль, конечно же, играет талант, индивидуальность человека. Что же касается научно-технического творчества, то знание закономерностей развития технических систем помогает выработать некий алгоритм решения изобретательской задачи.
3. Жизнь как ценность. Биоэтика
Биоэтика представляет собой новый раздел современной профессиональной этики и означает применение понятий и норм общечеловеческой морали к сфере экспериментальной и теоретической деятельности в биологии и медицине. Ее появление обусловлено возникновением таких проблем, которые раньше были просто немыслимы: целесообразно ли поддерживать жизнь смертельно больного человека или необходимо право на эвтаназию? Можно ли проводить эксперименты над животными и людьми? Допустимо ли и оправданно клонирование животных и людей? Если биоэтику трактовать не узко (медицински и биологически), а как широкую и философски глубокую дисциплину, то ее центральное ядро – отношение к жизни и смерти. Жизнь понимается как самоценность, как высшая ценность. Поэтому возникают проблемы, которые выходят за рамки отношений врача и пациента, а именно отношение к жизни, животным, к биосфере и т. д.
Биоэтика возникла и стала интенсивно развиваться в начале 70-х годов XX века в США и Западной Европе. Большую роль в становлении биоэтики сыграла медицина, а также развитие генетики, осознание не только биологами, но и обществом возможных негативных последствий генной инженерии. Парадоксально, но факт: именно новый уровень практических возможностей медицины и экспериментальной науки поставил перед учеными новые этические проблемы. Биоэтика возникла как ответ на технологические вызовы в медицине. Новые технологии трансплантации органов, зарождения и поддержания жизни вступили в противоречие с традиционными культурными ценностями. Например, для христианства сердце – это не только важнейший биологический, но и духовный орган человека.
Можно сказать, что биоэтика – это форма защиты прав человека, в том числе его права на жизнь, на здоровье, на ответственное и свободное самоопределение своей жизни.
Если мы будем рассматривать биоэтику не просто как анализ норм взаимоотношений врача и пациента, а в более широком контексте, который определяет отношение к жизни и смерти, к детству и старости, то в этом случае биоэтика окажется системой ценностей. Она не только включает в себя этические нормы отношения к животным, но и экологическую этику, этику отношений человека с биогеоценозами и со всей биосферой. Не только человек, но и вся природа окажутся субъектами этических размышлений и моральной регуляции.
Мы находимся в самом начале пути по развитию биоэтики, хотя в США уже издана пятитомная энциклопедия по данным проблемам.
Выдвигаются и отстаиваются следующие постулаты:
Очень важны вопросы неразрывной связи биоэтики с медицинской этикой и правом. Общественный смысл биоэтики заключается в том, что она является конкретным проявлением гуманизма в медицине. Этот критерий является основным в научных исследованиях по биологии и медицине. И какие бы цели ни ставились исследователями, гуманизм и безвредность для человека всегда должны стоять на первом месте – такой подход служит мерилом любой человеческой деятельности, в том числе и по ускорению научно-технического прогресса. В этой связи необходимо развивать экологическую этику и разрабатывать специальный экологический кодекс.
Что нового в биоэтике сравнительно с традиционной врачебной этикой? Современный врач сталкивается с конфликтом «духа и буквы» клятвы Гиппократа, которая была незыблемой этической основой врачевания в течение двадцати четырех веков.
Возьмем наиболее известную этическую заповедь Гиппократа – прежде всего не навредить пациенту («в какой бы дом я ни вошел, я войду туда для пользы больного, воздерживаясь от причинения всякого вреда и несправедливости»). Когда современные хирурги-трансплантологи пересаживают почку или долю легкого живого донора (даже имея на это добровольное согласие донора) обреченному больному, приведенное этическое предписание по отношению к донору с очевидностью нарушается. Современный прогресс клинической медицины потребовал уточнения самого принципа гуманизма. Соответствует ли гуманности искусственное оплодотворение или прекращение жизнеподдерживающего лечения умирающего пациента? Подлинным началом духовных исканий в биоэтике является тре вога и забота о будущем человеческого рода. Когда американский биолог В. Р. Поттер предложил термин «биоэтика», назвав ее «мостом в будущее», он был, несомненно, прав, так как биоэтика все более явно становится поиском реальных путей к созданию глобальной этики человечества будущего.
В современном обществе уже стали привычными такие понятия, как «право на аборт», «право на смерть» и т. д. Но, может быть, это есть квазиправо – оно не может быть записано во Всеобщей декларации прав человека. В самом деле, сторонники права на аборт делают акцент на следующих аргументах: криминальные аборты есть еще большее зло, общество должно уважать право женщины на свободное и ответственное материнство; в особенности на ранних сроках беременности понятие «эмбрион» не тождественно понятию «человек» и так далее. В то же время они не придают должного значения другим аргументам: отмена запрета на аборт просто игнорирует моральный статус эмбриона, ценность жизни плода; аборт как моральный выбор самой женщины, врача-оператора, юристов, легализовавших такую социальную практику, не свободен от противоречий.
Сторонники разрешения проблем умирающего больного с помощью активной эвтаназии говорят, что в этом заключается его «право на смерть». Есть потребность в допустимости «убийства из милосердия» неизлечимо больного близкого человека. Следует признать, что такая ситуация является особенно психологически убедительной, ведь здесь требование милосердного отношения к страданию, «смертной муке» другого человека может обрести силу категорического императива. Но это еще не значит, что такой выбор можно безоговорочно оправдать этически. Врач, осуществивший «убийство из милосердия», совершает отчаянный и рискованный шаг «по ту сторону добра и зла». При этом он обрекает себя на вечную (до конца своей сознательной жизни) работу самооправдания: достаточно ли весомыми были в тот момент его аргументы, когда он в привычных определениях добра и зла единственно по своей воле поменял местами знаки «плюс» и «минус».
Проблемы биоэтики обладают одним ярко выраженным качеством: в поисках их решения люди, вместо того чтобы приходить к какому-то общему решению, скорее расходятся во мнениях. Это происходит потому, что стороны делают акцент на разных аспектах одной проблемы и приходят в результате к разным выводам. Например, в вопро се об абортах одна сторона делает акцент на правах матери, а другая - на правах внутриутробного ребенка. И каждая сторона по-своему права.
Биоэтика должна основываться на признании жизни высшей ценностью, и лишь в таком виде она может быть приемлема.
Основные понятия темы:
Эмоции – это своеобразные психологические состояния, выражающие особое отношение человека к действительности в форме непосредственных переживаний.
Стресс – состояние чрезмерно сильного и длительного психологического напря жения, возникающее у человека при сильной эмоциональной перегрузке нервной систем, и нарушающее нормальный ход поведения человека.
Фрустрация – чувство крушения, возникающее всякий раз, когда физическое, социальное и даже воображаемое препятствие мешает или препятствует достижению цели.
Творчество – деятельность по созданию чего-то нового.
Воображение – процесс создания новых образов путем переработки представлений, полученных из предшествующего опыта.
Эвристика – наука о творческой деятельности и методах обучения ей.
Интуиция – это непосредственное неосознанно полученное знание.
Биоэтика – это раздел современной профессиональной этики, применяющий понятия и нормы общечеловеческой морали к сфере экспериментальной и теоретической деятельности в биологии и медицине.
Тема 17. Человек и биосфера
1. Эволюция представлений о биосфере
Концепция Вернадского о биосфере
Термин «биосфера» (буквально: «сфера жизни») впервые в таком значении был введен в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эд. Зюссом. До этого многими исследователями понятие использовалось под другими названиями «производство жизни», «живая оболочка Земли» и т.п. В своей книге «Лик Земли» в 1909 г. Зюсс определил биосферу как «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и времени и обитающую на поверхности Земли». Но он еще не замечал обратного воздействия биосферы на географические, геологические и космические процессы. Однако уже Ламарк ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры: все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.
Идея о тесной взаимосвязи живой и неживой природы все настойчивее проникала в сознание ученых. На рубеже 19-20 вв. начинают господствовать идеи целостного подхода – холистического – к изучению природы. В современной науке они оформились в системной методологии. Результаты такого подхода сказались на исследовании воздействия биотических (или живых) факторов на абиотические (или физические) условия. Например: состав морской воды определяется активностью морских организмов; растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру; живые организмы контролируют состав нашей атмосферы и др. Все это свидетельствует о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере изменяет облик нашей Земли. Была поставлена задача – исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Эта задача была поставлена и решена выдающимся русским ученым Владимиром Ивановичем Вернадским (1863-1945), который в своей концепции биосферы центральным делает понятие «живое вещество» и определяет его как совокупность всех живых организмов. Кроме растений и животных, сюда входит и человечество, влияние которого на геологические процессы отличается от воздействия остальных живых существ. Во-первых, оно является более интенсивным. Во-вторых, воздействие человека носит активный, деятельный характер и представляет собой окультуривание растений и животных, что обусловливает неразрывную связь животного, растительного царств и культуры человечества в геохимической работе живого вещества как единого целого.
В «Мыслях и набросках» в 1920 г. он пишет: «Сознание человечества становится той «силой», тем фактором, который мы должны принимать во внимание, когда изучаем всякий природный процесс». Так, В.И. Вернадский приходит к понятию ноосферы, которое играет решающую роль в его концепции совместной эволюции (коэволюции) биосферы и человека.
Одновременно с Вернадским концепцию биосферы разрабатывали французские ученые. Сам термин «ноосфера» появился в 1927 г., его использовал Эжен Леруа в лекциях 1927-28 учебного года в Сорбонне. Пьер Тейяр де Шарден выступил соавтором его ноосферной концепции. При этом они опирались на идеи и понятия учения о биосфере и живом веществе, изложенные Вернадским в его лекциях в Сорбонне 1922-23 учебного года.
В своей знаменитой книге «Феномен человека» П. Тейяр де Шарден изложил свое понимание человека как вершины и сути эволюции космоса. Человек – это сложный, развернутый микрокосмос, содержащий в себе все потенции космоса. Жизнь и человек появляются на Земле в результате спонтанного зарождения и неразрывно связаны с космическими процессами усложнения материи.
Американский биолог К. Саган постулировал общий космологический закон – «музыка жизни»: появление жизни есть непреложный факт космической эволюции в течение определенного времени порядка нескольких миллионов лет. Земная жизнь – частный случай проявления этой «музыки».
Таким образом, условия развития жизни на Земле определили ее развитие в качестве целого, т.е. в виде биосферы – единого монолита живого вещества, организованность которого определяется преобладанием космической энергии и связанными с этим космопланетарными биогеохимическими функциями. Другими словами эволюция биосферы зависит от совокупности земных и космических явлений.
Человеческая мысль и человеческий труд обеспечивают уникальность феномена человека: в его жизнедеятельности законы природы и общества функционируют в единстве. Поэтому социально-историческое бытие человека встроено в космопланетарную организацию жизни в целом. Эволюция космоса предполагает переход биосферы в ноосферу. Однако Тейяр де Шарден и Вернадский по-разному это объясняют. Шарден – религиозный философ, для него «ноосфера» - планетарный слой сознания и духовности. У Вернадского ноосфера – это гармония отношений человека и природы, в которых человек самореализуется и выполняет свое космическое предназначение. Ученый пришел к выводу о том, что эволюция человека и общества сделала цивилизацию мощным фактором всей дальнейшей эволюции на Земле.
Вещество биосферы разнородно по своему физико-химическому составу и включает: 1) живое вещество (совокупность всех живых организмов); 2) биогенное вещество; 3) косное вещество (атмосфера, газы, горные породы и т.п.); 4) биокосное вещество (почвы, илы, поверхностные воды и др.); 5) радиоактивное вещество; 6) рассеянные атомы; 7) вещество космического происхождения.
Учение о биосфере связано с учением о почве, созданным Докучаевым, где почва рассматривается как самостоятельная часть природы, как единство приповерхностных природных процессов, связывающих в одно целое горные породы, рыхлые отложения, циркулирующие в них воды, произрастающие на них растения и слой гумуса.
По мнению Вернадского, количество живого вещества в земной коре – величина постоянная. Биосфера – не просто одна из оболочек Земли, а это организованная оболочка. Быть живым – значит быть организованным. Организованность бытия создается и сохраняется деятельностью живого вещества, которая имеет биогеохимическую форму. Другими словами, функционирование биосферы есть осуществление необратимых и незамкнутых круговоротов вещества и потоков энергии между ее основными компонентами.
Усиливающееся вторжение человека в биогеохимические циклы должно привести к разумному целенаправленному контролю, т.е. формированию созидательного коллективного разума – ноосферы, а это возможно только с преобразованием самого человека.
2. Ноосфера. Единство человека и природы. Русский космизм
Человечество своей производственной деятельностью оказывает исключительно сильное влияние на биосферу, что ведет к ее перестройке и появлению ноосферы. Это понятие было введено в науку в 1927 году Э. Леруа. Под «ноосферой» он понимал «мыслящую оболочку Земли, которая формировалась вне биосферы, как бы сверху растительного и животного мира».
В.И. Вернадский в соответствии со своим учением о биосфере дал новое толкование понятия «ноосфера». Ноосфера – это биосфера, преобразованная трудом человека и измененная научной мыслью, то есть под влиянием мысли биосфера закономерно переходит в ноосферу.
В настоящее время под ноосферой понимается особая область взаимодействия человека и природы, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится основным определяющим фактором развития.
Ноосфера как высокоорганизованное состояние биосферы может возникнуть и существовать только тогда, когда, во-первых, преобразующая деятельность человека будет основываться на строго научном и разумном понимании всех происходящих явлений и процессов и обязательно сочетаться с «интересами» природы и, во-вторых, решится задача овладения в ближайшем будущем методами управления развитием биосферы и создания необходимых для этого средств. Структура ноосферы включает: человечество, социальные системы, науку, технику и технологии в единстве с биосферой. Реально ноосфера предстает как техносфера, искусственное образование с ее собственными законами функционирования. Поэтому, если В.И. Вернадский связывал концепцию ноосферы с идеями рационального развития биосферы, направляемого общим разумом людей, то в настоящее время образуется среда, которая начинает отрицать условия бытия человека как естественного существа. Ноосфера в своей ипостаси техносферы, порождает экологический кризис, ставя человека на грань выживания.
Человек, производство и природа – главные компоненты ноосферы. Это единая система, ибо человек для своего существования не может остановить ни промышленное, ни сельскохозяйственное производство, он не может отказаться от достижений научно-технического прогресса и вернуться в первобытное состояние. И вся планетная деятельность человека происходит в рамках природы, частью которой он является и без которой не может обойтись.
Природа оказывает существенное влияние на самые разные стороны жизни человека и, прежде всего, на развитие материального производства. Многообразие свойств природы явилось естественной основой разделения труда (охота, рыболовство, земледелие, скотоводство и другое). От особенностей природной среды зависят конкретные направления человеческой деятельности, в частности развитие тех или отраслей производства в различных странах и на континентах. Не только наличие тех или иных природных условий для производства, но и, наоборот, их недостаток также оказывал ускоряющее влияние на развитие общества.
Воздействие человека на природу проявляется в изменении структуры земной поверхности (распашка степей, вырубка лесов, мелиорация, создание искусственных озер и морей и т.д.); изменении энергетического, в частности теплового, баланса отдельных регионов земного шара и всей планеты, изменение состава биосферы, круговорота и баланса слагающих ее веществ (выброс различных веществ в атмосферу и водные объекты; изъятие полезных ископаемых, изменение влагооборота и т.д.); изменения, вносимые в биоту (совокупность живых организмов) в результате истребления некоторых их видов, создание новых пород животных и сортов растений, перемещение их на новые места обитания.
Таким образом, человек – социально активная часть природы, создающая в результате своей преобразовательной деятельности ноосферу как синтез живого и разумного, единство природного и социального.
Ноосфера – феномен не столько природы, сколько космоса. Включенная в систему бытия человека она предстает как часть космоса. С другой стороны, космос как реальность, а не просто объект созерцания, открывается человеку посредством науки и техники. Космизм в некотором роде – это идеология техногенной среды. В обосновании и разработке этой идеологии активно участвовали наши соотечественники Н. Федоров, К.Э. Циолковский, А.Л. Чижевский, В.И. Вернадский.
Космос для Н. Федорова – активное поприще человеческой деятельности. Он предлагал свой вариант перемещения людей в космическом пространстве. Для этого необходимо овладеть электромагнитной энергией Земного шара, что позволит регулировать его движение в мировом пространстве и превратить Землю в космический корабль («земноход») для полетов человека в Космосе. Объединив все миры, человек станет «планетоводом».
По мнению К.Э. Циолковского, нравственная задача Земли состоит в том, чтобы внести свой вклад в совершенствование космоса. Для этого земляне должны выйти в космос. Ученый предполагал, что жизнь и разум есть на других старших планетах. Со временем будет образован союз всех разумных высших существ космоса. Сначала в виде союза населяющих ближайшие солнца, затем – союза союзов и т.д. до бесконечности, поскольку бесконечна сама Вселенная.
А.Л. Чижевский исследовал влияние космоса, и, прежде всего, Солнца, на биологические и социальные процессы на Земле. Он является основоположником гелиобиологии. Кроме того, он объяснял поведением и активностью Солнца войны, бунты, революции.
В.И. Вернадский говорил о влиянии Космоса на развитие биосферы. Живые организмы трансформируют космическое излучение в земную энергию (тепловую, электрическую, химическую, механическую) в масштабах, определяющих существование биосферы.
Многие идеи русских космистов находят свое применение в области космических и биологических наук. Они подтверждают неразрывное единство человека и космоса, указывают на их тесное взаимовлияние.
3. Космические циклы и человек
Вернадский высказал предположение, что революционные изменения в морфологии живых существ связаны с такими критическими периодами геологической истории, движущие причины которых находятся за пределами Земли, т.е. являются определенными космическими воздействиями.
Человек как биосоциальное существо соединяет в себе многообразие ритмов, порожденное биологической и социокультурной эволюцией. Например, рассматривая вопрос об антропогенезе, Вернадский говорит о прямой связи его с ритмическими изменениями климата на планете, гравитационные космические воздействия связаны с изменением орбит Земли и Солнца под воздействием других планет и галактик, гравитация обусловливает колебания скорости движения Земли, ее углового момента, - все это вызывает изменения атмосферно-океанической циркуляции. Загадочна роль магнитного поля Земли в изменении климата, а через него во влиянии на биосферу. Орбитальные климатические ритмы (циклы): 400 тыс.; 1,2 млн.; 2,5 млн.; 3,7 млн. лет. Первый цикл (400 тыс. лет.) – основная причина периодического изменения климата и эволюции организмов мира. Этот ритм был выявлен геологами из последовательности ледниковых событий и только потом был обнаружен астрономами. Этот ритм делится на 6-8 фаз. Становление и развитие живого вещества подчиняется этому климатическому ритму. Ритм управляет Вселенной.
С понятием ритма связано представление о гармонии, организованности явлений и процессов. Из всех ритмических воздействий, поступающих из Космоса на Землю, наиболее сильным является воздействие ритмически изменяющегося излучения Солнца. На поверхности и в недрах нашего светила непрерывно идут процессы, проявляющиеся в виде вспышек. Мощные потоки энергии, выбрасываемые при вспышке, достигая Земли, резко меняют состояние магнитного поля и ионосферы, влияют на распространение радиоволн, сказываются на погоде. В результате возникающих на Солнце вспышек изменяется общая солнечная активность, имеющая периоды максимума и минимума. Солнце – мощный источник, который настраивает все земные процессы, в том числе и в обществе. Циклы Солнца – часы, регистрирующие смену его активности. Многочисленные исследования активности Солнца показали, что во время его наибольшей активности происходит резкое ухудшение состояния больных, страдающих гипертонической болезнью, атеросклерозом и инфарктом миокарда. В этот период возникают спазмы кровеносных сосудов, нарушения функционального состояния ЦНС.
Советский ученый В.П. Девятов подсчитал, что в первые же дни после появления пятен на Солнце количество автомобильных катастроф возросло примерно в 4 раза по сравнению с периодами, когда пятен было немного. Это объясняют тем, что в период усиления активности Солнца реакция человека на любой внешний раздражитель значительно замедляется. Излучение Солнца также оказывает влияние на умственную деятельность людей, на творческую активность человека и т.п.
Жизнь на нашей планете связана с вращением Земли вокруг своей оси, определяющим суточный ритм, и с вращением вокруг Солнца, от которого зависит смена времен года. Большинство живых организмов подчиняется действию этих сезонных ритмов, которые определяют рост, развитие и гибель растений. Вращение Земли обусловливает ритмичное изменение факторов внешней среды: температуры, освещенности, относительной влажности воздуха, атмосферного давления, электрического потенциала атмосферы, космической радиации и гравитации.
Проблема суточных периодических изменений физиологических функций в организме человека с давних пор привлекает внимание ученых различных специальностей, прежде всего, биологов, физиологов, врачей. Знания, полученные в результате этих исследований, позволяют применять в определенные моменты более целесообразный и эффективный метод лечения. Суточным ритмом охвачен весь организм человека. Ритмичность физиологических процессов, отражающая единство организма и среды, проявляется в том, что их максимумы и минимумы приурочены к определенным часам суток. Физиологическая подготовка к активной деятельности происходит даже тогда, когда организм находится в состоянии сна. И, наоборот, организм человека готовится ко сну задолго до засыпания.
Основные понятия темы:
Биосфера – единый монолит живого вещества, организованность которого определяется преобладанием космической энергии и связанными с этим космопланетарными биогеохимическими функциями.
Ноосфера – это биосфера, преобразованная трудом человека и измененная научной мыслью.
Ноосфера (Вернадский В.И.) – созидательный коллективный разум.
Живое вещество – совокупность всех живых организмов.
Гелиобиология – наука о влиянии активности Солнца на биологические и социальные процессы на Земле.
Тема 18. Принцип глобального эволюционизма и его роль в современной науке
1. Глобальный эволюционизм
Современная естественнонаучная картина мира и сложна и проста одновременно. Сложна потому, что не согласуется с классическими научными представлениями о природе. Идеи начала времени, корпускулярно-волнового дуализма, квантовых объектов, внутренней структуры вакуума, способной рождать виртуальные частицы, – эти и другие подобные новации вызывают определенные сомнения в научности естественнонаучной картины мира.
Но в то же время она проста и стройна. Она динамична и ориентирована на процесс. В ней утвердились убеждения в том, что материя, Вселенная в целом и во всех ее элементах не могут существовать вне развития. Практически все отрасли естествознания пронизаны принципом эволюционизма.
В XX веке идея эволюции прорвалась в физику и космологию. Уже сформулированы первые теории химической эволюции как саморазвития каталитических систем. Современный эволюционизм в научных дисциплинах биологического профиля предстает как многоплановое учение, ведущее поиски закономерностей и механизмов эволюции сразу на многих уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном и даже биогенетическом. Наиболее выдающиеся успехи достигнуты на молекулярно-генетическом уровне: расшифрован механизм передачи наследственной информации, выяснены роли ДНК и РНК. В геологии окончательно утвердилась концепция дрейфа континентов, а такие науки, как экология, биогеохимия, антропология были изначально эволюционны.
Только в конце XX века естествознание приступило к созданию теоретических и методологических средств для построения единой модели универсальной эволюции, выявления общих законов природы, связывающих в единое целое происхождение Вселенной, возникновение Солнечной системы и Земли, возникновение жизни и, наконец, возникновение человека и общества. Именно такой концепцией и является концепция глобального эволюционизма.
Исходя из того, что суть эволюции состоит в интеграции более простых элементов в целостные образования более высокого уровня, в более сложные системы, характеризуемые новыми качествами, можно выделить важные фазы эволюции окружающего нас мира:
Корни такого понимания эволюции тесно связаны с новыми методами исследования, разрабатываемыми в рамках синергетического подхода.
2. Самоорганизация как основа эволюции
Синергетический подход – это пример проявления интегративных тенденций в современной науке. Он продолжает идеи и методы концептуального осмысления понятий саморазвития и самоорганизации, развитых в кибернетике, теории систем, нелинейной математике, компьютерном моделировании, современной физики на фоне эволюционных идей в биологии и социальных науках.
Главным противоречием естественнонаучной картины мира, включающей принцип эволюции, было основное отличие живых структур от неживых. Оно выражается в естественном отборе, который реализуется посредством одного и того же генетического механизма. Очевидным было и то, что движущая сила процесса саморазвития материи в самом широком смысле заключается в специфических свойствах среды.
Для современной картины мира идея эволюционного подхода может показаться достаточно тривиальной. Однако проследить генетическую цепочку становления, функционирования и гибели отдельных форм и образований неживой природы на фоне «глобального эволюционизма» – не просто. Например, для химиков эволюция не исчерпывается возникновение и распадом межатомных, молекулярных структур. По своей сущности они являются определенным этапом развития материи в целом. Это развитие охватывает и вещество, и энергию в их неразрывном взаимодействии, оно протекает как эволюция систем, охватывающих гигантские объекты: звезды, туманности, планеты. Отдельные молекулярные образования являются лишь моментами этого процесса, который может быть полностью понят лишь в своей целостности, в своем единстве.
Химический процесс приводит к постепенному усложнению вещественной структуры космоса, к обогащению энергетических связей. В то же время он, как верно подметил Гегель, отягощен разрывами, подчас длительными (на миллионы лет) остановками развития. Лишь формирование и становление придает ему непрерывность и подчиняет более высокой форме движения материи: биологической, а затем – социальной.
В контексте синергетического подхода биологическая реальность рассматривается уже как суперструктура, надстроенная над «безжизненной» физической реальностью, она опосредована диссипативными структурами, существующими за счет обмена энергией и веществом с окружающей средой. Перед биологами возникает проблема «вписанности» живого в фундаментальные законы неорганического мира. Значительный вклад в разработку проблемы включенности жизни в магистральную линию развития материи внесли исследователи автоволновых процессов в биологии, химии и физике. Автоволны выглядят как раскручивающаяся спираль (точнее, такие спирали являются центрами автоволн). Каждая из них посылает волны, которые, встречаясь друг с другом, претерпевают разрывы. Места этих разрывов сами становятся центрами новых спиралей, тем самым обеспечивается автоволновой режим. Наличие в среде многих центров самоподдерживающихся волн позволяет трактовать автоволновые процессы как синергетические (кооперативные) структуры. Автоволны – это широкий класс процессов, который существенен для изучения механизма самоорганизации, присущей самым различным объектам.
Таким образом, во многих системах различного характера (физических, химических, геологических, биологических, географических и т.д.), активно происходят процессы самоорганизации и возникновения более сложных структур. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации – от низших и простейших к высшим и сложнейшим.
Андрейченко Галина Владимировна,
Павлова Ирина Николаевна
Концепции современного естествознания
справочник для студентов
В авторской редакции