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
А. А. Горелов
Концепции
современного
естествознания
Учебное пособие
Согласно Федерального компонента Государственного комитета Российской Федерации по высшему образованию
«Наука не открывается каждому без усилий.
Подавляющее число людей не имеет о науке никакого понятия.
Это — прорыв в сознании нашего времени.
Наука доступна лишь немногим.
Будучи основной характерной чертой нашего времени,
она в своей подлинной сущности тем не менее духовно бессильна,
так как люди в своей массе, усваивая технические возможности
или догматически воспринимая ходульные истины,
остаются вне ее»
Ясперс К. Смысл и назначение истории.
Москва
1997
Издательство
Центр
ББК 71.0 я 73
К 90
А. А. Горелов
Концепции современного естествознания.
Москва: Центр, 1997, 208 с.
Цель данного учебного пособия — помочь студенту овладеть новым предметом, введенным в систему преподавания в высшей школе. Рассматривается специфика естественнонаучного познания, его роль в развитии культуры; формулируются основные идеи, характеризующие современную науку, и главные теории XX века.
Для студентов высших учебных заведений гуманитарного профиля и всех интересующихся концепциями современного естествознания.
На обложке:
Картина художника Яна Вермейера
«Астроном»,
1668г.
© А. А. Горелов, 1997.
ISBN-5-88860-018-0
Содержание
Предисловие
тема 1. Что такое наука и естествознание?
1. Характерные черты науки
2. Отличие науки от других отраслей культуры
3. Наука и религия
4. Наука и философия
5. Становление науки
6. Что такое естествознание?
7. Эволюция и место науки в системе культуры
8. Естественнонаучная и гуманитарная культура
9. Противоречия современной науки
10. Значение науки в эпоху НТР
тема 2. Структура естественнонаучного познания
1. Уровни естественнонаучного познания
2. Соотношение эмпирического и теоретического уровней
исследования
тема 3. Методы и динамика естественнонаучного познания
1. Методы научного познания
2. Применение математических методов в естествознании
3. Внутренняя логика и динамика развития естествознания
4. Естественнонаучная картина мира
тема 4. Расширяющаяся Вселенная
1. Происхождение Вселенной
2. Модель расширяющейся Вселенной
3. Эволюция и строение галактик
4. Астрономия и космонавтика
тема 5. Строение и эволюция звезд и планет
1. Строение и эволюция звезд
2. Солнечная система и ее происхождение
3. Строение и эволюция Земли
тема 6. Релятивистская физика: теория относительности
1. Физика и редукционизм
2. Физика и наглядность
3. Теория относительности
тема 7. Вероятностный подход: квантовая механика
1. Квантовая механика
2. Вглубь материи
3. Физические взаимодействия
тема 8. Науки о сложных системах: кибернетика
1. Понятие сложной системы
2. Понятие обратной связи
3. Понятие целесообразности
4 Кибернетика
5. ЭВМ и персональные компьютеры
6 Модели мира
тема 9. Науки о сложных системах: синергетика
1. Сложные системы в химии
2. Неравновесные системы
3. Эволюция и ее особенности
4. От термодинамики закрытых систем к синергетике
5. Гипотеза рождения материи
тема 10. Происхождение и эволюция жизни
1. Отличие живого от неживого
2. Концепция возникновения жизни
3. Вещественная основа жизни
4. Земля в период возникновения жизни
5. Начало жизни на Земле
6. Эволюция форм жизни
тема 11. Генетика и самовоспроизводство жизни
1. Значение клетки
2. Воспроизводство жизни
3. Генетика
тема 12. Экология и учение о биосфере
1. Отличия растений от животных
2. Учение Вернадского о биосфере
3. Эмпирические обобщения Вернадского
4. Экология
5. Закономерности развития экосистем
6. Синтетическая теория эволюции
7. Концепция коэволюции
8. Гипотеза Гея-Земли
тема 13. Происхождение и эволюция человека
1. Человек как предмет естественнонаучного познания
2. Проблема появления человека на Земле
3. Сходство и отличия человека от животных
4. Антропология
5. Эволюция культуры
тема 14. Поведение и высшая нервная деятельность
1, Раздражимость и нервная система
2. Типы поведения
3. Рефлексы и бихевиоризм
тема 15. Этология и социобиология
1. Инстинкт, и научение
2. Формы сообществ
3. Поведение и гены
тема 16. Вклад естествознания в изучение человека
1. Вклад социобиологии в изучение человека
2. Этология и человек
3. Этнология
4. Социальная экология
5. Ноосфера
тема 17. Мозг, сознание, бессознательное
1. Изучение мозга человека
2. Психоанализ Фрейда
3. Аналитическая психология Юнга
4. Сознание и бессознательное
5. Парапсихология
6. Особенности психологии мужчин и женщин
тема 18. Расширяющееся сознание и углубляющаяся нравственность
1. Классическая и холотропная модели сознания
2. Естественнонаучное обоснование нравственности
тема 19. Современная естественнонаучная картина мира и будущее науки
1. Общие закономерности современного естествознания
2. Современная естественнонаучная картина мира
3. Трудности и парадоксы в развитии науки
4. Наука как эволюционный процесс
Приложения
Таблица открытий
Высказывания выдающихся ученых
Вопросы к семинарам
Темы для докладов на семинарах и контрольных работ
Вопросы к зачету и экзамену
Список литературы по всему курсу
Словарь терминов
Персоналии
Предисловие
«Концепции современного естествознания» — новый предмет в системе высшего образования. Насколько нужно знать современную науку человеку, который, скорее всего, никогда сам не будет работать в ней?» В наши дни ни один человек не может считаться образованным, если он не проявляет интереса к естественным наукам. Обычное возражение, согласно которому интерес к изучению электричества или стратиграфии мало что дает для познания человеческих дел, только выдает полное непонимание человеческих дел. Дело в том, что наука — это не только собрание фактов об электричестве и т. п.; это одно из наиболее важных духовных движений наших дней. Тот, кто не пытается понять это движение, выталкивает себя из этого наиболее знаменательного явления в истории человеческой деятельности... И не может быть истории идей, которая исключала бы историю научных идей» (К. Поппер. Открытое общество и его враги. - Т. 2.- М., 1992.- С. 327-328).
Наука — это не только совокупность знаний. «... Науке можно учить как увлекательнейшей части человеческой истории—как быстро развивающемуся росту смелых гипотез, контролируемых экспериментом и критикой. Преподаваемая таким образом, т. е. как часть истории «естественной философии» и истории проблем и идей, она могла бы стать основой нового свободного университетского образования, целью которого (там, где оно не может готовить специалистов) было бы готовить, по крайней мере, людей, которые могли бы отличить шарлатана от специалиста» (Там же. - С. 328).
Итак, для чего же нужно изучать современное естествознание? Во-первых, для того, чтобы стать культурным человеком, надо знать, что такое теория относительности, генетика, синергетика, социобиология, экология, этология и другие науки. Во-вторых, это важно и потому, что многое в нашей жизни строится в соответствии с научной методологией. Хотя человечеству далеко до научной организации труда, тем не менее, научные принципы функционируют во многих видах деятельности, и, чтобы их успешно применять, надо их знать. В-третьих, потому, что знания, необходимые любому специалисту, так или иначе связаны и в какой-то степени основаны на научных данных. Этих причин достаточно для обоснования важности нового курса.
Теперь разберемся в словах, которые составляют название предмета. Результатами научных исследований являются теории, законы, модели, гипотезы, эмпирические обобщения. Все эти понятия, каждое из которых имеет свое определенное значение, можно объединить одним словом «концепции». Естествознанием называется раздел науки, который изучает мир, как он есть, в его естественном состоянии, независимо от человека. К современному естествознанию относятся концепции, возникшие в XX веке. Наука бурно прогрессирует, и научные открытия совершаются на наших глазах. Пока пишутся и читаются эти строки, кто-то, как некогда Архимед, восклицает: «Эврика!». В апреле 1994 года появилось сообщение американских ученых о том, что открыт последний, самый тяжелый из кварков — частиц, из которых состоят все тела Вселенной. А еще совсем недавно это была одна из научных гипотез.
Не только последние научные данные можно считать современными, а все те, которые входят в толщу современной науки, образуя ее краеугольные камни, поскольку наука не состоит из отдельных, мало связанных между собой теорий, а представляет собой во многом единое целое, состоящее из разновременных по своему происхождению частей.
Для того, чтобы значение и строение современных концепций естествознания было принято, необходимо прежде выяснить, что такое наука в целом, какова ее история, структура, динамика. Об этом пойдет речь в первых разделах пособия. Затем перейдем к отдельным естественным наукам — физике, астрономии, биологии и т. д. Данная книга соответствует программе курса «Концепции современного естествознания», но для более глубокого ознакомления с предметом необходимо изучить литературу, приведенную в конце пособия.
Тема 1
Что такое наука и естествознание?
Характерные черты науки. Отличие науки от других отраслей культуры. Наука и религия. Наука и философия. Становление науки. Что такое естествознание? Эволюция и место науки в системе культуры. Естественнонаучная и гуманитарная культура. Противоречия современной науки. Значение науки в эпоху НТР.
Характерные черты науки
О таком многофункциональном явлении как наука можно сказать, что это: 1) отрасль культуры; 2) способ познания мира; 3) специальный институт (в понятие института здесь входит не только высшее учебное заведение, но и наличие научных обществ, академий, лабораторий, журналов и т. п.).
По каждой из данных номинаций наука соотносится с другими формами, способами, отраслями, институтами. Для того, чтобы эти взаимоотношения прояснить, нужно выявить специфические черты науки, прежде всего те, которые отличают ее от остального. Каковы они?
1. Наука УНИВЕРСАЛЬНА — в том смысле, что она сообщает знания, истинные для всего универсума при тех условиях, при которых они добыты человеком.
2. Наука ФРАГМЕНТАРНА — в том смысле, что изучает не бытие в целом, а различные фрагменты реальности или ее параметры, а сама делится на отдельные дисциплины. Вообще понятие бытия как философское не применимо к науке, представляющей собой частное познание. Каждая наука как таковая есть определенная проекция на мир, как бы прожектор, высвечивающий области, представляющие интерес для ученых в данный момент.
3. Наука ОБЩЕЗНАЧИМА — в том смысле, что получаемые ею знания пригодны для всех людей, и ее язык — однозначный, поскольку наука стремится как можно более четко фиксировать свои термины, что способствует объединению людей, живущих в самых разных уголках планеты.
4. Наука ОБЕЗЛИЧЕННА — в том смысле, что ни индивидуальные особенности ученого, ни его национальность или место проживания никак не представлены в конечных результатах научного познания.
5. Наука СИСТЕМАТИЧНА — в том смысле, что она имеет определенную структуру, а не является бессвязным набором частей.
6. Наука НЕЗАВЕРШЕННА — в том смысле, что хотя научное знание безгранично растет, оно все-таки не может достичь абсолютной истины, после которой уже нечего будет исследовать.
7. Наука ПРЕЕМСТВЕННА — в том смысле, что новые знания определенным образом и по определенным правилам соотносятся со старыми знаниями.
8. Наука КРИТИЧНА — в том смысле, что всегда готова поставить под сомнение и пересмотреть свои даже самые основополагающие результаты.
9. Наука ДОСТОВЕРНА — в том смысле, что ее выводы требуют, допускают и проходят проверку по определенным, сформулированным в ней правилам.
10. Наука ВНЕМОРАЛЬНА — в том смысле, что научные истины нейтральны в морально-этическом плане, а нравственные оценки могут относиться либо к деятельности по получению знания (этика ученого требует от него интеллектуальной честности и мужества в процессе поиска истины), либо к деятельности по его применению.
11. Наука РАЦИОНАЛЬНА — в том смысле, что получает знания на основе рациональных процедур и законов логики и доходит до формулирования теорий и их положений, выходящих за рамки эмпирического уровня.
12. Наука ЧУВСТВЕННА — в том смысле, что ее результаты требуют эмпирической проверки с использованием восприятия, и только после этого признаются достоверными.
Эти свойства науки образуют шести диалектических пар, соотносящихся друг с другом: универсальность — фрагментарность, общезначимость — обезличенность, систематичность — незавершенность, преемственность — критичность, достоверность — вне-моральность, рациональность — чувственность.
Кроме того, для науки характерны свои особые методы и структура исследований, язык, аппаратура. Всем этим и определяется специфика научного исследования и значение науки.
Отличие науки от других отраслей культуры
Наука отличается от МИФОЛОГИИ тем, что стремится не к объяснению мира в целом, а к формулированию законов развития природы, допускающих эмпирическую проверку.
Наука отличается от МИСТИКИ тем, что стремится не к слиянию с объектом исследования, а к его теоретическому пониманию и воспроизведению.
Наука отличается от РЕЛИГИИ тем, что разум и опора на чувственную реальность имеют в ней большее значение, чем вера.
Наука отличается от ФИЛОСОФИИ тем, что ее выводы допускают эмпирическую проверку и отвечают не на вопрос «почему?», а на вопрос «как?», «каким образом?».
Наука отличается от ИСКУССТВА своей рациональностью, не останавливающейся на уровне образов, а доведенной до уровня теорий.
Наука отличается от ИДЕОЛОГИИ тем, что ее истины общезначимы и не зависят от интересов определенных слоев общества.
Наука отличается от ТЕХНИКИ тем, что нацелена не на использование полученных знаний о мире для его преобразования, а на познание мира.
Наука отличается от обыденного сознания тем, что представляет собой теоретическое освоение действительности.
Наука и религия
Остановимся более подробно на соотношении науки и религии, тем более, что существуют различные точки зрения по данной проблеме. В атеистической литературе пропагандировалось мнение, что научное знание и религиозная вера несовместимы, и каждое новое знание уменьшает область веры, вплоть до утверждений, что поскольку космонавты не увидели бога, то стало быть его нет.
Водораздел между наукой и религией проходит в соответствии с соотношением в этих отраслях культуры разума и веры. В науке преобладает разум, но и в ней имеет место вера, без которой познание невозможно — вера в чувственную реальность, которая дается человеку в ощущениях, вера в познавательные возможности разума и в способность научного знания отражать действительность. Без такой веры ученому трудно было бы приступить к научному исследованию. Наука не исключительно рациональна, в ней имеет место и интуиция, особенно на стадии формулирования гипотез. С другой стороны, и разум, особенно в теологических исследованиях, привлекался для обоснования веры, и далеко не все церковные деятели соглашались с афоризмом Тертуллиана: «Верую, потому что абсурдно».
Итак, области разума и веры не разделены абсолютной преградой. Наука может сосуществовать с религией, поскольку внимание этих отраслей культуры устремлено на разные вещи: в науке — на эмпирическую реальность, в религии — преимущественно на внечувственное. Научная картина мира, ограничиваясь сферой опыта, не имеет прямого отношения к религиозным откровениям, и ученый может быть как атеистом, так и верующим. Другое дело, что в истории культуры известны случаи резких конфронтации между наукой и религией, особенно в те времена, когда наука обретала свою независимость, скажем, во времена создания гелиоцентрической модели строения мира Коперником. Но так не обязательно должно быть всегда.
Существует еще и область суеверий, которая не имеет отношения ни к религиозной вере, ни к науке, а связана с остатками мистических и мифологических представлений, а также с различными сектантскими ответвлениями от официальной религии и бытовыми предрассудками. Суеверия, как правило, далеки и от подлинной веры и от рационального знания.
Наука и философия
Важно правильно понимать и взаимоотношения науки с философией, поскольку неоднократно, в том числе и в недавней истории, различные философские системы претендовали на научность и даже на ранг «высшей науки», а ученые не всегда проводили границу между своими собственно научными и философскими высказываниями.
Специфика науки не только в том, что она не берется за изучение мира в целом, подобно философии, а представляет собой частное познание, но также и в том, что результаты науки требуют эмпирической проверки. В отличие от философских утверждений они не только подтверждаемы с помощью специальных практических процедур или подвержены строгой логической выводимости, как в математике, но и допускают принципиальную возможность их эмпирического опровержения. Все это позволяет провести демаркационную линию между философией и наукой.
Ученых порой представляли в качестве так называемых «стихийных материалистов» в том плане, что им присуща изначальная вера в материальность мира. Вообще говоря, это не обязательно. Можно верить, что Некто или Нечто передает людям чувственную информацию, а ученые считывают, группируют, классифицируют и перерабатывают ее. Эту информацию наука рационализирует и выдает в виде законов и формул вне отношения к тому, что лежит в ее основе. Поэтому ученый может вполне быть как стихийным материалистом или идеалистом, так и сознательным последователем какой-либо философской концепции. Такие ученые, как Декарт и Лейбниц, были также и выдающимися философами своего времени.
Становление науки
Наука в ее современном понимании является принципиально новым фактором в истории человечества, возникшим в недрах новоевропейской цивилизации в XVI — XVII веках. Она появилась не на пустом месте. Немецкий философ К. Ясперс говорит о двух этапах становления науки.
I этап: «становление логически и методически осознанной науки — греческая наука и параллельно зачатки научного познания мира в Китае и Индии». II этап: «возникновение современной науки, вырастающей с конца средневековья, решительно утверждающейся с XVII в. и развертывающейся во всей своей широте с XIX в.» (К. Ясперс. Смысл и назначение истории.- М., 1994. - С. 100).
Именно в XVII в. произошло то, что дало основание говорить о научной революции — радикальной смене основных компонентов содержательной структуры науки, выдвижении новых принципов познания, категорий и методов.
Социальным стимулом развития науки стало растущее капиталистическое производство, которое требовало новых природных ресурсов и машин. Для осуществления этих потребностей и понадобилась наука в качестве производительной силы общества. Тогда же были сформулированы и новые цели науки, которые существенно отличались от тех, на которые ориентировались ученые древности.
Греческая наука была умозрительным исследованием (само слово теория в переводе с греческого означает умозрение), мало связанным с практическими задачами. В этом Древняя Греция и не нуждалась, поскольку все тяжелые работы выполняли рабы. Ориентация на практическое использование научных результатов считалась не только излишней, но даже неприличной, и такая наука признавалась низменной.
Только в XVII в. наука стала рассматриваться в качестве способа увеличения благосостояния населения и обеспечения господства человека над природой. Декарт писал: «Возможно вместо спекулятивной философии, которая лишь задним числом понятийно расчленяет заранее данную истину, найти такую, которая непосредственно приступает к сущему и наступает на него, с тем, чтобы мы добыли познания о силе и действиях огня, воды, воздуха, звезд, небесного свода и всех прочих окружающих нас тел, причем это познание (элементов, стихий) будет таким же точным, как наше знание разнообразных видов деятельности наших ремесленников. Затем мы таким же путем сможем реализовать и применить эти познания для всех целей, для которых они пригодны, и таким образом эти познания (эти новые способы представления) сделают нас хозяевами и обладателями природы» (Декарт Р. Рассуждение о методе. Избр. произв.- М., 1950. - С. 305).
Современник Декарта Ф. Бэкон, также много сил потративший для обоснования необходимости развития науки как средства покорения природы, выдвинул знаменитый афоризм: «Знание — сила». Ф. Бэкон пропагандировал эксперимент как главный метод научного исследования, нацеленный на то, чтобы пытать мать-природу. Именно пытать. Определяя задачи экспериментального исследования, Ф. Бэкон использовал слово «inquisition», имеющее вполне определенный ряд значений — от «расследования», «следствия» до «пытки», «мучения». С помощью такой научной инквизиции раскрывались тайны природы (сравни русское слово «естествоиспытатель »).
Стиль мышления в науке с тех пор характеризуется следующими двумя чертами: 1) опора на эксперимент, поставляющий и проверяющий результаты; 2) господство аналитического подхода, направляющего мышление на поиск простейших, далее неразложимых первоэлементов реальности (редукционизм).
Благодаря соединению этих двух основ возникло причудливое сочетание рационализма и чувственности, предопределившее грандиозный успех науки. Отметим как далеко не случайное обстоятельство, что наука возникла не только в определенное время, но и в определенном месте — в Европе XVI века.
Причина возникновения науки — своеобразный тип новоевропейской культуры, соединившей в себе чувственность с рациональностью; чувственность, не дошедшую, как, скажем, в китайской культуре, до чувствительности, и рациональность, не дошедшую до Духовности (как у древних греков). Никогда ранее в истории культуры не встречавшееся причудливое сочетание особой чувственности с особой рациональностью и породило науку как феномен западной культуры.
Западную культуру не зря называли рациональной, и ее не похожая на греческую рациональность оказалась очень хорошо увязана с капиталистическим строем. Она позволила все богатство мира свести в однозначно детерминированную систему, обеспечивающую за счет разделения труда и технических нововведений (тоже следствия рационализма) максимальную прибыль. Но у выдающегося социолога XX в. П. Сорокина были основания и для того, чтобы назвать западную культуру чувственной, поскольку она старалась прочно опираться на опыт. Обе черты западной культуры понадобились для развития науки вместе с еще одной, также для нее характерной. «В греческом мышлении ответ на поставленный вопрос дается в результате убеждения в его приемлемости, в современном — посредством опытов и прогрессирующего наблюдения. В мышлении древних уже простое размышление называется исследованием, в современном — исследование должно быть деятельностью» (Ясперс К. Смысл и назначение истории. - С. 104). В науке нашла свое выражение еще одна специфическая черта западной культуры — ее деятельностная направленность.
Деятельностной направленности ума благоприятствовал умеренно-континентальный климат данного региона. Таким образом имело место взаимовлияние природных, социальных и духовных факторов.
Итак, если теперь попытаться дать общее определение науки, то оно будет выглядеть так: наука — это особый рациональный способ познания мира, основанный на эмпирической проверке или математическом доказательстве. Возникнув после философии и религии, наука, в определенной степени,- синтез этих двух предшествовавших ей отраслей культуры, результат «существовавшей в средние века непререкаемой веры в рациональность Бога, сочетающего личную энергию Иеговы с рациональностью греческого философа» (Пригожий И., Стенгерс И. Порядок из хаоса.- М., 1986.- С. 92).
Что такое естествознание?
Выяснив основные особенности современной науки, можно дать определение естествознанию. Это раздел науки, основанный на воспроизводимой эмпирической проверке гипотез и создании теорий или эмпирических обобщений, описывающих природные явления.
Предмет естествознания — факты и явления, которые воспринимаются нашими органами чувств. Задача ученого — обобщить эти факты и создать теоретическую модель, включающую законы, управляющие явлениями природы. Следует различать факты опыта, эмпирические обобщения и теории, которые формулируют законы науки. Явления, например тяготение, непосредственно даны в опыте; законы науки, например закон всемирного тяготения — варианты объяснения явлений. Факты науки, будучи установленными, сохраняют свое постоянное значение; законы могут быть изменены в ходе развития науки, как, скажем, закон всемирного тяготения был скорректирован после создания теории относительности.
Значение чувств и разума в процессе нахождения истины — сложный философский вопрос. В науке признается истиной то положение, которое подтверждается воспроизводимым опытом. Основной принцип естествознания гласит: знания о природе должны допускать эмпирическую проверку. Не в том смысле, что каждое частное утверждение должно обязательно эмпирически проверяться, а в том, что опыт, в конечном счете, является решающим аргументом принятия данной теории.
Естествознание в полном смысле слова общезначимо и дает «родовую» истину, т. е. истину, пригодную и принимаемую всеми людьми. Поэтому оно традиционно рассматривалось в качестве эталона научной объективности. Другой крупный комплекс наук—обществознание — напротив, всегда был связан с групповыми ценностями и интересами, имеющимися как у самого ученого, так и в предмете исследования. Поэтому в методологии обществоведения наряду с объективными методами исследования приобретает большое значение переживание изучаемого события, субъективное отношение к нему и т. п.
От технических наук естествознание отличается нацеленностью на познание, а не на помощь в преобразовании мира, а от математики тем, что исследует природные, а не знаковые системы.
Следует учитывать различие между естественными и техническими науками, с одной стороны, и фундаментальными и прикладными — с другой. Фундаментальные науки — физика, химия, астрономия—изучают базисные структуры мира, а прикладные — занимаются применением результатов фундаментальных исследований для решения как познавательных, так и социально-практических задач. В этом смысле все технические науки являются прикладными, но далеко не все прикладные науки относятся к техническим. Такие науки, как физика металлов, физика полупроводников являются теоретическими прикладными дисциплинами, а металловедение, полупроводниковая технология — практическими прикладными науками.
Однако провести четкую грань между естественными, общественными и техническими науками в принципе нельзя, поскольку имеется целый ряд дисциплин, занимающих промежуточное положение или являющихся комплексными по своей сути. Так, на стыке естественных и общественных наук находится экономическая география, на стыке естественных и технических — бионика, а комплексной междисциплинарной дисциплиной, которая включает и естественные, и общественные, и технические разделы, является социальная экология.
Эволюция и место науки в системе культуры
Взаимоотношения науки с другими отраслями культуры не были безоблачными. Имела место довольно жесткая, порой жестокая борьба за духовное лидерство. В средние века политическая и с нею духовная власть принадлежала религии, и это накладывало отпечаток на развитие науки. Вот что писал русский историк и философ Н. И. Кареев о взаимоотношении науки и религии в то время: «На человеческую мысль была наложена церковью самая строгая опека: занятие наукой и ее преподавание поручалось только церковникам, за которыми, однако, власти бдительно следили... Церковь считала себя вправе силою приводить человека к истине и предавать его светской власти для казни «без пролития крови», если он упорствовал... Крайний аскетический взгляд на знание приводил даже к отрицанию какой бы то ни было науки как суетного знания, ведущего к гибели» (Кареев Н. И. Философия культуры и социальной истории нового времени.- СПб., 1893.- С. 65).
Наука в основном должна была служить иллюстрацией и доказательством теологических истин. Как писал Дж. Бернал, «вплоть до XVIII в. наука продолжала интересоваться главным образом небом» (Бернал Дж. Роль науки в жизни общества,- М., 1957).
Но именно изучение неба и привело к последующему могуществу науки. Начиная с Коперника стало ясно, что наука не то, что теология и обыденное знание. Борьба между наукой и религией вступила в решающую стадию. За торжество научного мировоззрения отдал жизнь Джордано Бруно, так когда-то за торжество философии и религии пожертвовали собой Сократ и Христос.
И вот парадокс: приговорили к смерти и заставили выпить чашу с ядом Сократа в начале IV в. до н. э., — и в том же веке философия победила, появились школы учеников Сократа и платоновская академия. Распяли Христа в I в., — и в том же его ученики создали церковь, которая через два века победила философию. Сожгли Дж. Бруно в 1600 году, — и в том же веке наука победила религию. Торжество смерти оборачивалось торжеством духа, который оказывался сильнее смерти. Физическая власть утверждается насилием, духовная — жертвой.
Итак, культура развивается не только эволюционным путем накопления отдельных достижений, но и революционным путем смены значения ее отраслей. Программа Сократа достичь всеобщего блага посредством философского знания оказалась нереализованной и пала под давлением античного скептицизма. Люди поверили Христу и 1,5 тысячелетия ждали второго пришествия, но дождались индульгенций для богатых и костров инквизиции.
В эпоху Возрождения господство религиозного мышления и церкви было подорвано как изнутри, так и снаружи. Философские и религиозные усилия по созданию общезначимых знания и веры, приносящих людям счастье, не оправдались, но потребность в систематизации и единстве знаний и счастье осталась, и теперь наука дала надежды на ее реализацию.
Произошел великий поворот в развитии культуры — наука поднялась на ее высшую ступень. В ее современном виде наука сформировалась в XVI — XVII в. и тогда же ей удалось одержать победу над другими отраслями культуры и прежде всего над господствовавшей в то время религией. Наука победила в XVII в. все другие отрасли культуры и сохраняла доминирующую роль до XX в. Своей победой она обязана прежде всего естествознанию, которое лежит в фундаменте научного знания.
С тех пор значение науки неуклонно возрастало вплоть до XX века, и вера в науку поддерживалась ее огромными достижениями. В середине XX века в результате растущей связи науки с техникой произошло событие, равное по масштабу научной революции XVII века, получившее название научно-технической революции и ознаменовавшее новый, третий этап в развитии научного знания.
Естественнонаучная и гуманитарная культура
Человек обладает знанием об окружающей его природе (Вселенной), о самом себе и собственных произведениях. Это делит всю имеющуюся у него информацию на два больших раздела: на естественнонаучное (естественное в том смысле, что изучается то, что существует независимо от человека в противоположность искусственному—созданному человеком) и гуманитарное (от лат «Homo» — человек) знание, знание о человеке.
Как следует из определения, различия между естественнонаучными и гуманитарными знаниями заключаются в том, что первые основаны на разделении субъекта (человека) и объекта (природы, которую познает человек — субъект), при преимущественном внимании, уделяемом объекту, а вторые имеют отношение прежде всего к самому субъекту.
Английский писатель Ч. Сноу сформулировал альтернативу «двух культур» — научно-технической и художественно-гуманитарной,— по его мнению, разделенных настолько в современном мире, что представители каждой из них не понимают друг друга. В нашей печати в 60-х годах велись очень интенсивные дискуссии между «физиками» и «лириками». Они показали как несостоятельность неумеренных притязаний тех и других на монопольное обладание истиной, так и необходимость более целостного развития культуры как таковой, взаимодействия науки и искусства, развития естественной науки о человеке (антропологии) в его индивидуальном и социальном измерениях.
Противоречия современной науки
Миг наибольшего торжества науки, свидетельствовавший о ее мощи, был в то же время началом ее кризиса, потому что создание и применение атомного оружия вело к разрушению и уничтожению. Затем возникла экологическая проблема. Виновны в ней не столько сама наука, сколько цели, которые перед ней ставились, а также нормы, методы и средства, в соответствии с которыми она развивалась.
Характерные свойства науки, о которых мы говорили вначале, определяют ее противоречия и ограничения. Так фрагментарность науки означает, что наука — это определенная проекция на определенную часть мира. «Желать, чтобы наука охватывала природу, значило бы заставить целое войти в состав своей части», — предостерегал великий французский математик Анри Пуанкаре (А. Пуанкаре. О науке.- М., 1983.- С. 288). Наука решает частные проблемы и дает относительные ответы на частные вопросы, которые (ответы) подтверждаются опытом. Наука не отвечает на вопросы: из чего состоят кварки? Откуда произошло первовещество? Что было до космоса? Что за пределами расширяющейся Вселенной? Конечно или бесконечно пространство и время? Желающим узнать ответы на эти вопросы следует обращаться к другим отраслям культуры, которые претендуют на абсолютную истину.
Еще древние философы делили все утверждения на знание и мнение. Знание, или наука, по Аристотелю, может быть двух родов — либо демонстративным, либо интуитивным. Демонстративное знание представляет собой знание причин. Оно состоит из утверждений, которые могут быть доказательствами, т. е. демонстративное знание — это заключения силлогистическими доказательствами, или демонстрациями. Интуитивное знание состоит в схватывании «неделимой формы», сущности или сущностной природы вещи. Интуитивное знание является первоначальным источником всей науки, поскольку оно формирует первоначальные «базисные посылки» для всех доказательств (демонстраций). «Для всего без исключения доказательства быть может, ведь иначе приходилось бы идти в бесконечность», — писал Аристотель «Метафизике» (1006 а.).
Современные методологи науки принимают это положение и соглашаются идти в бесконечность. «Другими словами, мы знаем, что наши научные теории навсегда должны остаться только гипотезами, но во многих возможных случаях мы можем выяснить, новая гипотеза лучше старой или нет. Дело в том, что если они различны, то они должны вести к различным предсказаниям, которые, как правило, можно проверить экспериментально. На основе такого решающего эксперимента иногда можно обнаружить, что новая теория приводит к удовлетворительным результатам там, где старая оказалась несостоятельной. В результате можно сказать, что в поиске истины мы заменили научную достоверность научным прогрессом. Дело в том, что наука развивается не путем постепенного накопления энциклопедической информации, как думал Аристотель, а движется значительно более революционным путем. Она прогрессирует благодаря смелым идеям, выдвижению новых, все более странных теорий (таких, как теория, по которой земля не плоская, и «метрическое пространство» не является плоским) и ниспровержению прежних теорий. Однако такой подход к научному методу означает, что в науке нет «знания» в том смысле, в котором понимали это слово Платон и Аристотель, т. е. в том смысле, в котором оно влечет за собой окончательность. В науке мы никогда не имеем достаточных оснований для уверенности в том, что мы уже достигли истины. То, что мы называем «научным знанием», как правило, не является знанием в платоновско-аристотелевском смысле, а, скорее, представляют собой информацию, касающуюся различных соперничающих гипотез и способа, при помощи которого они выдерживают разнообразные проверки. Это, если использовать язык Платона и Аристотеля, информация, касающаяся самого последнего и наилучшим образом проверенного научного «мнения». Такое воззрение означает также, что в науке не существует доказательств (за исключением, конечно, чистой математики и логики). В эмпирических науках, а только они и могут снабжать нас информацией о мире, в котором мы живем, вообще нет доказательств, если под «доказательством» имеется в виду аргументация, которая раз и навсегда устанавливает истинность теории. (А вот что здесь есть, так это опровержения научных теорий») (Поппер К. Открытое общество и его враги. -Т. П.- М., 1992.- С. 20-21).
К этому добавляются еще и противоречия, имеющие место внутри самого процесса познания. Природа едина, а науки разделены на отдельные дисциплины. В природе все связано со всем, каждая наука занимает свою полочку. «Существуют отдельные науки, а не наука вообще как наука о действительном, однако каждая из них входит в мир, беспредельный, но все-таки единый в калейдоскопе связей» (Ясперс К. Смысл и назначение истории.- М., 1994.- С. 102-103).
Объекты действительности функционируют как целостные образования, а наука развивается путем абстрагирования некоторых свойств этих объектов, принимаемых за наиболее важные. Основой структуры научного познания (что особенно характерно для наиболее развитых отраслей естествознания) является анализ предмета исследования, т. е. выделение абстрактных элементарных объектов и последующий синтез из этих абстрактных элементов единого целого в форме теоретической системы. По мнению Б. Рассела, «научный прогресс осуществляется благодаря анализу и искусственной изоляции. Возможно, как считает квантовая теория, что существуют границы правомерности этого процесса, но, если бы он не был обычно правильным, хотя бы приблизительно, научное познание было бы невозможно» (Рассел Б. Человеческое познание. Его сфера и границы.- М., 1957.- С. 71).
Ситуация в области исследования экологической проблемы в практическом плане, как и ситуация в квантовой механике в теоретической, ставит под вопрос правомерность абсолютизации процесса искусственной изоляции и анализа, и многие ученые именно эти черты науки считают ответственными за экологические трудности.
С критикой аналитической направленности науки в последнее время приходится сталкиваться все чаще. Эта ее черта признана фундаментальной и оценивалась по большей части положительно в истории науки, хотя известна и другая ее оценка. Критиковали аналитическую направленность науки Гете, Монтень и другие писатели, ученые, философы. С аналитического расчленения Универсума начинается наука. Как пишет В. Вайскопф, «наука стала развиваться, когда люди начали удерживать себя от общих вопросов, таких как: «Из чего состоит материя? Как возникла Вселенная? В чем сущность жизни?» Они стали задавать вопросы частного характера, например: «Как падает камень? Как вода течет по трубе?» и т. д.» (Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии.- М., 1977.- С. 256).
В областях, которые наиболее доступны аналитическому расчленению, как, например, физика, наука достигает наибольшего успеха, и эти области становятся как бы эталонами знания. Мечтой Т. Гоббса было свести все науки к физике, а Ф. Бэкон называл физику «матерью наук». В XX веке эти мечты воплотились в методологической концепции «единой науки», которая возникла бы на базе физики (физикализм).
Программа сведения всего научного познания к физическому, получившая название редукционизма, не могла быть воплощена в жизнь, поскольку каждая область реальности обладает своей спецификой и не может быть сведена ни к какой другой.
Здесь уместно отметить, что аналитизм, лежащий в самом фундаменте научного подхода к действительности, вполне отвечает стремлению человека практически овладеть предметным миром, поскольку сама преобразовательная деятельность в своей сущности также преимущественно аналитична. С этой точки зрения вполне понятно восхищение аналитическим методом (и физикой, в которой этот метод наиболее полно воплотился), которое испытывал Ф. Бэкон.
Конечно, делать отсюда вывод, что с помощью науки нельзя познать действительность или что наука ничего не дает для решения фундаментальных проблем человеческого существования — значит впадать в крайность. Выигрыш в четкости познания деталей в общем случае не обязательно должен вести к проигрышу в точности познания целостной картины мира. Но не следует забывать об упоминавшемся относительном характере научных истин, находящем свое выражение в следующем парадоксе познания: знание в наиболее четкой и логичной форме достигается через науку и, в более общем плане, через рациональное мышление, но оно в определенной мере и ответственно за разрушение (по крайней мере идеальное) мира.
Итак, один из гносеологических корней экологического кризиса — чрезмерный аналитизм научного мышления, который в стремлении все дальше проникнуть в глубь вещей таит в себе опасность отхода от реальности, от целостного взгляда на природу. Искусственная изоляция какого-либо фрагмента реальности дает возможность его углубленного изучения, однако при этом не учитываются связи этого фрагмента с его средой, и данное обстоятельство, которое может оказаться малосущественным в рамках конкретного исследования, влечет за собой важные негативные последствия, когда результаты подобного исследования вовлекаются в практику человеческой преобразовательной деятельности.
Аналитизм внутри конкретных научных дисциплин находит свое продолжение в аналитической направленности развития науки в целом, как особой формы постижения мира. Фундаментальной особенностью структуры научной деятельности, вытекающей из ее преимущественно аналитического характера, является разделенность науки на обособленные друг от друга дисциплины. Это, конечно, имеет свои положительные стороны, поскольку дает возможность изучать отдельные фрагменты реальности, но при этом упускаются из виду связи между отдельными фрагментами, а в природе, как известно, «все связано со всем». А каждый акт изменения человеком природной среды не ограничивается какой-либо одной ее областью, а имеет, как правило, большие отдаленные последствия.
Разобщенность наук особенно мешает сейчас, в эпоху быстротекущей дифференциации научного знания, выявилась необходимость комплексных интегративных исследований. Чрезмерная специализация так не может помешать эволюции науки, как чрезмерная специализация животных приводит к созданию тупиковых направлений в биологической эволюции.
Значение науки в эпоху НТР
НТР (научно-техническая революция) характеризуется, во-первых, срастанием науки с техникой в единую систему (этим определяется сочетание научно-техническая — через черточку), в результате чего наука стала непосредственной производительной силой, а, во-вторых, небывалыми успехами в деле покорения природы и самого человека как части природы. Достижения НТР впечатляющи. Она вывела человека в космос, дала ему новый источник энергии — атомную, принципиально новые вещества и технические средства (лазер), новые средства массовой коммуникации и информации и т. д., и т. п. Но сам термин НТР возник в середине XX века, когда человек создал атомную бомбу, и стало ясно, что наука может уничтожить нашу планету.
В авангарде науки идут фундаментальные исследования. Внимание властей к ним резко возросло после того, как А. Эйнштейн сообщил в 1939 году президенту США Ф. Рузвельту о том, что физиками выявлен новый источник энергии, который позволяет создать невиданное доселе оружие массового уничтожения.
Современная наука — «дорогое удовольствие». Строительство синхрофазотрона, необходимого для проведения исследований в области физики элементарных частиц, требует миллиарды долларов. А космические исследования? В развитых странах на науку сегодня затрачивается 2-3% валового национального продукта. Но без этого невозможны ни достаточная обороноспособность страны, ни ее производственное могущество.
Наука развивается по экспоненте: объем научной деятельности, в том числе мировой научной информации в XX веке, удваивается каждые 10-15 лет. Растет число ученых, наук. В 1900 году в мире было 100 тыс. ученых, сейчас — 5 млн. (один из тысячи человек, живущих на Земле). 90% всех ученых, когда-либо живших на планете, — наши современники. Процесс дифференциации научного знания привел к тому, что сейчас насчитывается более 15 тысяч научных дисциплин.
Наука не только изучает мир и его эволюцию, но и сама является продуктом эволюции, составляя вслед за природой и человеком особый, «третий» (по Попперу) мир — мир знаний и навыков. В концепции трех миров — мира физических объектов, мира индивидуально-психического и мира интерсубъективного (общечеловеческого) знания — наука сменила «мир идей» Платона. Третий, научный мир стал таким же эквивалентом философскому «миру идей», как «град божий» блаженного Августина в средние века.
В современной философии существуют два взгляда на науку в ее связи с жизнью человека: наука — продукт, созданный человеком (К. Ясперс) и наука как продукт бытия, открываемый через человека
(M. Хайдеггер). Последний взгляд еще ближе подводит к платоновско-августиновским представлениям, но и первый не отрицает фундаментального значения науки.
Наука, по Попперу, не только (1) приносит непосредственную пользу общественному производству и благосостоянию людей, но также (2) учит думать, развивает ум, экономит умственную энергию. «С того момента, как наука стала действительностью, истинность высказываний человека обусловлена их научностью. Поэтому наука — элемент человеческого достоинства, отсюда и ее чары, посредством которых она проникает в тайны мироздания» (Ясперс К. Смысл и назначение истории. - М., 1994.- С. 105).
Эти же чары приводили и к преувеличенному представлению о возможностях науки, к попыткам поставить ее выше других отраслей культуры и перед ними. Создалось своеобразное научное «лобби», которое получило название сциентизма (от лат. «сциенция» — наука). Именно в наше время, когда роль науки поистине огромна, появился сциентизм с представлением о науке, особенно естествознании, как высшей, если не абсолютной ценности. Эта научная идеология заявила, что лишь наука способна решить все проблемы, стоящие перед человечеством, включая бессмертие.
Для сциентизма характерны абсолютизация стиля и методов «точных» наук, объявление их вершиной знания, часто сопровождающееся отрицанием социально-гуманитарной проблематики как не имеющей познавательного значения. На волне сциентизма возникло представление о никак не связанных друг с другом «двух культурах» — естественнонаучной и гуманитарной (книга английского писателя Ч. Сноу об этом так и называлась «Две культуры»).
В рамках сциентизма наука рассматривалась как единственная в будущем сфера духовной культуры, которая поглотит ее нерациональные области. В противоположность этому также громко заявившие о себе во второй половине XX в. антисциентистские высказывания обрекают ее либо на вымирание, либо на вечное противопоставление человеческой природе.
Антисциентизм исходит из положения о принципиальной ограниченности возможностей науки в решении коренных человеческих проблем, а в своих проявлениях оценивает науку как враждебную человеку силу, отказывая ей в положительном влиянии на культуру. Да, говорят критики, наука повышает благосостояние населения, но она же увеличивает опасность гибели человечества и Земли от атомного оружия и загрязнения природной среды.
Тема 2
Структура естественнонаучного познания
Уровни естественнонаучного познания. Соотношение эмпирического и теоретического уровней исследования.
Уровни естественнонаучного познания
Изучение естествознания нужно не только для того, чтобы мы как культурные люди знали и разбирались в его результатах, но и для понимания самой структуры нашего мышления. Итак, мы отправляемся в безбрежное море познания. Предположим, что вместе с Ньютоном мы лежим под деревом и наблюдаем падение яблока, которое, по преданию, натолкнуло Ньютона на открытие закона всемирного тяготения. Яблоки падали на голову не только Ньютона, но почему именно он сформулировал закон всемирного тяготения? Что помогло ему в этом: любопытство, удивление (с которого, по Аристотелю, начинается научное исследование) или, быть" может, он и до этого изучал тяготение, и падение яблока было не начальным, а завершающим моментом его раздумий? Как бы то ни было, мы можем согласиться с легендой в том, что именно обычный эмпирический факт падения яблока был отправной точкой для открытия закона всемирного тяготения. Будем считать эмпирические факты, т. е. факты нашего чувственного опыта, исходным пунктом развития естествознания.
Итак, мы начали наше научное исследование, точнее оно началось с нами. Так или иначе, мы зафиксировали первый эмпирический факт, который, коль скоро он стал отправной точкой научного исследования, стал тем самым научным фактом.
Что дальше? Выдающийся французский математик начала века А. Пуанкаре, описывая в своей книге «Наука и метод» работу ученого, говорил следующее: «Наиболее интересными являются те факты, которые могут служить свою службу многократно, которые могут повторяться» (А. Пуанкаре. О науке.- М., 1983.- С. 289). Да, действительно так, потому что ученый хочет вывести законы развития природы, т. е. сформулировать некие положения, которые были бы верны во всех случаях жизни для однотипного класса явлений. Для этого ученому нужны множество одинаковых фактов, которые потом он мог бы единообразно объяснить. Ученые, продолжает Пуанкаре, «должны предпочитать те факты, которые нам представляются простыми, всем тем, в которых наш грубый глаз различает несходные составные части» (Там же. - С. 290).
Итак, мы должны ждать падения новых яблок, чтобы определить, действительно ли они падают всегда. Это уже можно назвать способом или методом исследования. Он называется наблюдением и в некоторых областях естествознания остается единственным и главным эмпирическим методом исследования. Например, в астрономии. Правда, с помощью визуальных наблюдений мы мало что увидим. Чтобы наблюдать «большой мир» (мегамир) нужны мощные телескопы и радиотелескопы, которые улавливают космические излучения. Это тоже наблюдение, хотя и более сложное.
Однако в нашем случае нет нужды ждать падения яблок. Мы можем потрясти яблоню и посмотреть, как будут вести себя яблоки, т. е. провести эксперимент, испытать объект исследований. Эксперимент представляет собой как бы вопрос, который мы задаем природе и ждем от нее ясного ответа. «Эйнштейн говорил, что природа отвечает «нет» на большинство задаваемых ей вопросов и лишь изредка от нее можно услышать более обнадеживающее «может быть»... Каков бы ни был ответ природы — «да» или «нет», — он будет выражен на том же теоретическом языке, на котором был задан вопрос» (И. Пригожий, И. Стенгерс. Порядок из хаоса.- М., 1986.- С. 88). Отличительной особенностью научного эксперимента является то, что его должен быть способен воспроизвести каждый исследователь в любое время.
Трясение яблони, как простейший из возможных экспериментов, убеждает нас, что все яблоки ведут себя совершенно одинаково. Однако, чтобы вывести физический закон, мало одних яблок. Нужно рассмотреть и другие тела, причем чем меньше они похожи друг на друга, тем лучше. Здесь вступает в силу второе правило, противоположное первому. «Таким образом, интерес представляет лишь исключение» (А. Пуанкаре. Цит. соч.- С. 291).
Оказывается, что многие тела тоже падают на Землю, как будто на них действует некая сила. Можно предположить, что это одна и та же сила во всех случаях. Но на Землю падают не все тела. Это не относится к Луне, Солнцу и другим небесным телам, имеющим большую массу или удаленным от Земли на значительное расстояние. Налицо различие в поведении тел, над которым тоже стоит задуматься. Есть ли что-либо общее в поведении тел, которые на первый взгляд ведут себя совершенно различно? «Однако мы должны сосредоточить свое внимание главным образом не столько на сходствах и различиях, сколько на тех аналогиях, которые часто скрываются в кажущихся различиях» (там же, с. 292). Найти аналогии в различиях необходимый этап научного исследования.
Не над всеми телами можно провести эксперимент. Например, небесные светила можно только наблюдать. Но мы можем объяснить их поведение действием тех же самых сил, направленных не только в сторону Земли, но и от нее. Различие в поведении таким образом можно объяснить количеством силы, определяющей взаимодействие двух или нескольких тел.
Если же мы все-таки считаем эксперимент необходимым, то можем провести его на моделях, т. е. на телах, размеры и масса которых пропорционально уменьшены по сравнению с реальными телами. Результаты модельных экспериментов можно считать пропорциональными результатам взаимодействия реальных тел.
Но и модельный эксперимент не является последним из возможных. Может иметь место мысленный эксперимент. Для этого понадобится представить себе тела, которых вообще не существует в реальности, и провести над ними эксперимент в уме. Значение представления, связанного с проведением мысленного или идеального эксперимента, хорошо объясняют в своей книге «Эволюция физики» А. Эйнштейн и Л. Инфельд. Дело в том, что все понятия, т. е. слова, имеющие определенное значение, которыми пользуются ученые, являются не эмпирическими, а рациональными, т. е. они не берутся нами из чувственного опыта, а являются творческими произведениями человеческого разума. Для того, чтобы ввести их в расчеты, необходимы идеальные представления, например, представления об идеально гладкой поверхности, идеально круглом шаре и т. п. Такие представления называются идеализациями.
В современной науке надо быть готовым к идеализированным экспериментам, т е. мысленным экспериментам с применением идеализации, с которых (а именно, экспериментов Галилея) и началась физика Нового времени. Представление и воображение (создание и использование образов) имеет в науке большое значение, но в отличие от искусства — это не конечная, а промежуточная цель исследования. Главная цель науки — выдвижение гипотез, и теория как эмпирически подтвержденная гипотеза.
Понятия играют в науке особую роль. Еще Аристотель считал, что, описывая сущность, на которую указывает термин, мы объясняем его значение. А его имя — знак вещи. Таким образом, объяснение термина (а это и представляет собой определение понятия) позволяет нам понять данную вещь в ее глубочайшей сущности («понятие» и «понять» — однокоренные слова). По мнению К. Поппера, если в обычном словоупотреблении мы сначала ставим термин, а затем определяем его (например: «щенок—это молодой пес»), то в науке имеет место обратный процесс. Научную запись следует читать справа налево, отвечая на вопрос: как мы будем называть молодого пса, а не что такое щенок. Вопросы типа «что такое жизнь?» не играют в науке
никакой роли, и вообще определения как таковые не играют в науке заметной роли, в отличие, скажем, от философии. Научные термины и знаки - не что иное, как условные сокращения записей, которые иначе заняли бы гораздо больше места.
Формирование понятий относится к следующему уровню исследований, который является не эмпирическим, а теоретическим. Но прежде мы должны записать результаты эмпирических исследований, с тем чтобы каждый желающий мог их проверить и убедиться в их правильности.
Ученые должны, пишут А. Эйнштейн и Л. Инфельд, собирать неупорядоченные факты и своим творческим мышлением делать их связанными и понятными. Поэтому их можно сравнить с детективами. Но в отличие от детектива, который только расследует дело, «ученый должен, по крайней мере, отчасти, сам совершить преступление, затем довести до конца исследование. Более того, его задача состоит в том, чтобы объяснить не один только данный случай, а все связанные с ним явления, которые происходили или могут еще произойти» (А. Эйнштейн, Л. Инфельд. Эволюция физики.г М., 1965.- С. 64).
На основании эмпирических исследований могут быть сделаны эмпирические обобщения, которые имеют значение сами по себе. В науках, которые называют эмпирическими, или описательными, как, скажем, геология, эмпирические обобщения завершают исследование, в экспериментальных, теоретических науках это только начало. Чтобы двинуться дальше, нужно придумать удовлетворительную гипотезу, объясняющую (в нашем примере) падение тел. Самих по себе эмпирических фактов для этого недостаточно. Необходимо все предшествующее знание, касающееся данной проблемы, прежде всего, в нашем случае, знание принципов механики, например, представление о связи движения тела с приложением к нему силы, действующей в направлении движения (в данном случае, к Земле), т. е. знание трех законов механики, которые сформулировал тот же Ньютон до закона всемирного тяготения.
На теоретическом уровне помимо эмпирических фактов требуются понятия, которые создаются заново или берутся из других (преимущественно ближайших) разделов науки. В данном случае это понятия массы и силы, которые были для Ньютона основными при выведении законов механики. Эти понятия должны быть определены и представлены в краткой форме в виде слов (называемых в науке терминами) или знаков (в том числе математических), которые имеют каждый строго фиксированное значение.
«Эмпирическое обобщение опирается на факты, индуктивным путем собранные, не выходя за их пределы и не заботясь о согласии или несогласии полученного вывода с другими существующими представлениями о природе... При гипотезе принимается во внимание какой-нибудь один или несколько важных признаков явления и на основании только их строится представление о явлении, без внимания к другим его сторонам. Научная гипотеза всегда выходит за пределы фактов, послуживших основой для ее построения» (В. И. Вернадский. Биосфера // Избранные сочинения- Т. 5.- М., I960.- С. 19).
При выдвижении какой-либо гипотезы принимается во внимание не только ее соответствие эмпирическим данным, но и некоторые методологические принципы, получившие название критериев простоты, красоты, экономии мышления и т. п. «Я считаю, как и Вы,—говорил Гейзенберг Эйнштейну, — что простота природных законов носит объективный характер, что дело не только в экономии мышления. Когда сама природа подсказывает математические формы большой красоты и простоты, — под формами я подразумеваю здесь замкнутые системы основополагающих постулатов, аксиом и т. п., — формы, о существовании которых никто еще не подозревал, то поневоле начинаешь верить, что они «истинны», т. е. что они выражают реальные черты природы» (В. Гейзенберг. Физика и философия. Часть и целое.- М., 1989- С. 196).
После выдвижения определенной гипотезы (научного предположения, объясняющего причины данной совокупности явлений) исследование опять возвращается на эмпирический уровень для ее проверки. При проверке научной гипотезы должны проводиться новые эксперименты, задающие природе новые вопросы, исходя из сформулированной гипотезы. Цель — проверка следствий из этой гипотезы, о которых ничего не было известно до ее выдвижения.
Если гипотеза выдерживает эмпирическую проверку, то она приобретает статус закона (или, в более слабой форме, закономерности) природы. Если нет — считается опровергнутой, и поиски иной, более приемлемой, продолжаются. Научное предположение остается, таким образом, гипотезой до тех пор, пока еще не ясно подтверждается она эмпирически или нет. Стадия гипотезы не может быть в науке окончательной, поскольку все научные положения в принципе эмпирически опровергаемы, и гипотеза рано или поздно или становится законом или отвергается.
Принцип фальсифицируемости научных положений, т. е. их свойство быть опровергаемыми на практике, остается в науке непререкаемым. «В той степени, в которой научное высказывание говорит о реальности, оно должно быть фальсифицируемо, а в той степени, в которой оно не фальсифицируемо, оно не говорит о реальности» (К. Поппер. Открытое общество и его враги. Т. 2. М., 1992, с. 21). Отсюда можно сделать вывод, что главное в науке—сам процесс духовно- I го роста, а не результат его, который более важен в технике.
«Нам следует привыкнуть понимать науку не как «совокупность знаний», а как систему гипотез, т. е. догадок и предвосхищений, которые в принципе не могут быть обоснованы, но которые мы используем до тех пор, пока они выдерживают проверки, и о которых мы никогда не можем с полной уверенностью говорить, что они «истинны», «более или менее достоверны» или даже «вероятны» (Там же.- С. 335). Последнее относится к попытке Р. Карнапа разработать способы определения вероятности истинности гипотезы по степени ее подтверждения.
Проверочные эксперименты ставятся таким образом, чтобы не столько подтвердить, сколько опровергнуть данную гипотезу. «Итак, если установлено какое-нибудь правило, то прежде всего мы должны исследовать те случаи, в которых это правило имеет больше всего шансов оказаться неверным» (А. Пуанкаре. Цит. соч.- С. 291). Эксперимент, который направлен на опровержение данной гипотезы, носит название решающего эксперимента. Именно он наиболее важен для принятия или отклонения гипотезы, так как одного его достаточно для признания гипотезы ложной.
Вопрос об объективном статусе научного закона до сих пор является одним из наиболее дискуссионных в методологии естествознания. Еще Аристотель (благодаря философскому разделению явления и сущности) выдвинул положение, что наука изучает роды сущего. В современном понимании это и есть то, что называют законом природы. Существуют естественные законы, или законы природы, и нормативные законы, или нормы, запреты и заповеди, т. е. правила, которые требуют определенного образа поведения. Нормативный закон может быть хорошим или плохим, но не «истинным» или «ложным». Если этот закон имеет значение, то он может быть нарушен, а если его невозможно нарушить, то он поверхностен и не имеет смысла. В противоположность нормативным, естественные законы описывают неизменные регулярности, которые либо есть, либо нет. Их свойствами являются периодичность и всеобщность какого-либо класса явлений, т. е. необходимость их возникновения при определенных, точно формулируемых условиях.
Закон природы, по Пуанкаре, — наилучшее выражение гармонии мира. «Закон есть одно из самых недавних завоеваний человеческого ума; существуют еще народы, которые живут среди непрерывного чуда и которые не удивляются этому. Напротив, мы должны были бы удивляться закономерности природы. Люди просят своих богов доказать их существование чудесами; но вечное чудо в том, что чудеса не совершаются беспрестанно. Потому-то мир и божественен, что он полон гармонии. Если бы он управлялся произволом, то что доказывало бы нам, что он не управляется случаем? Этим завоеванием закона мы обязаны астрономии, и оно-то и создает величие этой науки, еще большее, чем материальное величие изучаемых ею предметов» (А. Пуанкаре. Цит. соч.- С. 157).
Итак, естествознание изучает мир с целью творения законов его функционирования, как продуктов человеческой деятельности, отражающих периодически повторяющиеся факты действительности.
О практическом значении познания законов природы Пуанкаре пишет так: «Завоевания промышленности, обогащение стольких практических людей, никогда не увидели бы света, если бы существовали только люди практики!.. Необходимо, следовательно, чтобы кто-то думал за тех, кто не любит думать; а так как последних чрезвычайно много, то необходимо, чтобы каждая из наших мыслей приносила пользу столь часто, сколь это возможно, и именно поэтому всякий закон будет тем более ценным, чем более он будет общим» (Там же. - С. 289).
Совокупность нескольких законов, относящихся к одной области познания, называется теорией. В случае, если теория в целом не получает убедительного эмпирического подтверждения, она может быть дополнена новыми гипотезами, которых, однако, не должно быть слишком много, так как это подрывает доверие к теории.
Подтвержденная на практике теория считается истинной вплоть до того момента, когда будет предложена новая теория, лучше объясняющая известные эмпирические факты, а также новые эмпирические факты, которые стали известны уже после принятия данной теории и оказались противоречащими ей.
Итак, наука строится из наблюдений, экспериментов, гипотез, теорий и аргументации. Наука в содержательном плане — это совокупность эмпирических обобщений и теорий, подтверждаемых наблюдением и экспериментом. Причем творческий процесс создания теорий и аргументации в их поддержку играет в науке не меньшую роль, чем наблюдение и эксперимент.
Схематично структуру научного познания можно представить следующим образом:
Эмпирический факт → научный факт → наблюдение → реальный эксперимент →·модельный эксперимент → мысленный эксперимент → фиксация результатов эмпирического уровня исследований → эмпирическое обобщение → использование имеющегося теоретического знания → образ → формулирование гипотезы → проверка ее на опыте → формулирование новых понятий → введение терминов и знаков → определение их значения → выведение закона → создание теории → проверка ее на опыте → приятие в случае необходимости дополнительных гипотез.
Итак, чудес не бывает, если не в самой природе, то по крайней мере в формулировании законов ее развития, и от падения яблока на голову Ньютона до открытия им закона всемирного тяготения—дистанция огромного размера, даже если в голове самого Ньютона она может быть пройдена мгновенно.
Соотношение эмпирического и теоретического уровней исследования
Эмпирический и теоретический уровни знания различаются по предмету (во втором случае он может иметь свойства, которых нет у эмпирического объекта), средствам (во втором случае это мыслительный эксперимент, метод моделирования, аксиоматический метод и т. д.) и результатам исследования (в первом случае эмпирическое обобщение, во втором — гипотеза и теория).
Различие между эмпирическим и теоретическим уровнями исследований не совпадает с различием между чувственным и рациональным познанием, хотя эмпирический уровень преимущественно чувствен, а теоретический преимущественно рационален. Эмпирический уровень в науке не только чувственен, но и рационален потому, что используются приборы, сконструированные на основе какой-либо теории. Теоретический уровень в науке не совпадает с рациональным, поскольку понятие рационального шире и существует не только научная рациональность, но и рациональность иных типов. Теоретическое отличается от рационального также тем, что в состав теоретического уровня входят представления (наглядные образы), которые являются формами чувственного восприятия.
Процесс научного поиска даже на теоретическом уровне не является строго рациональным. Непосредственно перед стадией научного открытия важно воображение, создание образов, а на самой стадии открытия — интуиция. Поэтому открытие нельзя логически вывести, как теорему в математике. О значении интуиции в науке хорошо свидетельствуют слова выдающегося математика Гаусса: «Вот мой результат, но я пока не знаю, как получить его». Результат интуитивен, но нет аргументации в его защиту. Интуиция присутствует в науке (так называемое «чувство объекта»), но она ничего не значит в смысле обоснования результатов. Нужны еще объективные рациональные методы, которые все люди могут оценить.
Логика действует на стадии так называемой «нормальной науки» в рамках определенной парадигмы для обоснования выдвинутой гипотезы или теории. Однако следует помнить, имея в виду значение логики, что рассуждения в естествознании не являются доказательствами, а только выводами. Вывод свидетельствует об истинности рассуждения, если посылки верны, но не говорит об истинности посылок. Определение также сдвигает проблему значения к определяющим терминам, истинность которых гарантирует опыт.
Несмотря на методологическую ценность выделения эмпирического и теоретического, разделить эти два уровня в целостном процессе познания полностью невозможно, что показали неудачные попытки в рамках неопозитивизма. Вопросу соотношения эмпирического и теоретического уровней исследования посвящено следующее замечание А. Эйнштейна: «Но с принципиальной точки зрения желание строить теорию только на наблюдаемых величинах совершенно нелепо. Потому что в действительности все ведь обстоит как раз наоборот. Только теория решает, что именно можно наблюдать. Видите ли, наблюдение, вообще говоря, есть очень сложная система. Подлежащий наблюдению процесс вызывает определенные изменения в нашей измерительной аппаратуре. Как следствие, в этой аппаратуре развертываются дальнейшие процессы, которые в конце концов косвенным путем воздействуют на чувственное восприятие и на фиксацию результата в нашем сознании» (В. Гейзенберг. Цит. соч.- С. 191-192). Сложное переплетение эмпирического и теоретического уровней познания особенно характерно для наиболее продвинутых областей экспериментальной и теоретической физики.
Тема 3
Методы и динамика естественнонаучного познания
Методы научного познания. Применение математических методов в естествознании. Внутренняя логика и динамика развития естествознания. Естественнонаучная картина мира.
Методы научного познания
Структура научного исследования, описанная выше, представляет собой в широком смысле способ научного познания или научный метод как таковой. Метод — это совокупность действий, призванных помочь достижению желаемого результата. Первым на значение метода в Новое время указал французский математик и философ Р. Декарт в работе «Рассуждения о методе». Но еще ранее один из основателей эмпирической науки Ф. Бэкон сравнил метод познания с циркулем. Способности людей различны, и для того, чтобы всегда добиваться успеха, требуется инструмент, который уравнивал бы шансы и давал возможность каждому получить нужный результат. Таким инструментом и является научный метод.
А. Пуанкаре справедливо подчеркивал, что ученый должен уметь делать выбор фактов. «Метод — это, собственно, и есть выбор фактов; и прежде всего, следовательно, нужно озаботиться изобретением метода» (А. Пуанкаре. Цит. соч.- С. 291). Метод не только уравнивает способности людей, но также делает их деятельность единообразной, что является предпосылкой для получения единообразных результатов всеми исследователями.
Современная наука держится на определенной методологии — совокупности используемых методов и учении о методе — и обязана ей очень многим. В то же время каждая наука имеет не только свой особый предмет исследования, но и специфический метод, имманентный предмету. Единство предмета и метода познания обосновал немецкий философ Гегель.
Следует четко представлять различия между методологиями естественнонаучного и гуманитарного познания, вытекающими из различия их предмета. В методологии естественных наук обычно не учитывают индивидуальность предмета, поскольку его становление произошло давно и находится вне внимания исследователя. Замечают только вечное круговращение. В истории же наблюдают самое становление предмета в его индивидуальной полноте. Отсюда специфичность методологии исторического познания.
Вообще, методология социального познания отличается от методологии естественнонаучного познания из-за различий в самом предмете: 1) социальное познание дает саморазрушающийся результат («знание законов биржи разрушает эти законы», — говорил основатель кибернетики Н. Винер); 2) если в естественнонаучном познании все единичные факторы равнозначны, то в социальном познании это не так. Поэтому методология социального познания должна не только обобщать факты, но иметь дело с индивидуальными фактами большого значения. Именно из них проистекает и ими объясняется объективный процесс.
«В гуманитарно-научном методе заключается постоянное взаимодействие переживания и понятия», — утверждал В. Дильтей в статье «Сущность философии». Переживание столь важно в гуманитарном познании именно потому, что сами понятия и общие закономерности исторического процесса производны от первоначального индивидуального переживания ситуации. Исходный пункт гуманитарного исследования индивидуален (у каждого человека свое бытие), стало быть, метод тоже должен быть индивидуален, что не противоречит, конечно, целесообразности частичного пользования в гуманитарном познании приемами, выработанными другими учеными (метод как циркуль, в понимании Ф. Бэкона). В последующих главах мы покажем, что в современной науке намечается тенденция к сближению естественнонаучной и гуманитарной методологии, но все же различия, и принципиальные, пока остаются.
Научный метод как таковой подразделяется на методы, используемые на каждом уровне исследований. Выделяются таким образом эмпирические и теоретические методы. К первым относятся: 1) наблюдение — целенаправленное восприятие явлений объективной действительности; 2) описание — фиксация средствами естественного или искусственного языка сведений об объектах; 3) измерение — сравнение объектов по каким-либо сходным свойствам или сторонам; 4) эксперимент — наблюдение в специально создаваемых и контролируемых условиях, что позволяет восстановить ход явления при повторении условий.
К научным методам теоретического уровня исследований следует отнести: 1) формализацию — построение абстрактно-математических моделей, раскрывающих сущность изучаемых процессов действительности; 2) аксиоматизацию — построение теорий на основе аксиом — утверждений, доказательства истинности которых не требуется; 3) гипотетико-дедуктивный метод — создание системы дедуктивно связанных между собой гипотез, из которых выводятся утверждения об эмпирических фактах.
Другим способом деления будет разбивка на методы, применяемые не только в науке, но и в других отраслях человеческой деятельности; методы, применяемые во всех областях науки; и методы, специфические для отдельных разделов науки. Так мы получаем всеобщие, общенаучные и конкретно-научные методы.
Среди всеобщих можно выделить такие методы, как:
1) анализ — расчленение целостного предмета на составные части (стороны, признаки, свойства или отношения) с целью их всестороннего изучения;
2) синтез — соединение ранее выделенных частей предмета в единое целое;
3) абстрагирование — отвлечение от ряда несущественных для данного исследования свойств и отношений изучаемого явления с одновременным выделением интересующих нас свойств и отношений;
4) обобщение — прием мышления, в результате которого устанавливаются общие свойства и признаки объектов;
5) индукция — метод исследования и способ рассуждения, в котором общий вывод строится на основе частных посылок;
6) дедукция — способ рассуждения, посредством которого из общих посылок с необходимостью следует заключение частного характера;
7) аналогия — прием познания, при котором на основе сходства объектов в одних признаках заключают об их сходстве и в других признаках;
8) моделирование — изучение объекта (оригинала) путем создания и исследования его копии (модели), замещающей оригинал с определенных сторон, интересующих исследователя;
9) классификация — разделение всех изучаемых предметов на отдельные группы в соответствии с каким-либо важным для исследователя признаком (особенно часто используется в описательных науках — многих разделах биологии, геологии, географии, кристаллографии и т. п.).
Большое значение в современной науке приобрели статистические методы, позволяющие определять средние значения, характеризующие всю совокупность изучаемых предметов. «Применяя статистический метод, мы не можем предсказать поведение отдельного индивидуума совокупности. Мы можем только предсказать вероятность того, что он будет вести себя некоторым определенным образом... Статистические законы можно применять только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам, образующим эти совокупности» (А. Эйнштейн, Л. Инфельд. Эволюция физики.- М., 1965. - C.231).
Характерной особенностью современного естествознания является также то, что методы исследования все в большей степени влияют на его результат (так называемая «проблема прибора» в квантовой механике).
Применение математических методов в естествознании
После триумфа классической механики Ньютона химия в лице Лавуазье, положившего начало систематическому применению весов, встала на количественный путь, а вслед за ней и другие естественные науки. «Таково первое основание, по которому физик не может обойтись без математики; она дает ему единственный язык, на котором он в состоянии изъясняться (А. Пуанкаре. Цит. соч.- С. 220).
Дифференциальное и интегральное исчисление хорошо подходит для описания изменения скоростей движений, а вероятностные методы—для необратимости и создания нового. Все можно описать количественно, и тем не менее остается проблемой отношение математики к реальности. По мнению одних методологов, чистая математика и логика используют доказательства, но не дают нам никакой информации о мире (почему А. Пуанкаре и считал, что законы природы конвенциальны), а только разрабатывают средства его описания. Однако, еще Аристотель писал, что число есть промежуточное между частным предметом и идеей, а Галилей полагал, что Книга Природы написана языком математики.
Не имея непосредственного отношения к реальности, математика не только описывает эту реальность, но и позволяет, как в уравнениях Максвелла, делать новые интересные и неожиданные выводы о реальности из теории, которая представлена в математической форме. Как же объяснить непостижимую истинность математики и ее пригодность для естествознания? Может все дело в том, что «механизм математического творчества, например, не отличается существенно от механизма какого бы то ни было иного творчества» (А. Пуанкаре. Цит. соч. - С. 285)? Или более пригодны более сложные, системные объяснения?
По мнению некоторых методологов, законы природы не сводятся к написанным на бумаге математическим соотношениям. Их надо понимать как любой вид организованности идеальных прообразов вещей, или пси-функций. Есть три вида организованности: простейший — числовые соотношения; более сложный — ритмика 1-го порядка, изучаемая математической теорией групп; самый сложный — ритмика 2-го порядка — «слово». Два первых вида организованности наполняют Вселенную мерой и гармонией, третий — смыслом. В рамках этого объяснения математика занимает свое особое место в познании.
Так или иначе, подобные методологические разработки тесно связаны с дискуссиями по основаниям математики и перспективам ее развития, сводящимися к следующим основным темам: 1) как математика соотносится с миром и дает возможность познавать его; 2) какой способ познания преобладает в математике — дискурсивный или интуитивный; 3) как устанавливаются математические истины—путем конвенции, как полагал Пуанкаре, или с помощью более объективных критериев.
Внутренняя логика и динамика развития естествознания
Развитие науки определяется внешними и внутренними факторами. К первым относится влияние государства, экономических, культурных, национальных параметров, ценностных установок ученых. Вторые определяют и определяются внутренней логикой и динамикой развития науки. Не всегда первые можно четко отделить от вторых, и тем не менее данное разделение полезно.
Внутренняя динамика развития науки имеет свои особенности на каждом из уровней исследования. Эмпирическому уровню присущ кумулятивный характер, поскольку даже отрицательный результат наблюдения или эксперимента вносит свой вклад в накопление знаний. Теоретический уровень отличается более скачкообразным характером, так как каждая новая теория представляет собой качественное преобразование системы знания. Новая теория, пришедшая на смену старой, не отрицает ее полностью (хотя в истории науки имели место случаи, когда приходилось отказываться от ложных концепций теплорода, электрической жидкости и т. п.), но чаще ограничивает сферу ее применимости, что позволяет говорить о преемственности в развитии теоретического знания.
Вопрос о смене научных концепций является одним из наиболее злободневных в современной методологии науки. В первой половине XX в. основной структурной единицей исследования признавалась теория, и вопрос о ее смене ставился в зависимость от ее верификации (эмпирического подтверждения) или фальсификации (эмпирического опровержения). Главной методологической проблемой считалась проблема сведения теоретического уровня исследований к эмпирическому, что, в конечном счете, оказалось невозможным.
В начале 60-х годов XX в. американский ученый Т. Кун выдвинул концепцию, в соответствии с которой теория до тех пор остается принятой научным сообществом, пока не подвергается сомнению основная парадигма (установка, образ) научного исследования в данной области. Динамика науки была представлена Куном следующим образом:
Старая парадигма → нормальная стадия развития науки → революция в науке → новая парадигма.
Парадигмальная концепция развития научного знания затем была конкретизирована с помощью понятия «исследовательской программы» как структурной единицы более высокого порядка, чем отдельная теория. В рамках исследовательской программы и обсуждается вопрос об истинности научных теорий.
Еще более высокой структурной единицей является естественнонаучная картина мира, которая объединяет в себе наиболее существенные естественнонаучные представления эпохи.
Естественнонаучная картина мира
«Первый шаг — создание из обыденной жизни картины мира — дело чистой науки», — писал выдающийся физик XX в. М. Планк. Исторически первой естественнонаучной картиной мира Нового времени была механистическая картина, которая напоминала часы: любое событие однозначно определяется начальными условиями, задаваемыми (по крайней мере, в принципе) абсолютно точно. В таком мире нет места случайности. В нем возможен «демон Лапласа» — существо, способное охватить всю совокупность данных о состоянии Вселенной в любой момент времени, могло бы не только точно предсказать будущее, но и до мельчайших подробностей восстановить прошлое. Представление о Вселенной как о гигантской заводной игрушке преобладало в XVII — XVIII в. в. Оно имело религиозную основу, поскольку сама наука вышла из недр христианства.
Бог как рациональное существо создал мир в основе своей рациональный, и человек как рациональное существо, созданное Богом по своему образу и подобию, способен познать мир. Такова основа веры классической науки в себя и людей в науку. Отринув религию, человек эпохи Возрождения продолжал мыслить религиозно. Механистическая картина мира предполагала Бога как часовщика и строителя Вселенной.
Механистическая картина мира основывалась на следующих принципах: 1) связь теории с практикой; 2) использование математики; 3) эксперимент реальный и мысленный; 4) критический анализ и проверка данных; 5) главный вопрос: как, а не почему; 6) нет «стрелы времени» (регулярность, детерминированность и обратимость траекторий).
Но XIX в. пришел к парадоксальному выводу: «Если бы мир был гигантской машиной, — провозгласила термодинамика, — то такая машина неизбежно должна была бы остановиться, т. к. запас полезной энергии рано или поздно был бы исчерпан». Затем пришел Дарвин со своей теорией эволюции и произошел сдвиг интереса от физики в сторону биологии.
Главный результат современного естествознания, по Гейзенбергу, в том, что оно разрушило неподвижную систему понятий XIX в. и усилило интерес к античной предшественнице науки — философской рациональности Аристотеля. «Одним из главных источников аристотелевского мышления явилось наблюдение эмбрионального развития — высокоорганизованного процесса, в котором взаимосвязанные, хотя и внешне независимые события происходят, как бы подчиняясь единому глобальному плану. Подобно развивающемуся зародышу, вся аристотелевская природа построена на конечных причинах. Цель всякого изменения, если оно сообразно природе вещей, состоит в том, чтобы реализовать в каждом организме идеал его рациональной сущности. В этой сущности, которая в применении к живому есть в одно и то же время его окончательная, формальная и действующая причина, — ключ к пониманию природы» (И. Пригожий, И. Стенгерс. Порядок из хаоса.- С. 83-84). «Рождение современной науки — столкновение между последователями Аристотеля и Галилея — есть столкновение между двумя формами рациональности» (Там же.- С. 84).
Итак, можно выделить три картины мира: сущностную преднаучную, механистическую, эволюционную. В современной естественнонаучной картине мира имеет место саморазвитие. В этой картине присутствует человек и его мысль. Она эволюционна и необратима. В ней естественнонаучное знание неразрывно связано с гуманитарным. Об этом мы будем подробно говорить в дальнейших разделах.
Тема 4
Расширяющаяся Вселенная
Происхождение Вселенной. Модель расширяющейся Вселенной. Эволюция и строение галактик. Астрономия и космонавтика
Происхождение Вселенной
Во все времена люди хотели знать, откуда и каким образом произошел мир. Когда в культуре господствовали мифологические представления, происхождение мира объяснялось, как, скажем, в «Ведах» распадом первочеловека Пуруши. То, что это была общая мифологическая схема, подтверждается и русскими апокрифами, например, «Голубиной книгой». Победа христианства утвердила представления о сотворении Богом мира из ничего.
С появлением науки в ее современном понимании на смену мифологическим и религиозным приходят научные представления о происхождении Вселенной. Следует разделять три близких термина: бытие, универсум и Вселенная. Первый является философским и обозначает все существующее, бытующее. Второй употребляется и в философии, и в науке, не имея специфической философской нагрузки (в плане противопоставления бытия и сознания), и обозначает все как таковое.
Значение термина Вселенная более узкое и приобрело специфически научное звучание. Вселенная — место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению Постепенное сужение научного значения термина Вселенная вполне понятно, так как естествознание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными методами.
Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией, т. е. наукой о космосе. Слово это тоже не случайно. Хотя сейчас космосом называют все находящееся за пределами атмосферы Земли, не так было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «порядок», «гармония», в противоположность «хаосу» — «беспорядку». Таким образом, космология, в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.
Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека (так называемый антропный принцип).
Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное, в принципе, количество экспериментов и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.
Ко Вселенной это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т. е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной как бы в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения.
Модель расширяющейся Вселенной
Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, — релятивистская.
Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.
Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения».
Красное смещение — это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.
Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики — видимой части Вселенной.
Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.
Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 — 18 млрд. лет назад. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы» (Вейнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной.- М., 1981. - С. 30).
Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.
Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она возникла. В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит библейское «ничего», и некоторые в угоду науке полагали, что под ничем имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.
Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX века считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы.
Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) — вещество.
Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.
Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.
Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из «возбужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является решающим подтверждением существования Бога. Ведь все это могло произойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.
На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.
Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.
Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тогда, когда не было ничего, и что находится за пределами расширения. Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натурфилософскими.
Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.
Но оставим эти соображения области натурфилософии, потому что в естествознании в конечном счете критерием истины являются не абстрактные соображения, а эмпирическая проверка гипотез.
Что же было после Большого Взрыва? Образовался сгусток плазмы—состояния, в котором находятся элементарные частицы — нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Через 0,01 сек после начала Большого Взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). Как образовались все остальные химические элементы?
Эволюция и строение галактик
Поэт спрашивал: «Послушайте! Ведь, если звезды зажигают — значит — это кому-нибудь нужно?». Мы знаем, что звезды нужны, чтобы светить, и наше Солнце дает необходимую для нашего существования энергию. А зачем нужны галактики? Оказывается и галактики нужны, и Солнце не только обеспечивает нас энергией. Астрономические наблюдения показывают, что из ядер галактик происходит непрерывное истечение водорода. Таким образом, ядра галактик являются фабриками по производству основного строительного материала Вселенной — водорода.
Водород, атом которого состоит из одного протона в ядре и одного электрона на его орбите, является самым простым «кирпичиком», из которого в недрах звезд образуются в процессе атомных реакций более сложные атомы. Причем оказывается, что звезды совершенно не случайно имеют различную величину. Чем больше масса звезды, тем более сложные атомы синтезируются в ее недрах.
Наше Солнце как обычная звезда производит только гелий из водорода (который дают ядра галактик), очень массивные звезды производят углерод — главный «кирпичик» живого вещества. Вот для чего нужны галактики и звезды. А для чего нужна Земля? Она производит все необходимые вещества для существования жизни человека. А для чего существует человек? На этот вопрос не может ответить наука, но она может заставить нас еще раз задуматься над ним.
Если «зажигание» звезд кому-то нужно, то может и человек кому-то нужен? Научные данные помогают нам сформулировать представление о нашем предназначении, о смысле нашей жизни. Обращаться при ответе на эти вопросы к эволюции Вселенной — это значит мыслить космически. Естествознание учит мыслить космически, в то же время не отрываясь от реальности нашего бытия.
Вопрос об образовании и строении галактик — следующий важный вопрос происхождения Вселенной. Его изучает не только космология как наука о Вселенной — едином целом, но также и космогония (греч. «гонейа» означает рождение) — область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем (различают планетную, звездную, галактическую космогонию).
Галактика представляет собой гигантские скопления звезд и их систем, имеющие свой центр (ядро) и различную, не только сферическую, но часто спиралевидную, эллиптическую, сплюснутую или вообще неправильную форму. Галактик — миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд.
Наша галактика называется Млечный Путь и состоит из 150 млрд. звезд. Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры —100 тыс. световых лет. Большая часть звезд нашей галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галактики расположено Солнце.
Ближайшая к нашей галактика (до которой световой луч бежит 2 млн. лет) — «туманность Андромеды». Она названа так потому, что именно в созвездии Андромеды в 1917 году был открыт первый внегалактический объект. Его принадлежность к другой галактике была доказана в 1923 году Э. Хабблом, нашедшим путем спектрального анализа в этом объекте звезды. Позже были обнаружены звезды и в других туманностях.
А в 1963 году были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) — самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Было предположено, что квазары представляют собой ядра новых галактик и стало быть процесс образования галактик продолжается и поныне.
Астрономия и космонавтика
Звезды изучает астрономия (от греч. «астрон» — звезда и «номос» — закон) — наука о строении и развитии космических тел и их систем. Эта классическая наука переживает в XX веке свою вторую молодость в связи с бурным развитием техники наблюдений — основного своего метода исследований: телескопов-рефлекторов, приемников излучения (антенн) и т. п. В СССР в 1974 году вступил в действие в Ставропольском крае рефлектор с диаметром зеркала 6 м., собирающий света в миллионы раз больше, чем человеческий глаз.
В астрономии исследуются радиоволны, свет, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское излучения и гамма-лучи. Астрономия делится на небесную механику, радиоастрономию, астрофизику и другие дисциплины.
Особое значение приобретает в настоящее время астрофизика — часть астрономии, изучающая физические и химические явления, происходящие в небесных телах, их системах и в космическом пространстве. В отличие от физики, в основе которой лежит эксперимент, астрофизика основывается главным образом на наблюдениях. Но во многих случаях условия, в которых находится вещество в небесных телах и системах отличается от доступных современным лабораториям (сверхвысокие и сверхнизкие плотности, высокая температура и т. д.). Благодаря этому астрофизические исследования приводят к открытию новых физических закономерностей.
Собственное значение астрофизики определяется тем, что в настоящее время основное внимание в релятивистской космологии переносится на физику Вселенной — состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии.
Один из основных методов астрофизики—спектральный анализ. Если пропустить луч белого солнечного света через узкую щель, а затем сквозь стеклянную трехгранную призму, то он распадается на составляющие цвета, и на экране появится радужная цветовая полоска с постепенным переходом от красного к фиолетовому — непрерывный спектр. Красный конец спектра образован лучами, наименее отклоняющимися при прохождении через призму, фиолетовый — наиболее отклоняемыми. Каждому химическому элементу соответствуют вполне определенные спектральные линии, что и позволяет использовать данный метод для изучения веществ.
К сожалению, коротковолновые излучения — ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи — не проходят сквозь атмосферу Земли, и здесь на помощь астрономам приходит наука, которая до недавнего времени рассматривалась как прежде всего техническая — космонавтика (от греч. «наутике»—искусство кораблевождения), обеспечивающая освоение космоса для нужд человечества с использованием летательных аппаратов.
Космонавтика изучает проблемы: теории космических полетов — расчеты траекторий и т. д.; научно-технические — конструирование космических ракет, двигателей, бортовых систем управления, пусковых сооружений, автоматических станций и пилотируемых кораблей, научных приборов, наземных систем управления полетами, служб траекторных измерений, телеметрии, организация и снабжение орбитальных станций и др.; медико-биологические — создание бортовых систем жизнеобеспечения, компенсация неблагоприятных явлений в человеческом организме, связанных с перегрузкой, невесомостью, радиацией и др.
История космонавтики начинается с теоретических расчетов выхода человека в неземное пространство, которые дал К. Э. Циолковский в труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903 г.). Работы в области ракетной техники начаты в СССР в 1921 году. Первые запуски ракет на жидком топливе осуществлены в США в 1926 году.
Основными вехами в истории космонавтики стали запуск первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года, первый полет человека в космос 12 апреля 1961 года, лунная экспедиция в 1969 году, создание орбитальных пилотируемых станций на околоземной орбите, запуск космического корабля многоразового использования.
Работы велись параллельно в СССР и США, но в последние годы наметилось объединение усилий в области исследования космического пространства. В 1995 году осуществлен совместный проект «Мир» — «Шаттл», в котором американские корабли «Шаттл» использовались для доставки космонавтов на российскую орбитальную станцию «Мир».
Возможность изучать на орбитальных станциях космическое излучение, которое задерживается атмосферой Земли, способствует существенному прогрессу в области астрофизики.
Тема 5
Строение и эволюция звезд и планет
Строение и эволюция звезд. Солнечная система и ее происхождение. Строение и эволюция Земли
Строение и эволюция звезд
Существуют две основные концепции происхождения небесных тел. Первая основывается на небулярной модели образования Солнечной системы, выдвинутой еще французским физиком и математиком Пьером Лапласом и развитой немецким философом Иммануилом Кантом. В соответствии с нею звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем постепенного сжатия первоначальной туманности.
Принятие модели Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной существенным образом повлияло и на модели образования небесных тел и привело к гипотезе Виктора Амбарцумяна о возникновении галактик, звезд и планетных систем из сверхплотного (состоящего из самых тяжелых элементарных частиц — гиперонов) дозвездного вещества, находящегося в ядрах галактик, путем его фрагментации.
Интерпретация небесных тел определяется тем, какую из двух гипотез считают истинной. Открытие В. Амбарцумяном звездных ассоциаций, состоящих из очень молодых звезд, стремящихся убежать друг от друга, было понято им как подтверждение гипотезы образования звезд из первоначального сверхплотного вещества. Какая из двух концепций ближе к истине, решит последующее развитие естествознания.
Модель расширяющейся Вселенной встретилась с несколькими трудностями, которые способствовали прогрессу астрономии. Разлетаясь после Большого Взрыва из точки с бесконечно большой плотностью, сгустки вещества должны слегка притормаживать друг друга силами взаимного притяжения, и скорость их должна падать. Но для торможения не хватает всей массы Вселенной. Из этого возражения родилась в 1939 году гипотеза о наличии во Вселенной так называемых «черных дыр», которые невозможно увидеть, но которые хранят 9/10 массы Вселенной (т. е. столько, сколько недостает).
Что представляют собой «черные дыры»? Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для данной массы, то под действием собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Происходит гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация массы и наступает момент, когда сила тяготения на поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо было бы развить скорость большую, чем скорость света. Поэтому «черная дыра» ничего не выпускает наружу и не отражает, и стало быть ее невозможно обнаружить. В «черной дыре» пространство искривляется, а время замедляется. Если сжатие продолжается дальше, тогда на каком-то его этапе начинаются незатухающие ядерные реакции. Сжатие прекращается, а затем происходит антиколлапсионный взрыв, и «черная дыра» превращается в «белую дыру». Предположено, что «черные дыры» находятся в ядрах галактик, являясь сверхмощным источником энергии.
Все небесные тела можно разделить на испускающие энергию — звезды, и не испускающие—планеты, кометы, метеориты, космическую пыль. Энергия звезд генерируется в их недрах ядерными процессами при температурах, достигающих десятки миллионов градусов, что сопровождается выделением особых частиц огромной проницающей способности — нейтрино.
Звезды — это фабрики по производству химических элементов и источники света и жизни. Тем самым решаются сразу несколько задач. Звезды движутся вокруг центра галактики по сложным орбитам. Могут быть звезды, у которых меняются блеск и спектр — переменные звезды (Тау Кита) и нестационарные (молодые) звезды, а также звездные ассоциации, возраст которых не превышает 10 млн. лет. Возможно из них образуются сверхновые звезды, при вспышках которых происходит выделение огромного количества энергии нетеплового происхождения и образование туманностей (скоплений газов).
Существуют очень крупные звезды — красные гиганты и сверхгиганты, и нейтронные звезды, масса которых близка к массе Солнца, но радиус составляет 1/50000 от солнечного (10-20 км); они называются так, потому что состоят из огромного сгустка нейтронов).
В 1967 году были открыты пульсары — космические источники радио-, оптического, рентгеновского и гамма-излучения, приходящие на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков. У радиопульсаров (быстро вращающихся нейтронных звезд) периоды импульсов — 0,03-4 сек, у рентгеновских пульсаров (двойных звезд, где к нейтронной звезде перетекает вещество от второй, обычной звезды) периоды составляют несколько секунд и более.
К интересным небесным телам, которым часто приписывалось сверхъестественное значение, относятся кометы. Под воздействием солнечного излучения из ядра кометы выделяются газы, образующие обширную голову кометы. Воздействие солнечного излучения и солнечного ветра обусловливает образование хвоста, иногда достигающего миллионов километров в длину. Выделяемые газы уходят в космическое пространство, вследствие чего при каждом приближении к Солнцу комета теряет значительную часть своей массы. В связи с этим кометы живут относительно недолго (тысячелетия и столетия).
Небо только кажется спокойным. В нем постоянно происходят катастрофы и рождаются новые и сверхновые звезды, во время вспышек которых светимость звезды возрастает в сотни тысяч раз. Эти взрывы характеризуют галактический пульс.
В конце эволюционного цикла, когда все водородное горючее истрачено, звезда сжимается до бесконечной плотности (масса остается прежней). Обычная звезда превращается в «белого карлика» — звезду, имеющую относительно высокую поверхностную температуру (от 7000 до 30000° С) и низкую светимость, во много раз меньшую светимости Солнца.
Предполагается, что одной из стадий эволюции нейтронных звезд является образование новой и сверхновой звезды, когда она увеличивается в объеме, сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяет энергию, светя как миллиарды солнц. Затем, исчерпав ресурсы, звезда тускнеет, а на месте вспышки остается газовая туманность.
Если звезда имела сверхкрупные размеры, то в конце ее эволюции частицы и лучи, едва покинув поверхность, тут же падают обратно из-за сил гравитации, т. е. образуется «черная дыра», переходящая затем в «белую дыру».
Процесс эволюции звезд представлен на схеме:
Солнечная система и ее происхождение
Солнце — плазменный шар (плотность — 1,4 г/см3), хорошо нагретый (температура поверхности 6000°). Имеет корону, в которой находятся факелы, протуберанцы. Излучение Солнца — солнечная активность — имеет цикл 11 лет. При максимуме солнечной активности на Солнце особенно много пятен.
Источником солнечной энергии, по-видимому, являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, о чем свидетельствует наличие этих элементов в солнечной хромосфере. Первым теоретические расчеты необходимой для ядерной реакции температуры произвел Артур Эддингтон. Немецкий физик Ганс Бете (Нобелевская премия 1967 г.) рассчитал реакции термоядерного синтеза гелия из водорода на Солнце, но прямых подтверждений пока нет, так как отсутствуют данные о внутреннем строении Солнца.
Скорость движения Солнца вокруг оси галактики — 250 км/сек. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за 180 млн. лет. Ближайшие к Солнцу звезды α-Центавра и Сириус.
Возраст солнечной системы, зафиксированный по древнейшим метеоритам, около 5 млрд. лет. Общепринята гипотеза, по которой Земля и все планеты сконденсировались из космической пыли, расположенной в окрестностях Солнца. Предполагается, что частицы пыли состояли из железа с примесью никеля, либо из силикатов, в состав которых входит кремний. Газы тоже присутствовали, и они конденсировались, образуя органические соединения, в состав которых входит углерод. Затем образовались углеводороды (соединения углерода с водородом) и соединения азота.
Из гипотез происхождения солнечной системы наиболее известна электромагнитная гипотеза шведского астрофизика X. Альвена, усовершенствованная Ф. Хойлом. Альвен исходил из предположения, что некогда Солнце обладало очень сильным электромагнитным полем. Туманность, окружавшая светило, состояла из нейтральных атомов. Под действием излучений и столкновений атомы ионизировались. Ионы попадали в ловушки из магнитных силовых линий и увлекались вслед за вращающимся светилом. Постепенно Солнце теряло свой вращательный момент, передавая его газовому облаку.
Слабость предложенной гипотезы заключалась в том, что атомы наиболее легких элементов должны были ионизироваться ближе к Солнцу, атомы тяжелых элементов — дальше. Значит, ближайшие к Солнцу планеты должны были бы состоять из наилегчайших элементов — водорода и гелия, а более отдаленные — из железа и никеля. Наблюдения говорят об обратном.
Чтобы преодолеть эту трудность, английский астроном Ф. Хойл предложил новый вариант гипотезы. Солнце зародилось в недрах туманности. Оно быстро вращалось, и туманность становилась все более плоской, превращаясь в диск. Постепенно диск начинал тоже разгоняться, а Солнце тормозилось. Момент количества движения переходил к диску. Затем в нем образовались планеты. Если предположить, что первоначальная туманность уже обладала магнитным полем, то вполне могло произойти перераспределение углового момента.
Известна также гипотеза образования планет Солнечной системы из холодного газопылевого облака, окружающего Солнце, предложенная советским ученым Отто Юльевичем Шмидтом.
Солнечная система состоит из 9 планет: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, (Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона. Все планеты движутся в одном направлении, в единой плоскости (за исключением Плутона) по почти круговым орбитам. От центра до окраины Солнечной системы (до Плутона) 5,5 световых часов. Расстояние от Солнца до Земли 149 млн. км, что составляет 107 его диаметров.
Малые планеты, как и большинство спутников планет, не имеют атмосферы, так как сила тяготения на их поверхности недостаточна для удержания газов. В атмосфере Венеры преобладает углекислый газ, в атмосфере Юпитера аммиак. На Луне и Марсе имеются кратеры вулканического происхождения.
Строение и эволюция Земли
Радиус Земли 6,3 тыс. км. Масса 621 тонн. Плотность 5,5 г/см3. Скорость вращения вокруг Солнца 30 км/сек.
Земля состоит из литосферы (земной коры), протяженностью 10-80 км, мантии и ядра. В атмосфере Земли, вес которой 5 300 000 млрд. тонн, преобладает азот и кислород. Разделяется она на топосферу (до 9 —17 км) — «фабрику погоды», стратосферу (до 55 км) — «кладовую погоды», ионосферу, которая состоит из заряженных под воздействием излучений Солнца частиц, и зону рассеивания, располагающуюся на высоте 800-1000 км. Пояса радиации из частиц высоких энергий выше атмосферы предохраняют Землю от жестких космических лучей, губительных для всего живого.
Исследования показывают, что полюса на Земле менялись, и когда-то Антарктида была вечнозеленой. Вечная мерзлота образовалась 100 тыс. лет назад после великого оледенения.
В XIX веке в геологии сформировались две концепции развития Земли: 1) посредством скачков («теория катастроф» Жоржа Кювье); 2) посредством небольших, но постоянных изменений в одном и том же направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводили к огромным результатам («принцип униформизма» Чарльза Лайелля).
Успехи физики XX века способствовали существенному продвижению в познании истории Земли. В 1908 году ирландский ученый Д. Джоли сделал сенсационный доклад о геологическом значении радиоактивности: количество тепла, испущенного радиоактивными элементами, вполне достаточно, чтобы объяснить существование расплавленной магмы и извержение вулканов, а также смещение континентов и горообразование. С его точки зрения, элемент материи — атом — имеет строго определенную длительность существования и неизбежно распадается. В следующем 1909 году русский ученый В. И. Вернадский основывает геохимию — науку об истории атомов Земли и ее физико-химической эволюции.
В соответствии с современными взглядами температура ядра Земли может быть низкой, а процессы в земной коре имеют радиоактивную природу. Сначала Земля была холодной. Атомы радиоактивных элементов, распадаясь, выделяли тепло, и недра разогревались. Это повлекло за собой выделение газов и водяных паров, которые, выходя на поверхность, положили начало воздушной оболочке и океанам.
В 1915 году немецкий геофизик А. Вегенер предположил, исходя из очертаний континентов, что в карбоне (геологический период) существовал единый массив суши, названный им Пангеей (греч. «вся земля»). Пангея раскололась на Лавразию и Гондвану. 135 млн. лет назад Африка отделилась от Южной Америки, а 85 млн. лет назад Северная Америка — от Европы; 40 млн. лет назад Индийский материк столкнулся с Азией и появились Тибет и Гималаи.
Решающим аргументом в пользу принятия данной концепции стало эмпирическое обнаружение в конце 50-х годов расширения дна океанов, что послужило отправной точкой создания тектоники литосферных плит. В настоящее время считается, что континенты расходятся под влиянием глубинных конвективных течений, направленных вверх и в стороны и тянущих за собой плиты, на которых плавают континенты. Эту теорию подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепринята в геологии.
Как мы увидим в дальнейшем, Земля является фабрикой по производству (причем безотходному) сложных соединений, минералов и живых тел.
Тема 6
Релятивистская физика: теория относительности
Физика и редукционизм. Физика и наглядность. Теория относительности.
Физика и редукционизм
В этой теме мы дадим как бы моментальную фотографию современного строения мира. Поможет нам одна из наиболее древних и фундаментальных наук — физика. Физика — главная из естественных наук, поскольку в буквальном переводе с греческого слово «фюзис» означает «природа». Стало быть, физика — наука о природе. Физика всегда считалась эталоном научного знания. В каком смысле? Не в том, что она дает наиболее важное и истинное знание, а в том, что открывает истины, справедливые для всей Вселенной, о соотношении нескольких основных переменных. Ее универсальность обратно пропорциональна количеству переменных, которые она вводит в свои формулы.
Как атомы и кварки — «кирпичики» мироздания, так законы физики — «кирпичики» познания. «Кирпичиками» познания законы физики являются не только потому, что в них используются некоторые основные и универсальные переменные и постоянные, действующие во всей Вселенной, но также и потому, что в науке действует принцип редукционизма, гласящий, что все более сложные законы развития более сложных уровней реальности должны быть сводимы к законам более простых уровней.
Скажем, законы воспроизводства жизни в генетике раскрываются на молекулярном уровне как законы взаимодействия молекул ДНК и РНК. Согласованием законов различных областей материального мира занимаются специальные пограничные науки, такие, как молекулярная биология, биофизика, биохимия, геофизика, геохимия и т. д. Очень часто новые науки образуются как раз на стыках более древних дисциплин.
Относительно сферы применимости принципа редукционизма в методологии науки ведутся ожесточенные споры, но само объяснение как таковое всегда предполагает сведения объясняемого на более низкий понятийный уровень. В этом смысле наука просто подтверждает свою рациональность.
Физики утверждают, что ни одно тело во Вселенной не может не подчиняться закону всемирного тяготения, а если его поведение противоречит данному закону, значит вмешиваются другие закономерности. Самолет не падает на землю благодаря своей конструкции и двигателю. Космический корабль преодолевает земное тяготение за счет реактивного топлива и т. п. Ни самолет, ни космический корабль не отрицают закон всемирного тяготения, а используют факторы, которые нейтрализуют его действие.
Можно отрицать законы философии, религию, мистические чудеса, и это признается нормальным. Но с подозрением смотрят на человека, который отрицает законы науки, скажем, закон всемирного тяготения. В этом смысле можно сказать, что законы физики лежат в основании научного постижения действительности.
Физика и наглядность
Два обстоятельства мешают понять современную физику. Во-первых, применение сложнейшего математического аппарата, который надо предварительно изучить. А. Эйнштейн сделал удачную попытку преодолеть эту трудность, написав учебник, в котором нет ни одной формулы. Но есть другое обстоятельство, которое оказывается непреодолимым — невозможность создать наглядную модель современных физических представлений: искривленное пространство; частицу, одновременно являющуюся волной и т. д. Выход из ситуации прост — не надо и пытаться это сделать.
Прогресс физики (и науки в целом) связан с постепенным отказом от непосредственной наглядности. Как будто такой вывод должен противоречить тому, что современная наука и физика прежде всего основывается на эксперименте, т. е. эмпирическом опыте, который проходит при контролируемых человеком условиях и может быть воспроизведен в любое время любое число раз. Но все дело в том, что некоторые стороны реальности незаметны для поверхностного наблюдения и наглядность может ввести в заблуждение. Механика Аристотеля покоилась на принципе: «Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие». Он оказался соответствующим реальности просто потому, что не замечалось, что причиной остановки тела является трение. Для того, чтобы сделать правильный вывод, потребовался эксперимент, который был не реальным экспериментом, невозможным в данном случае, а экспериментом идеальным.
Такой эксперимент провел великий итальянский ученый Галилео Галилей, автор «Диалога о двух главнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой» (1632 г.). Для того, чтобы данный мысленный эксперимент стал возможным потребовалось представление об идеально гладком теле и идеально гладкой поверхности, исключающей трение. Эксперимент Галилея, позволивший сделать вывод, что если ничто не будет влиять на движение тела, оно сможет продолжаться бесконечно долго, стал основой классической механики Ньютона (вспомним три закона движения из школьной программы физики). В 1686 году Исаак Ньютон предоставил Лондонскому королевскому обществу свои «Математические начала натуральной философии», в которых сформулировал основные законы движения, закон всемирного тяготения, понятия массы, инерции, ускорения. Так благодаря мысленным экспериментам стала возможной новая механистическая картина мира.
Возможно на знаменитые мысленные эксперименты Галилея подвигло создание гелиоцентрической системы мира выдающимся польским ученым Николаем Коперником (1473-1543), ставшее еще одним примером отказа от непосредственной наглядности. Главный труд Коперника «Об обращении небесных миров» подвел итог его наблюдениям и размышлениям над этими вопросами в течение более 30 лет. Датский астроном Тихо Браге (1546-1601) ради спасения наглядности выдвинул в 1588 году гипотезу, согласно которой вокруг Солнца вращаются все планеты за исключением Земли, последняя неподвижна и вокруг нее обращаются Солнце с планетами и Луна. И только Иоганн Кеплер (1571-1630), установив три закона планетарных движений, носящих его имя (первые два - в 1609, третий—в 1618 г.) окончательно подтвердил справедливость учения Коперника.
Итак, прогресс науки Нового времени определили идеализированные представления, порывающие с непосредственной реальностью. Однако, физика XX века заставляет нас отказаться не только от непосредственной наглядности, но и от наглядности как таковой. Это препятствует представлению физической реальности, но позволяет лучше осознать справедливость слов Эйнштейна, что «физические понятия суть свободные творения человеческого разума и не однозначно определены внешним миром» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. - С. 30). «В нашем стремлении понять реальность мы отчасти подобны человеку, который хочет понять механизм закрытых часов. Он видит циферблат и движущиеся стрелки, даже слышит тиканье, но не имеет средств открыть их корпус. Если он остроумен, он может нарисовать себе некую картину механизма, которая отвечала бы всему, что он наблюдает, но он никогда не может быть вполне уверен в том, что его картина единственная, которая могла бы объяснить его наблюдения» (Там же. - С. 30).
Отказ от наглядности научных представлений является неизбежной платой за переход к исследованию более глубоких уровней реальности, не соответствующих эволюционно выработанным механизмам человеческого восприятия.
Теория относительности
Еще в классической механике был известен принцип относительности Галилея: «Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики.- С. 130). Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции, гласящему: «Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущих сил» (Там же. - С. 126).
В начале XX века выяснилось, что принцип относительности справедлив также в оптике и электродинамике, т. е. в других разделах физики. Принцип относительности расширил свое значение и теперь звучал так: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, и в такой же системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения. Или: законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета.
После того, как физики отказались от представления о существовании эфира как всеобщей среды, рухнуло и представление об эталонной системе отсчета. Все системы отсчета были признаны равнозначными, и принцип относительности стал универсальным. Относительность в теории относительности означает, что все системы отсчета одинаковы и нет какой-либо одной, имеющей преимущества перед другими (относительно которой эфир был бы неподвижен).
Переход от одной инерциальной системы к другой осуществлялся в соответствии с преобразованиями Лоренца. Однако экспериментальные данные о постоянстве скорости света привели к парадоксу, для разрешения которого понадобилось введение принципиально новых представлений.
Пояснить сказанное поможет следующий пример. Предположим, что мы плывем на корабле, движущемся прямолинейно и равномерно относительно берега. Все законы движения остаются здесь такими же, как на берегу. Общая скорость движения будет определяться суммой движения на корабле и движения самого корабля. При скоростях, далеких от скорости света, это не приводит к отклонению от законов классической механики. Но если наш корабль достигнет скорости, близкой к скорости света, то сумма скорости движения корабля и на корабле может превысить скорость света, чего на самом деле не может быть, так как в соответствии с экспериментом Майкельсона — Морли «скорость света всегда одинакова во всех системах координат, независимо от того, движется ли излучающий источник или нет, и независимо от того, как он движется» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит. соч.- С. 140).
Пытаясь преодолеть возникшие трудности, в 1904 году X. Лоренц предложил считать, что движущиеся тела сокращаются в направлении своего движения (причем коэффициент сокращения зависит от скорости тела) и что в различных системах отсчета измеряются кажущиеся промежутки времени. Но в следующем году А. Эйнштейн истолковал кажущееся время в преобразованиях Лоренца как истинное.
Как и Галилей, Эйнштейн использовал мысленный эксперимент, который получил название «поезд Эйнштейна». «Представим себе наблюдателя, едущего в поезде и измеряющего скорость света, испускаемого фонарями на обочине дороги, т. е. движущегося со скоростью С в системе отсчета, относительно которой поезд движется со скоростью V. По классической теореме сложения скоростей наблюдатель, едущий в поезде, должен был бы приписать свету, распространяющемуся в направлении движения поезда, скорость С - V.» (Пригожий И., Стенгерс И. Порядок из хаоса.- С. 87). Однако скорость света выступает как универсальная постоянная природы.
Рассматривая это противоречие, Эйнштейн предложил отказаться от представления об абсолютности и неизменности свойств пространства и времени. Данный вывод противоречит здравому смыслу и тому, что Кант называл условиями созерцания, поскольку мы не можем представить никакого пространства, кроме трехмерного, и никакого времени, кроме одномерного. Но наука совсем не обязательно должна следовать здравому смыслу и неизменным формам чувственности. Главный критерий для нее — соответствие теории и эксперимента. Теория Эйнштейна удовлетворяла этому критерию и была принята. В свое время и представления о том, что Земля круглая и движется вокруг Солнца тоже казались противоречащими здравому смыслу и наблюдению, но именно они оказались справедливыми.
Пространство и время традиционно рассматривались в философии и науке как основные формы существования материи, ответственные за расположение отдельных элементов материи друг относительно друга и за закономерную координацию сменяющих друг друга явлений. Характеристиками пространства считались однородность — одинаковость свойств во всех направлениях, и изотропность — независимость свойств от направления. Время также считалось однородным, т. е. любой процесс в принципе повторим через некоторый промежуток времени. С этими свойствами связана симметрия мира, которая имеет большое значение для его познания. Пространство рассматривалось как трехмерное, а время как одномерное и идущее в одном направлении — от прошлого к будущему. Время необратимо, но во всех физических законах от перемены знака времени на противоположный ничего не меняется и стало быть физически будущее неотличимо от прошедшего.
В истории науки известны две концепции пространства: пространство неизменное как вместилище материи (взгляд Ньютона) и пространство, свойства которого связаны со свойствами тел, находящихся в нем (взгляд Лейбница). В соответствии с теорией относительности любое тело определяет геометрию пространства.
Из специальной теории относительности следует, что длина тела (вообще расстояние между двумя материальными точками) и длительность (а также ритм) происходящих в нем процессов являются не абсолютными, а относительными величинами. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, продольные (вдоль движения) размеры тела сокращаются и события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются разновременными для другого, движущегося относительно него. «Стержень сократится до нуля, если его скорость достигнет скорости света... часы совершенно остановились бы, если бы они могли двигаться со скоростью света» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит. соч.- С. 158).
Экспериментально подтверждено, что частица (например, нуклон) может проявлять себя по отношению к медленно движущейся относительно нее частице как сферическая, а по отношению к налетающей на нее с очень большой скоростью частице — как сплющенный в направлении движения диск. Соответственно, время жизни медленно движущегося заряженного пи-мезона составляет примерно 10~8 сек, а быстро движущегося (с околосветовой скоростью) — во много раз больше. Итак, пространство и время—общие формы координации материальных явлений, а не самостоятельно существующие независимо от материи начала бытия.
Найденное Эйнштейном объединение принципа относительности Галилея с относительностью одновременности получило название принципа относительности Эйнштейна. Понятие относительности стало одним из основных в современном естествознании.
В специальной теории относительности свойства пространства и времени рассматриваются без учета гравитационных полей, которые не являются инерциальными. Общая теория относительности распространяет законы природы на все, в том числе на не-инерциальные системы. Общая теория относительности связала тяготение с электромагнетизмом и механикой. Она заменила ньютонов механистический закон всемирного тяготения на полевой закон тяготения. «Схематически мы можем сказать: переход от ньютонова закона тяготения в общей относительности до некоторой степени аналогичен переходу от теории электрических жидкостей и закона Кулона к теории Максвелла» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит. соч.- С. 196). И здесь физика перешла от вещественной к полевой теории.
Три века физика была механистической и имела дело только с веществом. Но «уравнения Максвелла описывают структуру электромагнитного поля. Ареной этих законов является все пространство, а не одни только точки, в которых находится вещество или заряды, как это имеет место для механических законов» (Там же.- С. 120). Представление о поле победило механицизм.
Уравнения Максвелла «не связывают, как это имеет место в законах Ньютона, два широко разделенных события, они не связывают события здесь с условиями там. Поле здесь и теперь зависит от поля в непосредственном соседстве в момент только что протекший» (Там же.- С. 120). Это существенно новый момент полевой картины мира. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света в пространстве и аналогичным образом действует гравитационное поле.
Массы, создающие поле тяготения, по общей теории относительности, искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с течением времени вне поля. Тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, от давления и натяжений, имеющихся в телах, от электромагнитного и всех других физических полей. Изменения гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя влияет на свойства пространства и времени.
При переходе к космическим масштабам геометрия пространства перестает быть евклидовой и изменяется от одной области к другой в зависимости от плотности масс в этих областях и их движения. В масштабах метагалактики геометрия пространства изменяется со временем вследствие расширения метагалактики. При скоростях, приближающихся к скорости света, при сильном поле пространство приходит в сингулярное состояние, т. е. сжимается в точку. Через это сжатие мегамир приходит во взаимодействие с микромиром и во многом оказывается аналогичным ему. Классическая механика остается справедливой как предельный случай при скоростях, намного меньших скорости света, и массах, намного меньших масс в мегамире.
Теория относительности показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и их движения. Время и пространство перестали рассматриваться независимо друг от друга и возникло представление о пространственно-временном четырехмерном континууме.
Теория относительности связала также массу и энергию соотношением Е=МС2, где С — скорость света. В теории относительности «два закона — закон сохранения массы и сохранения энергии — потеряли свою независимую друг от друга справедливость и оказались объединенными в единый закон, который можно назвать законом сохранения энергии или массы» (Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое.- М., 1989.- С. 69). Явление аннигиляции, при котором частица и античастица взаимно уничтожают друг друга, и другие явления физики микромира подтверждают данный вывод.
Итак, теория относительности основывается на постулатах постоянства скорости света и одинаковости законов природы во всех физических системах, а основные результаты, к которым она приходит таковы: относительность свойств пространства-времени; относительность массы и энергии; эквивалентность тяжелой и инертной масс (следствие отмеченного еще Галилеем, что все тела, независимо от их состава и массы падают в поле тяготения с одним и тем же ускорением).
До XX века были открыты законы функционирования вещества (Ньютон) и поля (Максвелл). В XX веке неоднократно предпринимались попытки создать единую теорию поля, в которой соединились бы вещественные и полевые представления, которые, однако, оказались безуспешными.
В 1967 году была выдвинута гипотеза о наличии тахионов—частиц, которые двигаются со скоростью, большей скорости света. Если эта гипотеза когда-нибудь подтвердится, то возможно, что из очень неуютного для обычного человека мира относительности, в котором постоянна только скорость света, мы снова вернемся в более привычный мир, в котором абсолютное пространство напоминает надежный дом со стенами и крышей. Но пока это только мечты, о реальной осуществимости которых можно будет говорить наверное только в III тысячелетии.
В заключении данного раздела приведем слова из книги Гейзенберга «Часть и целое» о том, что же означает понимание как таковое. «Понимать» — это, по-видимому, означает овладеть представлениями, концепциями, с помощью которых мы можем рассматривать огромное множество различных явлений в их целостной связи, иными словами, «охватить» их. Наша мысль успокаивается, когда мы узнаем, что какая-нибудь конкретная, кажущаяся запутанной ситуация есть лишь частное следствие чего-то более общего, поддающегося тем самым более простой формулировке. Сведение пестрого многообразия явлений к общему и простому первопринципу или, как сказали бы греки, «многого» к «единому», и есть как раз то самое, что мы называем «пониманием». Способность численно предсказать событие часто является следствием понимания, обладания правильными понятиями, но она непосредственно не тождественна пониманию» (Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое.- М., 1989. - С. 165).
Тема 7
Вероятностный подход: квантовая механика
Квантовая механика. Вглубь материи. Физические взаимодействия.
Квантовая механика
Квантовая механика — это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне. Ее начало совпало с началом века. М. Планк в 1900 году предположил, что свет испускается неделимыми порциями энергии — квантами, и математически представил это в виде формулы E=hv, где ν — частота света, а h — универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение. В атомную теорию вошли таким образом прерывистые физические величины, которые могут изменяться только скачками.
Последующее изучение явлений микромира привело к результатам, которые резко расходились с общепринятыми в классической физике и даже теории относительности представлениями. Классическая физика видела свою цель в описании объектов, существующих в пространстве и в формулировке законов, управляющих их изменениями во времени. Но для таких явлений, как радиоактивный распад, дифракция, испускание спектральных линий можно утверждать лишь, что имеется некоторая вероятность того, что индивидуальный объект таков и что он имеет такое-то свойство. В квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями индивидуального объекта во времени.
Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения и скоростей и зависимости этих величин от времени. В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному. Эксперимент с двумя отверстиями, через которые проходит электрон, позволяет и требует применения вероятностных представлений. Нельзя сказать, через какое отверстие пройдет данный электрон, но если их много, то можно предположить, что часть их проходит через одно отверстие, часть — через другое. Законы квантовой механики — законы статистического характера. «Мы можем предсказать, сколько приблизительно атомов (радиоактивного вещества — А. Г.) распадутся в следующие полчаса, но мы не можем сказать... почему именно эти отдельные атомы обречены на гибель» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит. соч.- С. 232).
В микромире господствует статистика, а не уравнения Максвелла или законы Ньютона. «Вместо этого мы имеем законы, управляющие изменениями во времени» (Там же.- С. 237). Статистические законы можно применить только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам. Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы. На базе квантовой механики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать ее будущий путь. Волны вероятности говорят нам о вероятности встретить электрон в том или ином месте.
В. Гейзенберг делает такой вывод: «В экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов» (Гейзенберг. Цит. соч.- С. 117).
В первой модели атома, построенной на основе экспериментального обнаружения квантования света, Н. Бор (1913 год) объяснил это явление тем, что излучение происходит при переходе электрона с одной орбиты на другую, при этом рождается квант света с энергией, равной разности энергий уровней, между которыми осуществлялся переход. Так возникает линейчатый спектр — основная особенность атомных спектров (в спектрах оказываются лишь определенные длины волн).
Важная особенность явлений микромира заключается в том, что электрон ведет себя подобно частице, когда движется во внешнем электрическом или магнитном поле, и подобно волне, когда дифрагирует, проходя сквозь кристалл. Поведение потока частиц—электронов, атомов, молекул — при встрече с препятствиями или отверстиями атомных размеров подчиняется волновым законам: наблюдаются явления дифракции, интерференции, отражения, преломления и т. п. Луи де Бройль предположил, что электрон — это волна определенной длины.
Дифракция подтверждает волновую гипотезу, отсутствие увеличения энергии выбиваемых светом частиц — квантовую. Это и получило название корпускулярно-волнового дуализма. Как же описывать процессы в микромире, если «нет никаких шансов последовательно описать световые явления, выбрав только какую-либо одну из двух возможных теорий — волновую или квантовую» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит. соч.- С. 215)?
Некоторые эффекты объясняются волновой теорией, некоторые другие — квантовой. Поэтому следует использовать разные формулы и из волновой и из квантовой теории для более полного описания процессов — таков смысл принципа дополнительности H. Бора. «Усилия Бора были направлены на то, чтобы сохранить за обоими наглядными представлениями, корпускулярным и волновым, одинаковое право на существование, причем он пытался показать, что хотя эти представления возможно исключают друг друга, однако они лишь вместе делают возможным полное описание процессов в атоме» (Гейзенберг В. Цит. соч.- С. 203).
С принципом дополнительности связано и так называемое «соотношение неопределенностей», сформулированное в 1927 году Вернером Гейзенбергом, в соответствии с которым в квантовой механике не существует состояний, в которых и местоположение, и количество движения (произведение массы на скорость) имели бы вполне определенное значение. Частица со строго определенным импульсом совершенно не локализована. Чем более определенным становится импульс, тем менее определенно ее положение.
Соотношение неопределенностей гласит, что для абсолютно точной локализации микрочастицы необходимы бесконечно большие импульсы, что физически не может быть осуществлено. Более того, современная физика элементарных частиц показывает, что при очень сильных воздействиях на частицу, она вообще не сохраняется, а происходит даже множественное рождение частиц.
В более общем плане можно сказать, что только часть относящихся к квантовой системе физических величин может иметь одновременно точные значения, остальные величины оказываются неопределенными. Поэтому во всякой квантовой системе не могут одновременно равняться нулю все физические величины.
Энергию системы также можно измерить с точностью, не превышающей определенной величины. Причина этого — во взаимодействии системы с измерительным прибором, который препятствует точному измерению энергии. Из соотношения неопределенностей вытекает, что энергии возбужденных состояний атомов, молекул, ядер не могут быть строго определенными. На этом выводе и основана гипотеза происхождения Вселенной из «возбужденного вакуума».
Значение эксперимента возросло в квантовой механике до такой степени, что, как пишет Гейзенберг, «наблюдение играет решающую роль в атомном событии, и что реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет» (Гейзенберг В. Цит. соч.- С. 24). Из данного обстоятельства, заключающегося в том, что сам измерительный прибор влияет на результаты измерения и участвует в формировании изучаемого явления, следовало, во-первых, представление об особой «физической реальности», которой присущ данный феномен, а, во-вторых, представление о субъектобъектном единстве как единстве измерительного прибора и изучаемой реальности. «Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы» (Там же. - С. 61). Человек перешел на тот уровень исследования, где его влияние оказывается неустранимым в ходе эксперимента и фиксируемым результатом является взаимодействие изучаемого объекта и измерительного прибора.
Итак, принципиально новыми моментами в исследовании микромира стали: 1) каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами; 2) вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т. е. квант света); 3) можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью; 4) прибор, исследующий реальность, влияет на нее; 5) точное измерение возможно только при потоке частиц, но не одной частицы.
По существу, относительность восторжествовала и в квантовой механике, так как ученые признали, что нельзя: 1) найти объективную истину безотносительно от измерительного прибора; 2) знать одновременно и положение и скорость частиц; 3) установить, имеем ли мы в микромире дело с частицами или волнами. Это и есть торжество относительности в физике XX века.
Вглубь материи
В химии элементом назвали субстанцию, которая не могла быть разложена или расщеплена какими угодно средствами, имевшимися в то время в распоряжении ученых: кипячением, сжиганием, растворением, смешиванием с другими веществами. Затем в физике появилось понятие атома, заимствованное у Демокрита (с греч. «неделимый»), которым была названа мельчайшая единица материи, входящая в состав химического элемента. Химический элемент состоит из одинаковых атомов.
Потом выяснилось, что сам атом состоит из элементарных частиц. В первой модели атома, предложенной Э. Резерфордом, электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца (планетарная модель атома). Установлено, что поперечник атома составляет 10-8 см, а ядра — 10-12 см. Масса протона больше массы электрона в 2000 раз. Плотность ядра 1014 г/см3. Превращение химических веществ друг в друга, о чем мечтали алхимики, возможно, но для этого нужно изменить атомное ядро, а это требует энергий в миллионы раз превосходящих те, которые имеют место при химических процессах.
В XX веке открыто огромное количество элементарных частиц и выявлены закономерности их взаимодействия. Их можно разделить на несколько групп: адроны (из них состоят ядра), лептоны (электроны, нейтрино), фотоны (кванты света без массы покоя). Фотоны и нейтрино движутся со скоростью света.
Немецкий физик П. Дирак предсказал в 1936 году существование античастиц с той же массой, что и частицы, но зарядом противоположного знака. К настоящему времени на ускорителях высоких энергий получены позитроны (античастицы электронов) и антипротоны. При столкновении частица и античастица аннигилируют с выделением фотонов — безмассовых частиц света (вещество переходит в излучение). В результате взаимодействия фотонов могут рождаться пары «частица — античастица».
Открытие все большего количества элементарных частиц подтвердило взаимопревращение вещества и энергии (предсказанное, впрочем, еще Анаксимандром), так что материя, которая прежде отождествлялась с веществом, все больше начала походить на материю как «потенцию» в смысле Аристотеля, которая нуждается в форме, чтобы стать вещественной реальностью.
Понятия «химического элемента» и «элементарной частицы» свидетельствуют о том, что и то, и другое когда-то предполагалось простым и бесструктурным. Затем ученые перестали употреблять для каждого нового уровня одно и то же слово элемент-неделимый и для следующего уровня взяли ничего конкретно не значащее слово из художественного произведения «кварк». Может так точнее и ближе к истине. Все кажется элементарным, пока не обнаружишь его составные части. Будет ли конец возможности расщепления определит только прогресс научного знания.
Теоретически предсказанные кварки, главной особенностью которых является дробный заряд, были затем экспериментально найдены. По сообщениям американских ученых в 1994 году обнаружен последний из шести разновидностей, самый тяжелый кварк.
Физические взаимодействия
Известны четыре основных физических взаимодействия, которые определяют структуру нашего мира: сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные.
I. Сильные взаимодействия имеют место между адронами (от греч. «адрос» — сильный), к которым относятся барионы (греч. «барис» — тяжелый) — это нуклоны (протоны и нейтроны) и гипероны, и мезоны. Сильные взаимодействия возможны только на больших расстояниях (радиус примерно 10-13 см.).
Одно из проявлений сильных взаимодействий — ядерные силы. Сильные взаимодействия открыты Э. Резерфордом в 1911 году одновременно с открытием атомного ядра (этими силами объясняется рассеяние α-частиц, проходящих через вещество). Согласно гипотезе Юкавы (1935 г.) сильные взаимодействия состоят в испускании промежуточной частицы — переносчика ядерных сил. Это пи-мезон, обнаруженный в 1947 году, с массой в 6 раз меньше массы нуклона, и найденные позже другие мезоны. Нуклоны окружены «облаками» мезонов.
Нуклоны могут приходить в возбужденные состояния — барионные резонансы — и обмениваться при этом иными частицами. При столкновении барионов их облака перекрываются и «возбуждаются», испуская частицы в направлении разлетающихся облаков. Из центральной области столкновения могут испускаться в различных направлениях более медленные вторичные частицы. Ядерные силы не зависят от заряда частиц. В сильных взаимодействиях величина заряда сохраняется.
II. Электромагнитное взаимодействие в 100-1000 раз слабее сильного взаимодействия. При нем происходит испускание и поглощение «частиц света» — фотонов.
III. Слабые взаимодействия слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. Радиус действия на два порядка меньше радиуса сильного взаимодействия. За счет слабого взаимодействия светит Солнце (протон превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино). Испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей способностью — оно проходит через железную плиту толщиной миллиард км. При слабых взаимодействиях меняется заряд частиц.
Слабое взаимодействие представляет собой не контактное взаимодействие, а осуществляется путем обмена промежуточными тяжелыми частицами — бозонами, аналогичными фотону. Бозон виртуален и нестабилен.
IV. Гравитационное взаимодействие во много раз слабее электромагнитного. «Спустя 100 лет после того, как Ньютон открыл закон тяготения, Кулон обнаружил такую же зависимость электрической силы от расстояния. Но закон Ньютона и закон Кулона существенно различаются в следующих двух отношениях. Гравитационное притяжение существует всегда, в то время как электрические силы существуют только в том случае, если тела обладают электрическими зарядами. В законе тяготения имеется только притяжение, а электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит. соч.- С. 65).
Одна из главных задач современной физики — создать общую теорию поля и физических взаимоотношений. Но действительное развитие науки далеко не всегда совпадает с планируемым.
Новый диалог с природой возникает и в результате изучения механизмов эволюции неживых систем в новой науке — синергетике. «Установившееся в результате ее (науки — А. Г.) успехов, ставшее для европейцев традиционным видение мира — взгляд со стороны. Человек ставит опыты, ищет объяснение их результатам, но сам себя частью изучаемой природы не считает. Он — вне ее, выше. Теперь же начинают изучать природу изнутри, учитывать и наше личное присутствие во Вселенной, принимать во внимание наши чувства и эмоции» (И. Пригожий. Краткий миг торжества.- С. 315).
Тема 8
Науки о сложных системах: кибернетика
Понятие сложной системы. Понятие обратной связи. Понятие целесообразности. Кибернетика. ЭВМ и персональные компьютеры. Модели мира
Понятие сложной системы
Теория относительности, изучающая универсальные физические закономерности, относящиеся ко всей Вселенной, и квантовая механика, изучающая законы микромира, нелегки для понимания, и тем не менее они имеют дело с системами, которые с точки зрения современного естествознания считаются простыми. Простыми в том смысле, что в них входит небольшое число переменных, и поэтому взаимоотношение между ними поддается математической обработке и выведению универсальных законов.
Однако, помимо простых, существуют сложные системы, которые состоят из большого числа переменных и стало быть большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее поддается предмет исследования достижению конечного результата — выведению закономерностей функционирования данного объекта. Трудности изучения данных систем связаны и с тем обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных свойств, т. е. свойств, которых нет у ее частей и которые являются следствием эффекта целостности системы.
Такие сложные системы изучает, например, метеорология — наука о климатических процессах. Именно потому, что метеорология изучает сложные системы, процессы образования погоды гораздо менее известны, чем гравитационные процессы, что, на первый взгляд, кажется парадоксом. Действительно, почему мы точно можем определить, в какой точке будет находиться Земля или какое-либо другое небесное тело через миллионы лет, но не можем точно предсказать погоду на завтра? Потому, что климатические процессы представляют гораздо более сложные системы, состоящие из огромного количества переменных и взаимодействий между ними…
Разделение систем на простые и сложные является фундаментальным в естествознании. Среди всех сложных систем наибольший интерес представляют системы с так называемой «обратной связью». Это еще одно важное понятие современного естествознания.
Понятие обратной связи
Если мы ударим по бильярдному шару, то он полетит в том направлении, в котором мы его направили, и с той скоростью, с которой мы хотели. Полет брошенного камня тоже соответствует нашему желанию, если ничего не препятствует этому. Сам камень совершенно индифферентен по отношению к нам. Он не сопротивляется, если только не иметь в виду закона инерции.
Совсем иным будет поведение кошки, которая активно реагирует на наше воздействие. Так вот, если поведение объекта (поведением будем называть любое изменение объекта по отношению к окружающей среде) зависит от воздействия на него, мы говорим, что в такой системе имеется обратная связь — между воздействием и ее реакцией.
Поведение системы может усиливать внешнее воздействие: это называется положительной обратной связью. Если же оно уменьшает внешнее воздействие, то это отрицательная обратная связь. Особый случай — гомеостатические обратные связи, которые действуют, чтобы свести внешнее воздействие к нулю. Пример: температура тела человека, которая остается постоянной благодаря гомеостатическим обратным связям. Таких механизмов в живом теле огромное количество. Свойство системы, остающееся без изменений в потоке событий, называется инвариантом системы.
В любом нашем движении с определенной целью участвуют механизмы обратной связи. Мы не замечаем их действия, потому что они включаются автоматически. Но иногда мы пользуемся ими сознательно. Скажем, один человек предлагает место встречи, а другой повторяет: да, мы встречаемся там-то и во столько-то. Это обратная связь, делающая договоренность более надежной. Механизм обратной связи и призван сделать систему более устойчивой, надежной и эффективной.
В широком смысле понятие обратной связи «означает, что часть выходной энергии аппарата или машины возвращается на вход... Положительная обратная связь прибавляется к входным сигналам, она не корректирует их. Термин «обратная связь» применяется также в более узком смысле для обозначения того, что поведение объекта управляется величиной ошибки в положении объекта по отношению к некоторой специфической цели» (Н. Винер. Кибернетика.- М., 1968. - С. 288). Механизм обратной связи делает систему принципиально иной, повышая степень ее внутренней организованности и давая возможность говорить о самоорганизации в данной системе. Итак, все системы можно разделить на системы с обратной связью и без таковой. Наличие механизма обратной связи позволяет заключить о том, что система преследует какие-то цели, т. е. что ее поведение целесообразно.
Понятие целесообразности
Активное поведение системы может быть случайным или целесообразным, если «действие или поведение допускает истолкование как направленное на достижение некоторой цели, т. е. некоторого конечного состояния, при котором объект вступает в определенную связь в пространстве или во времени с некоторым другим объектом или событием. Нецеленаправленным поведением является такое, которое нельзя истолковать подобным образом» (Там же. - С. 286).
Для обозначения машин с внутренне целенаправленным поведением был специально выкован термин «сервомеханизмы». Например, торпеда, снабженная механизмом поиска цели. Всякое целенаправленное поведение требует отрицательной обратной связи. Оно может быть предсказывающим или непредсказывающим. Предсказание может быть первого, второго и последующих порядков в зависимости от того, на сколько параметров распространяется предсказание. Чем их больше, тем совершеннее система.
Понятие целесообразности претерпело длительную эволюцию в истории человеческой культуры. Во времена господства мифологического мышления деятельность любых, в том числе неживых, тел могла быть признана целесообразной на основе антропоморфизма, т. е. приписывания явлениям природы причин по аналогии с деятельностью человека. Философ Аристотель в числе причин функционирования мира, наряду с материальной, формальной, действующей, назвал и целевую. Религиозное понимание целесообразности основывается на представлении о том, что Бог создал мир с определенной целью, и стало быть мир в целом целесообразен.
Научное понимание целесообразности строилось на обнаружении в изучаемых предметах объективных механизмов целеполагания. Поскольку в Новое время наука изучала простые системы, постольку она скептически относилась к понятию цели. Положение изменилось в XX веке, когда естествознание перешло к изучению сложных систем с обратной связью, так как именно в таких системах существует внутренний механизм целеполагания. Наука, которая первой начала исследование подобных систем, получила название кибернетики.
Кибернетика
Кибернетика (от греч. kybernetike - искусство управления) — это наука об управлении сложными системами с обратной связью. Она возникла на стыке математики, техники и нейрофизиологии, и ее интересовал целый класс систем, как живых, так и неживых, в которых существовал механизм обратной связи. Основателем кибернетики по праву считается американский математик Н. Винер (1894-1964), выпустивший в 1948 году книгу, которая так и называлась «Кибернетика».
Оригинальность этой науки заключается в том, что она изучает не вещественный состав систем и не их структуру (строение), а результат работы данного класса систем. В кибернетике впервые было сформулировано понятие «черного ящика» как устройства, которое выполняет определенную операцию над настоящим и прошлым входного потенциала, но для которого мы не обязательно располагаем информацией о структуре, обеспечивающей выполнение этой операции.
Системы изучаются в кибернетике по их реакциям на внешние воздействия, другими словами, по тем функциям, которые они выполняют. Наряду с субстратным (вещественным) и структурным подходом, кибернетика ввела в научный обиход функциональный подход как еще один вариант системного подхода в широком смысле слова.
Если XVII столетие и начало XVIII столетия — век часов, а конец XVII и все XIX столетие — век паровых машин, то настоящее время есть век связи и управления. В изучение этих процессов кибернетика внесла значительный вклад. Она изучает способы связи и модели управления, и в этом исследовании ей понадобилось еще одно понятие, которое было давно известным, но впервые получило фундаментальный статус в естествознании — понятие информации (от лат. informatio — ознакомление, разъяснение) как меры организованности системы в противоположность понятию энтропии как меры неорганизованности.
Чтобы яснее стало значение информации, рассмотрим деятельность идеального существа, получившего название «демон Максвелла». Идею такого существа, нарушающего второе начало термодинамики, Максвелл изложил в «Теории теплоты» вышедшей в 1871 году. «Когда частица со скоростью выше средней подходит к дверце из отделения А или частица со скоростью ниже средней подходит к дверце из отделения В, привратник открывает дверцу и частица проходит через отверстие; когда же частица со скоростью ниже средней подходит из отделения А или частица со скоростью выше средней подходит из отделения В, дверца закрывается. Таким образом, частицы большей скорости сосредоточиваются в отделении В, а в отделении А их концентрация уменьшается. Это вызывает очевидное уменьшение энтропии, и если соединить оба отделения тепловым двигателем, мы, как будто, получим вечный двигатель второго рода» (Там же. - С. 112).
Может ли действовать «демон Максвелла»? Да, если получает от приближающихся частиц информацию об их скорости и точке удара о стенку. Это и дает возможность связать информацию с энтропией. Возможно в живых системах действуют аналоги таких «демонов» (на это могут претендовать, к примеру, ферменты). Понятие информации имеет такое большое значение, что оно вошло в заглавие нового научного направления, возникшего на базе кибернетики — информатики (название произошло из соединения слов информация и математика).
Кибернетика выявляет зависимости между информацией и другими характеристиками систем. Работа «демона Максвелла» позволяет установить обратно пропорциональную зависимость между информацией и энтропией. С повышением энтропии уменьшается информация (поскольку все усредняется) и наоборот, понижение энтропии увеличивает информацию. Связь информации с энтропией свидетельствует и о связи информации с энергией.
Энергия (от греч. energeia — деятельность) характеризует общую меру различных видов движения и взаимодействия в формах: механической, тепловой, электромагнитной, химической, гравитационной, ядерной. Информация характеризует меру разнообразия систем. Эти два фундаментальных параметра системы (наравне с ее вещественным составом) относительно обособлены друг от друга. Точность сигнала, передающего информацию, не зависит от количества энергии, которая используется для передачи сигнала. Тем не менее энергия и информация связаны между собой. Винер приводит такой пример: « Кровь, оттекающая от мозга, на долю градуса теплее, чем кровь, притекающая к нему» (Там же.- С. 201).
Информация растет с повышением разнообразия системы, но на этом ее связь с разнообразием не кончается. Одним из основных законов кибернетики является закон «необходимого разнообразия». В соответствии с ним эффективное управление какой-либо системой возможно только в том случае, когда разнообразие управляющей системы больше разнообразия управляемой системы. Учитывая связь между разнообразием и управлением, можно сказать, что чем больше мы имеем информации о системе, которой собираемся управлять, тем эффективнее будет этот процесс.
Общее значение кибернетики обозначается в следующих направлениях:
1. Философское значение, поскольку кибернетика дает новое представление о мире, основанное на роли связи, управления, информации, организованности, обратной связи, целесообразности, вероятности.
2. Социальное значение, поскольку кибернетика дает новое представление об обществе как организованном целом. О пользе кибернетики для изучения общества немало было сказано уже в момент возникновения этой науки.
3. Общенаучное значение в трех смыслах: во-первых, потому что кибернетика дает общенаучные понятия, которые оказываются важными в других областях науки — понятия управления, сложно-динамической системы и т. п.; во-вторых, потому что дает науке новые методы исследования: вероятностные, стохастические, моделирования на ЭВМ и т. д.; в-третьих, потому что на основе функционального подхода «сигнал — отклик» кибернетика формирует гипотезы о внутреннем составе и строении систем, которые затем могут быть проверены в процессе содержательного исследования. Например, в кибернетике выработано правило (впервые для технических систем), в соответствии с которым для того, чтобы найти ошибку в работе системы, необходима проверка работы трех одинаковых систем. По работе двух находят ошибку в третьей. Возможно так действует и мозг.
4. Методологическое значение кибернетики определяется тем обстоятельством, что изучение функционирования более простых технических систем используется для выдвижения гипотез о механизме работы качественно более сложных систем (живых организмов, мышления человека) с целью познания происходящих в них процессов — воспроизводства жизни, обучения и т. п. Подобное кибернетическое моделирование особенно важно в настоящее время во многих областях науки, поскольку отсутствуют математические теории процессов, протекающих в сложных системах и приходится ограничиваться их простыми моделями.
5. Наиболее известно техническое значение кибернетики — создание на основе кибернетических принципов электронно-вычислительных машин, роботов, персональных компьютеров, породившее тенденцию кибернетизации и информатизации не только научного познания, но и всех сфер жизни.
ЭВМ и персональные компьютеры
Точно так же, как разнообразные машины и механизмы облегчают физический труд людей, ЭВМ и персональные компьютеры облегчают его умственный труд, заменяя человеческий мозг в его наиболее простых и рутинных функциях. ЭВМ действуют по принципу «да-нет», и этого оказалось достаточно для того, чтобы создать вычислительные машины, хотя и уступающие человеческому мозгу в гибкости, но превосходящие его по быстроте выполнения вычислительных операций. Аналогия между ЭВМ и мозгом человека дополняется тем, что ЭВМ как бы выполняет роль центральной нервной системы для устройств автоматического управления.
Введенное чуть позже в кибернетике понятие самообучающихся машин аналогично воспроизводству живых систем. И то, и другое есть созидание себя (в себе и в другом), возможное в отношении машин, как и живых систем. Обучение онтогенетически есть то же, что и самовоспроизводство филогенетически.
Как бы не протекал процесс воспроизводства, «это — динамический процесс, включающий какие-то силы или их эквиваленты. Один из возможных способов представления этих сил состоит в том, чтобы поместить активный носитель специфики молекулы в частотном строении ее молекулярного излучения, значительная часть которого лежит, по-видимому, в области инфракрасных электромагнитных частот или даже ниже. Может оказаться, что специфические вещества вируса при некоторых обстоятельствах излучают инфракрасные колебания, которые обладают способностью содействовать формированию других молекул вируса из неопределенной магмы аминокислот и нуклеиновых кислот. Вполне возможно, что такое явление позволительно рассматривать как некоторое притягательное взаимодействие частот» (Там же.- С. 281-282).
Такова гипотеза воспроизводства Винера, которая позволяет предложить единый механизм самовоспроизводства для живых и неживых систем.
Современные ЭВМ значительно превосходят те, которые появились на заре кибернетики. Еще 10 лет назад специалисты сомневались, что шахматный компьютер когда-нибудь сможет обыграть приличного шахматиста, но теперь он почти на равных сражается с чемпионом мира. То, что машина чуть было не выиграла у Каспарова за счет громадной скорости перебора вариантов (100 млн. в сек. против двух у человека) остро ставит вопрос не только о возможностях ЭВМ, но и о том, что такое человеческий разум.
Предполагалось два десятилетия назад, что ЭВМ будут с годами все более мощными и массивными, но вопреки прогнозам крупнейших ученых, были созданы персональные компьютеры, которые стали повсеместным атрибутом нашей жизни. В перспективе нас ждет всеобщая компьютеризация и создание человекоподобных роботов.
Надо, впрочем, иметь в виду, что человек не только логически мыслящее существо, но и творческое, и эта способность — результат всей предшествующей эволюции. Если же будут построены не просто человекоподобные роботы, но и превосходящие его по уму, то это повод не только для радости, но и для беспокойства, связанного как с роботизацией самого человека, так и с проблемой возможного
«бунта машин», выхода их из-под контроля людей и даже порабощения ими человека. Конечно, в ХХ веке это не более, чем далекая от реальности фантастика.
Модели мира
Благодаря кибернетике и созданию ЭВМ одним из основных способов познания, наравне с наблюдением и экспериментом, стал метод моделирования. Применяемые модели становятся все более масштабными: от моделей функционирования предприятия и экономической отрасли до комплексных моделей управления биогеоценозами, эколого-экономических моделей рационального природопользования в пределах целых регионов, до глобальных моделей.
В 1972 году на основе метода «системной динамики» Дж. Форрестера были построены первые так называемые «модели мира», нацеленные на выработку сценариев развития всего человечества в его взаимоотношениях с биосферой. Их недостатки заключались в чрезмерно высокой степени обобщения переменных, характеризующих процессы, протекающие в мире; отсутствии данных об особенностях и традициях различных культур и т. д. Однако, это оказалось очень многообещающим направлением. Постепенно указанные недостатки преодолевались в процессе создания последующих глобальных моделей, которые принимали все более конструктивный характер, ориентируясь на рассмотрение вопросов улучшения существующего эколого-экономического положения на планете.
М. Месаровичем и Э. Пестелем были построены глобальные модели на основе теории иерархических систем, а В. Леонтьевым — на основе разработанного им в экономике метода «затраты — выпуск». Дальнейший прогресс в глобальном моделировании ожидается на путях построения моделей, все более адекватных реальности, сочетающих в себе глобальный, региональные и локальные моменты.
Споры относительно эффективности применения кибернетических моделей в глобальных исследованиях не умолкают и поныне. Создатель метода системной динамики Дж. Форрестер выдвинул так называемый «контринтуитивный принцип», в соответствии с которым сложные системы функционируют таким образом, что это принципиально противоречит человеческой интуиции, и таким образом машины могут дать более точный прогноз их поведения, чем человек. Другие исследователи считают, что «контринтуитивное поведение» свойственно тем системам, которые находятся в критической ситуации.
Трудности формализации многих важных данных, необходимых для построения глобальных моделей, а также ряд других моментов свидетельствуют о том, что значение машинного моделирования не следует абсолютизировать. Моделирование может принести наибольшую пользу в том случае, если будет сочетаться с другими видами исследований.
Простираясь на изучение все более сложных систем метод моделирования становится необходимым средством как познания, так и преобразования действительности. В настоящее время можно говорить как об одной из основных о преобразовательной функции моделирования, выполняя которую оно вносит прямой вклад в оптимизацию сложных систем. Преобразовательная функция моделирования способствует уточнению целей и средств реконструкции реальности. Свойственная моделированию трансляционная функция способствует синтезу знаний — задаче, имеющей первостепенное значение на современном этапе изучения мира.
Прогресс в области моделирования следует ожидать не на пути противопоставления одних типов моделей другим, а на основе их синтеза. Универсальный характер моделирования на ЭВМ дает возможность синтеза самых разнообразных знаний, а свойственный моделированию на ЭВМ функциональный подход служит целям управления сложными системами.
Тема 9
Науки о сложных системах: синергетика
Сложные системы в химии. Неравновесные системы. Эволюция и ее особенности. От термодинамики закрытых систем к синергетике. Гипотеза рождения материи
Сложные системы в химии
На химию в XX веке возлагалось много надежд, вплоть до провозглашения в СССР лозунга: «Коммунизм — это советская власть плюс электрификация всей страны и химизация народного хозяйства». Повышение урожайности сельскохозяйственных культур благодаря применению минеральных удобрений и ядохимикатов дало возможность говорить о «зеленой революции», но это же привело к загрязнению почв и самих производимых продуктов, так что в большей цене оказались продукты, выращенные «без химии». В промышленности новые химические вещества дали возможность существенно обогатить производственный потенциал, но и это повлекло за собой отрицательные экологические последствия, так как большинство новых химических веществ не усваивалось природной средой и таким образом тоже становилось ее загрязнителями. Химия нашла широкое применение в быту, в частности, в косметике (появилось выражение «сделать химию»), что также имело свою обратную экологическую сторону.
Но в данном разделе нас интересует то, как химия со своей стороны подошла к изучению сложных систем. Выдающимся достижением химии явилось то, что она открыла так называемые цепные реакции еще до того, как в физике был обнаружен радиоактивный распад.
Суть цепной реакции H. H. Семенов описывает так: «Энергии кванта достаточно для того, чтобы двухатомная молекула хлора распалась на отдельные атомы. Каждый из них активнее первоначальной молекулы и потому легко вступает в реакцию с молекулой водорода. Она также двухатомна. Один из ее атомов вместе с атомом хлора дает молекулу продукта — хлористого водорода, а другой атом водорода остается свободен. Теперь он легко вступает в реакцию с ближайшей молекулой хлора, образуя вторую молекулу хлористого водорода и отдельный атом хлора... Это повторяется много-много раз, возникает как бы длинная цепь реакций» (И. Пригожин. Краткий миг торжества.- М., 1989. - С. 13).
Советскому ученому H. H. Семенову предстояло открыть разветвленные цепные реакции. «Я уже сейчас не помню хорошо, когда у меня мелькнула догадка, что реакция окисления фосфора отличается от реакции хлора с водородом... Не помню, как мне пришла в голову главная мысль, что в ходе этой реакции образуются не обычные молекулы пятиокиси фосфора, а молекулы возбужденные — имеющие избыточную энергию, что и является причиной испускания света при соединении фосфора с кислородом. Но иногда возбужденная молекула пятиокиси фосфора может столкнуться с неактивной молекулой кислорода, еще не успев испустить свет. Тогда эта избыточная энергия вызывает расщепление кислородной молекулы на активные атомы, каждый из которых, в свою очередь, начинает боден-штейновскую прямую цепь реакции окисления фосфорных паров» (Там же. - С. 13-14).
Теория разветвленных цепных реакций дала начало новому направлению исследований — химической физике, дисциплине, промежуточной между физикой и химией.
Неравновесные системы
В химии были также открыты колебательные реакции, получившие название «химических часов». «Ведь, что, в самом деле, происходит? Основа колебательной реакции — наличие двух типов молекул, способных превращаться друг в друга. Назовем один из них А (красные молекулы), другой — В (синие). Мы привыкли думать, что химическая реакция — это хаотические, происходящие наобум столкновения частиц. По этой логике взаимные превращения А и В должны приводить к усредненному цвету раствора со случайными вспышками красного и синего. Но когда условия далеки от равновесных, происходит совершенно иное: раствор в целом становится красным, потом синим, потом снова красным. Получается, будто молекулы как бы устанавливают связь между собой на больших, макроскопических расстояниях через большие, макроскопические отрезки времени. Появляется нечто похожее на сигнал, по которому все А или все В реагируют разом... Такое поведение традиционно приписывалось только живому — теперь же ясно, что оно возможно и у систем сравнительно простых, неживых» (Там же. - С. 313-314).
Отличия неравновесной структуры от равновесной заключается в следующем:
1. Система реагирует на внешние условия (гравитационное поле и т. п.).
2. Поведение случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от предыстории,
3. Приток энергии создает в системе порядок, и стало быть энтропия ее уменьшается.
4. Наличие бифуркации — переломной точки в развитии системы.
5. Когерентность: система ведет себя как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил (такая гипотеза присутствует в физике). Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими (действуют на расстояниях порядка 10-8 см), система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом.
Различают также области равновесности и неравновесности, в которых может пребывать система. Ее поведение при этом существенно меняется, что можно представить в таблице:
|
Неравновесная область |
Равновесная область |
|
1. Система «адаптируется» к внешним условиям, изменяя свою структуру. |
1 . Для перехода из одной структуры, к другой требуются сильные возмущения или изменения граничных условий. |
|
2. Множественность стационарных состояний. |
2. Одно стационарное состояние. |
|
3. Чувствительность к флуктуациям (небольшие влияния приводят к большим последствиям, внутренние флуктуации становятся большими). |
3. Нечувствительность к флуктуациям. |
|
4 . Неравновесностъ — источник порядка (все части действуют согласованно) и сложности. |
4. Молекулы ведут себя независимо друг от друга. |
|
5. Фундаментальная неопределенность поведения системы. |
5. Поведение системы, определяют линейные зависимости. |
Будучи предоставлена самой себе, при отсутствии доступа энергии извне, система стремится к состоянию равновесия — наиболее вероятному состоянию, достигаемому при энтропии, равной нулю. Пример равновесной структуры — кристалл.
К такому равновесному состоянию в соответствии со вторым началом термодинамики приходят все закрытые системы, т. е. системы, не получающие энергии извне. Противоположные по типу системы носят название открытых.
Изучение неравновесных состояний позволяет прийти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе от хаоса к порядку.
Эволюция и ее особенности
Понятие хаоса в противоположность понятию космоса было известно древним грекам. Пригожий и Стенгерс называют хаотическими все системы, которые приводят к несводимому представлению в терминах вероятностей. Другими словами, такие системы нельзя описать однозначно детерминистично, т. е. зная состояние системы в данный момент, точно предсказать, что с ней будет в момент следующий.
«Экстраполяция динамического описания... имеет наглядный образ — демон, вымышленный Лапласом и обладающий способностью, восприняв в любой данный момент времени положение и скорость каждой частицы во Вселенной, прозревать ее эволюцию как в будущем, так и в прошлом... В контексте классической динамики детерминистическое описание может быть недостижимым на практике, тем не менее оно остается пределом, к которому должна сходиться последовательность все более точных описаний» (И. Пригожий, И. Стенгерс. Порядок из хаоса.- М., 1986.- С. 124).
Хаотическое поведение непредсказуемо в принципе. Необратимость, вероятность и случайность становятся объективными свойствами хаотических систем на макроуровне, а не только на микроуровне, как было установлено в квантовой механике.
«Модели, рассмотрением которых занималась классическая физика, соответствуют, как мы сейчас понимаем, лишь предельным ситуациям. Их можно создать искусственно, поместив систему в ящик и подождав, пока она не придет в состояние равновесия. Искусственное может быть детерминированным и обратимым. Естественное же непременно содержит элементы случайности и необратимости... Материя — более не пассивная субстанция, описываемая в рамках механистической картины мира, ей также свойственна спонтанная активность » (Там же. - С. 50)
«Если устойчивые системы ассоциируются с понятием детерминистичного, симметричного времени, то неустойчивые хаотические системы ассоциируются с понятием вероятностного времени, подразумевающего нарушение симметрии между прошлым и будущим» (И. Пригожин, И. Стенгерс. Время, хаос, квант. - М., 1994. - С. 255-256), т. е. «стрелу времени». «Будущее при нашем подходе перестает быть данным; оно не заложено более в настоящем. Это означает конец классического идеала всеведения. Мир процессов, в котором мы живем и который является частью нас, не может более отвергаться как видимость или иллюзия, определяемая нашим ограниченным способом наблюдения. На заре западного мира Аристотель ввел фундаментальное различие между божественным и вечным небесным миром и изменяющимся и непредсказуемым подлунным миром, к которому принадлежит и наша Земля. В определенном смысле классическая наука была низведением на Землю аристотелевского описания небес. Преобразование, свидетелями которого мы являемся сегодня, можно рассматривать как обращение аристотелевского хода; ныне мы возвращаемся с Земли на небо» (Там же.- С. 20).
Эволюция должна удовлетворять трем требованиям: 1) необратимость, выражающаяся в нарушении симметрии между прошлым и будущим; 2) необходимость введения понятия «событие»; 3) некоторые события должны обладать способностью изменять ход эволюции.
Условия формирования новых структур: 1) открытость системы; 2) ее нахождение вдали от равновесия; 3) наличие флуктуации.
Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуации, угрожающих ее устойчивости. Но в сложных системах существуют связи между различными частями. От исхода конкуренции между устойчивостью, обеспечивающейся связью, и неустойчивостью из-за флуктуации, зависит порог устойчивости системы.
Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации. В ней система становится неустойчивой относительно флуктуации и может перейти к новой области устойчивости, т. е. к образованию нового вещества. Система как бы колеблется перед выбором одного из нескольких путей эволюции. Небольшая флуктуация может послужить в этой точке началом эволюции в совершенно новом направлении, который резко изменит все ее поведение. Это и есть событие.
В точке бифуркации случайность подталкивает то, что остается от системы, на новый путь развития, а после того, как один из многих возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерминизм — и так до следующей точки бифуркации. В судьбе системы случайность и необходимость взаимно дополняют друг друга.
По мнению Пригожина и Стенгерс, большинство систем открыты — они обмениваются энергией или веществом или информацией с окружающей средой. Главенствующую роль в окружающем мире играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность, т. е. все системы непрестанно флуктуируют. В особой точки бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается, и принципиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности, который они назвали диссипативной структурой. Новые структуры называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят.
Диссипативные структуры существуют лишь постольку, поскольку система диссипирует (рассеивает) энергию и, следовательно, производит энтропию. Из энергии возникает порядок с увеличением общей энтропии. Таким образом, энтропия — не просто безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой бы то ни было организации (как думали сторонники «тепловой смерти» Вселенной), а при определенных условиях становится прародительницей порядка.
С одними и теми же граничными условиями оказываются совместимыми множество различных диссипативных структур. Это — следствие нелинейного характера сильно неравновесных ситуаций. Малые различия могут привести к крупномасштабным последствиям. Следовательно, граничные условия необходимы, но не достаточны для объяснения причин возникновения структуры. Необходимо также учитывать реальные процессы, приводящие к «выбору» одной из возможных структур. Именно поэтому (а также в силу некоторых других причин) мы и приписываем таким системам определенную «автономию», или «самоорганизацию».
Исследования, о которых только что говорилось, проводятся в рамках науки, получившей название синергетики.
От термодинамики закрытых систем к синергетике
Классическая термодинамика XIX века изучала механическое действие теплоты, причем предметом ее исследований были закрытые системы, стремящиеся к состоянию равновесия. Термодинамика XX века изучает открытые системы в состояниях, далеких от равновесия. Это направление и получило название синергетики (от «синергия» — сотрудничество, совместное действие).
Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к пониманию творения как создания нового. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердив тем самым выводы механики для микроскопического уровня. Синергетика подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. Она пытается ответить на вопрос, как образовались все те макросистемы, в которых мы живем.
С точки зрения синергетики, энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь из кинетической в потенциальную. Вещество — это застывшая энергия. Энергия — понятие, характеризующее способность производить работу, но энергия сейчас может пониматься не только в смысле механической работы, но и как созидатель новых структур.
Энтропия — это форма выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия — творец, энтропия — мера творчества. Она характеризует результат.
Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой (эволюция, как и жизнь, требует метаболизма). Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы. Синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия творит более высокие уровни организации. Перефразируя Архимеда, можно сказать: «Дайте мне энергию, и я создам мир».
Гипотеза рождения материи
Новая наука, которая сначала называлась термодинамикой открытых систем, а затем получила название синергетика, изменила представление о мире. Мы говорили о моделях Вселенной и могли понимать, что Вселенная появилась после того, как некое существо нажало на кнопку. Физика XX века сначала изменила отношение к тому, что считать материей и как она соотносится с пространством и временем, а в конце XX века по-новому взглянула на процесс развития. Развитие понимается в синергетике как процесс становления качественно нового, того, что еще не существовало в природе и предсказать которое невозможно.
На пороге XXI века наука подошла к тому, чем всегда занималась мифология — к вопросу о происхождении мира и материи. Кибернетика решает проблему рождения разума, синергетика — проблему рождения материи. Механизм, который ею предлагается, — это спонтанная флуктуация, событие в точке бифуркации, экспоненциальный процесс до определенного момента.
Дуализм ньютоновской Вселенной (с одной стороны, пространство-время, с другой — материя) сменился эквивалентностью пространства-времени и материи в уравнениях Эйнштейна. «Предлагаемая нами модификация уравнений Эйнштейна, учитывающая рождение материи, выражает «неэквивалентность» материи и пространства-времени. В нашем варианте уравнения Эйнштейна устанавливают взаимосвязь не только между пространством-временем и материей, но и энтропией. Вводимый нами космологический механизм приводит к необратимому «разделению фаз» между материей и гравитацией. В первоначальном вакууме они смешаны, в существующей ныне Вселенной мы наблюдаем материю, переносчик гравитации, «плавающей» в пространстве-времени. Фундаментальная двойственность нашей Вселенной представляется нам сегодня результатом первичного всплеска энтропии» (И. Пригожий, И. Стенгерс. Время, хаос, квант...- С. 238). Причиной всплеска энтропии может быть распад чего-то высокоорганизованного, что заставляет вспомнить стоиков, Плотина и «Веды».
Основным понятием предстает понятие неустойчивости. Если что-то есть, то устойчивость невозможна. Возникает спонтанная флуктуация. Так из хаоса (неустойчивости) рождается космос. При спонтанной флуктуации поля начинается самопроизвольный процесс порождения частиц вплоть до какого-то момента, когда он прекращается. Частицы порождаются энергией по модели, сформулированной в синергетике.
Первые частицы, которые появились, были нестабильными элементарными частицами без массы покоя и с кратчайшим временем существования. Затем они превратились в стабильные, существующие поныне. Нестабильные частицы Пригожий отождествляет с черными мини-дырами, которые распадаются на обычную материю и излучение.
«Существует некоторая аналогия с переохлажденной жидкостью и пороге перехода в кристаллическое состояние. Мы можем наблюдать в переохлажденной жидкости флуктуации, приводящие к образованию крохотных кристаллов, которые то появляются, то снова растворяются. Но если образуется крупный кристалл, то происходит необратимое событие: кристаллизация всей жидкости... Аналогично, очень малая вероятность критической функции в вакууме Минковского указывает на то, что стрела времени уже существует в нем в латентной, потенциальной форме, но проявляется, только когда неустойчивость приводит к рождению Вселенной. В этом смысле время предшествует существованию Вселенной» (там же, с. 238).
В модели Пригожина имеет место производство энтропии, пропорциональное скорости рождения частиц. И преобразование пространства-времени производит энтропию. Причем сначала возникает пространство-время, а затем оно производит частицы, поскольку процесс производства пространства-времени из материи невозможен. Итак, последовательность рождения материи из вакуума: спонтанная флуктуация → точка бифуркации → черные мини-дыры → пространство-время → частицы,
Квантовый вакуум отличается от ничто тем, что имеет универсальные постоянные, которые могут служить аналогом всеединства. Тут вспоминаются и Абсолютная Идея Гегеля, и «мир идей», и «пустота» буддистов. Философских аналогов очень много.
Модель рождения материи Пригожина принадлежит к классу неустойчивых вероятностных систем. Конец рождения материи связан с временем жизни черных мини-дыр. Высшая цель данной «игрушечной модели» — построение «дарвиновской теории» элементарных частиц.
Какова судьба Вселенной, исходя из данной гипотезы? «Стандартная модель предсказывает, что в конце концов наша Вселенная обречена на смерть либо в результате непрерывного расширения (тепловая смерть), либо в результате последующего сжатия («страшный треск»). Для Вселенной, родившейся под знаком неустойчивости из вакуума Минковского, это уже не так. Ничто не мешает нам предположить возможность повторных неустойчивостей» (Там же.- С. 244-245). Размеры Вселенной растут в модели Пригожина по экспоненте как следствие неустойчивости вакуума. В результате расширения Вселенной при нерождении материи Вселенная приближается к первоначальному состоянию вакуума. Потом возможна новая флуктуация.
«Эйнштейновская космология стала венцом достижений классического подхода к познаваемости... В стандартной модели материя задана: она эволюционирует только в соответствии с фазами расширения Вселенной. Но, как мы видели, неустойчивость возникает, стоит нам только учесть проблему рождения материи. Таким образом, особая точка Большого Взрыва заменяется рождением материи и кривизны пространства-времени. Эйнштейновское пространство-время, соответствующее искривленной Вселенной, при нашем подходе возникает как следствие необратимых процессов. Стрела времени становится принципиально важным элементом, лежащим в основе самих определений материи и пространства-времени. Однако наша модель не соответствует рождению стрелы времени из «ничего». Космологическая стрела времени уже предполагается неустойчивостью квантового вакуума» (Там же.- С. 257-258).
Наконец, еще один вопрос: можно ли создать единую теорию физики, или, как ее называют еще, «теорию всего». «Если такая универсальная теория когда-нибудь будет сформулирована, она должна будет включать в себя динамическую неустойчивость и таким образом учитывать нарушение симметрии во времени, необратимость и вероятность. И тогда надежду на построение такой «теории всего», из которой можно было бы вывести полное описание физической реальности, придется оставить» (там же, с. 245). Другими словами, нет знания, которое овладело бы универсальным ключом ко всем без исключения явлениям природы.
Тема 10
Происхождение и эволюция жизни
Отличие живого от неживого. Концепция возникновения жизни. Вещественная основа жизни. Земля в период возникновения жизни. Начало жизни на Земле. Эволюция форм жизни
Одним из наиболее трудных и в то же время интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Он труден потому, что, когда наука подходит к проблемам развития как создания качественно нового, она оказывается у предела своих возможностей как отрасли культуры, основанной на доказательстве и экспериментальной проверке утверждений.
Ученые сегодня не в состоянии воспроизвести процесс возникновения жизни с такой же точностью, как это было несколько миллиардов лет назад. Даже наиболее тщательно поставленный опыт будет лишь модельным экспериментом, лишенным ряда факторов, сопровождавших появление живого на Земле. Трудность методологическая — в невозможности проведения прямого эксперимента по возникновению жизни (уникальность этого процесса препятствует использованию основного научного метода).
Вопрос о происхождении жизни интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой отличия живого от неживого, а также связью с проблемой эволюции жизни. В чем сущность живого? Как и насколько механизмы эволюции действовали при зарождении жизни?
Отличие живого от неживого
Итак, что такое живое и чем оно отличается от неживого. Есть несколько фундаментальных отличий в вещественном, структурном и функциональном планах. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядочные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, — белки и нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от неживого клеточным строением. В функциональном плане для живых тел характерно воспроизводство самих себя. Устойчивость и воспроизведение есть и в неживых системах. Но в живых телах имеет место процесс самовоспроизведения. Не что-то воспроизводит их, а они сами. Это принципиально новый момент.
Также живые тела отличаются от неживых наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т. д. Неотъемлемым свойством живого является деятельность, активность. «Все живые существа должны или действовать, или погибнуть. Мышь должна находиться в постоянном движении, птица летать, рыба плавать и даже растение должно расти» (Селье Г. От мечты к·открытию.- М., 1987. - С. 32).
Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются как бы переходные формы от нежизни к жизни. Так, например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки организма-хозяина и используя его ферментные системы. В зависимости от того, какой признак мы считаем самым важным, мы относим вирусы к живым системам или нет.
Концепции возникновения жизни
Существует пять концепций возникновения жизни: 1) креационизм — божественное сотворение живого; 2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества (ее придерживался еще Аристотель, который считал, что живое может возникать и в результате разложения почвы); 3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда; 4) концепция панспермии — внеземного происхождения жизни; 5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.
Первая концепция является религиозной и к науке прямого отношения не имеет. Вторую опроверг изучавший деятельность бактерий французский микробиолог XIX века — Луи Пастер (знакомый нам по слову пастеризация). Третья из-за своей оригинальности и умозрительности всегда имела немного сторонников.
К началу XX в. в науке господствовали две последние концепции. Концепция панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне, опиралась на обнаружение при изучении метеоритов и комет «предшественников живого» — органических соединений, которые возможно сыграли роль «семян».
У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом два варианта. Согласно одному, происхождение жизни — результат случайного образования единичной «живой молекулы», в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Французский биолог Ж. Моно пишет, что «жизнь не следует из законов физики, но совместима с ними. Жизнь — событие, исключительность которого необходимо сознавать». Согласно другой точке зрения, происхождение жизни — результат закономерной эволюции материи.
Вещественная основа жизни
XX век привел к созданию первых научных моделей происхождения жизни. В 1924 году в книге Александра Ивановича Опарина «Происхождение жизни» была впервые сформулирована естественнонаучная концепция, согласно которой возникновение жизни — результат длительной эволюции на Земле — сначала химической, затем биохимической. Эта концепция получила наибольшее признание в научной среде.
Можно выделить следующие этапы живых систем, начиная с самых простейших и затем следуя по пути постепенного усложнения. В вещественном плане для становления жизни нужен прежде всего углерод. Жизнь на Земле основана на этом элементе, хотя в принципе можно предположить существование жизни и на кремниевой основе. Возможно где-то во Вселенной существует и «кремниевая цивилизация», но на Земле основой жизни является углерод.
Чем это обусловлено? Атомы углерода вырабатываются в недрах больших звезд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод способен создавать разнообразные (несколько десятков миллионов), подвижные, низкоэлектропроводные, студенистые, насыщенные водой, длинные скрученные цепеобразные структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой, железом обладают замечательными каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами.
Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к «кирпичикам» живого. Клетка состоит на 70% из кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота. Все кирпичики живого принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде.
По радиоастрономическим данным органические вещества возникали не только до появления жизни, ни и до формирования нашей планеты. Следовательно, органические вещества абиогенного происхождения присутствовали на Земле уже при ее образовании.
При образовании Земли из космической пыли (частиц железа и силикатов — веществ, в состав которых входит кремний) и газа весьма вероятно, что на внешних участках Солнечной системы газы могли конденсироваться. Органические соединения могли синтезироваться и на поверхности пылинок.
Химические и палеонтологические исследования древнейших докембрийских отложений и особенно многочисленные модельные эксперименты, воспроизводящие условия, которые господствовали на поверхности первобытной Земли, позволяют понять, как в этих условиях происходило образование все более сложных органических веществ.
Жизнь возможна только при определенных физических и химических условиях (температура, присутствие воды, солей и т. д.). Прекращение жизненных процессов, например, при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов, не ведет к потере жизнеспособности. Если структура сохраняется неповрежденной, она при возвращении к нормальным условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.
Также и для возникновения жизни нужны определенные диапазоны температуры, влажности, давления, уровня радиации, определенная направленность развития Вселенной и время. Взаимное удаление галактик приводит к тому, что их электромагнитное излучение приходит к нам сильно ослабленным. Если бы галактики сближались, то плотность радиации во Вселенной была бы столь велика, что жизнь не могла бы существовать. Углерод синтезирован в звездах-гигантах несколько миллиардов лет назад. Если бы возраст Вселенной был меньше, то жизнь также не могла бы возникнуть. Планеты должны иметь определенную массу для того, чтобы удержать атмосферу.
Земля в период возникновения жизни
Наша планета — «золотая середина» в Солнечной системе, которая наиболее подходит для зарождения жизни. Возраст Земли около 5 млрд. лет. Температура поверхности в начальный период была 4000-8000°С и по мере того как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору. Атмосфера была совершенно иной. Легкие газы — водород, гелий, азот, кислород—уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие эти элементы, удерживались.
Первичная атмосфера содержала водород и соединения углерода (метан) и азота (аммиак). Отсутствие в атмосфере кислорода было вероятно необходимым условием возникновения жизни: лабораторные опыты показывают, что органические вещества гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом. О том, что атмосфера была именно такой, свидетельствуют самые древние горные породы на Земле.
Существуют разные точки зрения на проблему жизни на Земле. По мнению В. И. Вернадского жизнь появилась одновременно с образованием Земли. А. И. Опарин считал, что периоду развития жизни предшествовал длительный период химической эволюции Земли, во время которого (3-5 млрд. лет тому назад) образовались сложные органические вещества и протоклетки. Возникновение последних положило начало биохимической эволюции.
Известны три способа синтеза природных органических веществ. Содержащие углерод и азот вещества могли возникать в расплавленных глубинах Земли и выноситься на поверхность при вулканической деятельности, попадая далее в океан.
А. И. Опарин полагал, что органические вещества могли создаваться и в океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная радиация (главным образом, ультрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. Разнообразие находящихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.
Наконец, органические соединения могли образоваться во Вселенной из неорганического космического «сырья».
Для построения любого сложного органического соединения, входящего в состав живых тел, нужен небольшой набор блоков-мономеров (низкомолекулярных соединений): 29 мономеров (из них 20 аминокислот, 5 азотистых оснований) описывают биохимическое строение любого живого организма. Оно состоит из аминокислот (из которых построены все белки), азотистых соединений (составные части нуклеиновых кислот), глюкозы — источника энергии, жиров — структурного материала, идущего на построение в клетке мембран и запасающего энергию.
После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополимеры — белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства себе подобных. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например, на глине или гидроокиси железа, образующих ил прогреваемого Солнцем мелководья. Кроме того, органические вещества могли образовать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах.
В начальный период формирования Земли воды, пропитывающие земной грунт, непрерывно перемещали растворенные в них вещества из мест их образования в места накопления. Там формировались пробионты—системы органических веществ, способных взаимодействовать с окружающей средой, т. е. расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды разнообразных богатых энергией веществ.
Здесь уже возможен примитивный «отбор», ведущий к постепенному усложнению и упорядоченности как обеспечивающих преимущество в выживании. Механизм отбора действовал на самых ранних стадиях зарождения органических веществ — из множества образующихся веществ сохранялись устойчивые к дальнейшему усложнению.
Затем образуются микросферы—шаровидные тела, возникающие при растворении и конденсации абиогенно полученных белковоподобных веществ.
В подтверждение возможности абиогенного синтеза были проведены следующие опыты. Воздействуя на смесь газов электрическими зарядами', имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением, ученые получали сложные органические вещества, входящие в состав живых белков. Органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ, были искусственно получены при облучении водных растворов углекислоты. Американский ученый С. Миллер в 1953 году синтезировал ряд аминокислот при пропускании электрического заряда через смесь газов, предположительно составлявших первичную земную атмосферу. Были синтезированы и простые нуклеиновые кислоты. Этими экспериментами было доказано, что абиогенное образование органических соединений во Вселенной могло происходить в результате воздействия тепловой энергии, ионизирующего и ультрафиолетового излучений и электрических разрядов. Первичным источником этих форм энергии служат термоядерные процессы, протекающие в недрах Земли.
Как показывает синергетика, энергия имела для возникновения жизни не меньшее значение, чем вещество. Разумно предположить, считает И. Пригожин, что некоторые из первых стадий эволюции к жизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и трансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно неравновесные условия. Неравновесные структуры — переход к живому, но еще нет воспроизводства. Итак, в образовании органических соединений большую роль играло не только вещество космического пространства, но и энергия звезд.
Начало жизни на Земле
Начало жизни на Земле — появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Переход от сложных органических веществ к простым живым организмам пока неясен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней на границе между коацерватами — сгустками органических веществ — могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту.
Самое трудное для этой гипотезы — объяснить способность живых систем к самовоспроизведению, т. е. сам переход от сложных неживых систем к простым живым организмам. Несомненно, в модели происхождения жизни будут включаться новые знания, и они будут все более обоснованными. Но повторимся, что чем более качественно новое отличается от старого, тем труднее объяснить его возникновение. Поэтому здесь и говорят о моделях и гипотезах, а не о теориях.
Так или иначе, следующим шагом в организации живого должно было быть образование мембран, которые отграничивали смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и получается клетка — «единица жизни», главное структурное отличие живого от неживого. Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи химических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла получить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные биомолекулы и удалить отходы. Огромное значение для биологических процессов в клетке имеют ферменты. Они обладают часто высокой специализированностью и могут влиять только на одну реакцию. Принцип их действия в том, что молекулы других веществ стремятся присоединиться к активным участкам молекулы фермента. Тем самым повышается вероятность их столкновения, а, следовательно, скорость химической реакции.
Синтез белка осуществляется в цитоплазме клетки. Почти в каждой из клеток человека синтезируется свыше 10000 разных белков. Величина клеток — от микрометра до более одного метра (у нервных клеток, имеющих отростки). Клетки могут быть дифференцированными (нервные, мышечные и т. д.). Большинство из них обладает способностью восстанавливаться, но некоторые, например, нервные — нет или почти нет.
Эволюция форм жизни.
Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК, напоминают нынешние бактерии и сине-зеленые водоросли. Возраст таких самых древних организмов около 3 млрд. лет. Их свойства: 1) подвижность; 2) питание и способность запасать пищу и энергию; 3) защита от нежелательных воздействий; 4) размножение; 5) раздражимость; 6) приспособление к изменяющимся внешним условиям; 7) способность к росту.
На следующем этапе (приблизительно 2 млрд. лет том в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядро, называются простейшими. Их 25-30 тыс. видов. Самые простые из амебы. Инфузории имеют еще и реснички. Ядро простейших окружено двухмембранной оболочкой с порами и содержит хромосомы нуклеоли. Ископаемые простейшие — радиолярии и фораминиферы — основные части осадочных горных пород. Многие простейшие обладают сложным двигательным аппаратом.
Примерно 1 млрд. лет тому назад появились первые многоклеточные организмы, и произошел выбор растительного или животного образа жизни. Первый важный результат растительной деятельности — фотосинтез — создание органического вещества из углекислоты и воды при использовании солнечной энергии, улавливаемой хлорофиллом. Продукт фотосинтеза — кислород в атмосфере.
Возникновение и распространение растительности привело к коренному изменению состава атмосферы, первоначально имевшей очень мало свободного кислорода. Растения, ассимилирующие углерод из углекислого газа, создали атмосферу, содержащую свободный кислород, который не только активный химический агент, но и источник озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли.
Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в земной коре грандиозные энергетические запасы органических соединений (уголь, торф), а развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных горных пород, состоящих из скелетов и других остатков морских организмов.
К важным свойствам живых систем относятся:
1. Компактность. В 5x10-15 гр. ДНК, содержащейся в оплодотворенной яйцеклетке кита, заключена информация для подавляющего большинства признаков животного, которое весит 5x107 гр. (масса возрастает на 22 порядка).
2. Способность создавать порядок из хаотического теплового движения молекул и тем самым противодействовать возрастанию энтропии. Живое потребляет отрицательную энтропию и работает против теплового равновесия, увеличивая, однако, энтропию окружающей среды. Чем более сложно устроено живое вещество, тем более в нем скрытой энергии и энтропии.
3. Обмен с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Живое способно ассимилировать полученные извне вещества, т. е. перестраивать их, уподобляя собственным материальным структурам и за счет этого многократно воспроизводить их.
4. В метаболических функциях большую роль играют петли обратной связи, образующиеся при автокаталитических реакциях. Автокатализ, кросс-катализ и автоингибиция (процесс, противоположный катализу — если присутствует данное вещество, оно не образуется в ходе реакции) имеет место в живых системах. Для создания новых структур нужна положительная обратная связь, для устойчивого существования — отрицательная обратная связь.
5. Жизнь качественно превосходит другие формы существования материи в плане многообразия и сложности химических компонентов и динамики протекающих в живом превращений. Живые системы характеризуются гораздо более высоким уровнем упорядоченности и асимметрии в пространстве и времени. Структурная компактность и энергетическая экономичность живого — результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне.
6. В самоорганизации неживых систем молекулы просты, а механизмы реакций сложны; в самоорганизации живых систем, напротив, схемы реакций просты, а молекулы сложны.
7. У живых систем есть прошлое, у неживых его нет. «Целостные структуры атомной физики состоят из определенного числа элементарных ячеек, атомного ядра и электронов и не обнаруживают никакого изменения во времени, разве что испытывают нарушение извне. В случае такого внешнего нарушения они, правда, как-то реагируют на него, но если нарушение было не слишком большим, они по прекращению его снова возвращаются в исходное положение. Но организмы — не статические образования. Древнее сравнение живого существа с пламенем говорит о том, что живые организмы, подобно пламени, представляют собой такую форму, через которую материя в известном смысле проходит как поток» (Гейзенберг В. Цит. соч.- С. 233).
8. Жизнь организма зависит от двух факторов — наследственности, определяемой генетическим аппаратом, и изменчивости, зависящей от условий окружающей среды и реакции на них индивида. Интересно, что сейчас жизнь на Земле не могла бы возникнуть из-за кислородной атмосферы и противодействия других организмов. Раз зародившись, жизнь находится в процессе постоянной эволюции.
9. Способность к избыточному самовоспроизводству. «Прогрессия размножения, столь высокая, что она ведет к борьбе за жизнь и ее последствию — естественному отбору» (Дарвин Ч. Соч. Т. З.-М-Л., 1939.-С.666).
Тема 11
Генетика и самовоспроизводство жизни
Значение клетки. Воспроизводство жизни. Генетика
Значение клетки
Переходя от проблемы происхождения жизни к проблеме строения живого, отметим, что научное значение в этой области в большей степени достоверно за счет успехов, достигнутых новой наукой — молекулярной биологией. Можно сказать, что примерно в середине столетия произошла научная революция в биологии, вторая в нашем веке, после научной революции в физике, и благодаря ей биология выбилась в лидеры «соревнования» между науками.
Во второй половине XX века были выяснены вещественный состав, структура клетки и процессы, происходящие в ней. «Клетка — это своего рода атом в биологии. Точно так же, как разные химические соединения сложены из атомов, так и живые организмы состоят из огромных скоплений клеток. Из работ физиков мы знаем, что все атомы очень похожи друг на друга: в центре каждого атома находится массивное, положительно заряженное ядро, а вокруг него вращается облако электронов — это как бы солнечная система в миниатюре! Клетки, подобно атомам, также очень сходны друг с другом. Каждая клетка содержит в середине плотное образование, названное ядром, которое плавает в «полужидкой» цитоплазме. Все вместе заключено в клеточную мембрану» (Кендрью Дж. Нить жизни.- M., 1968.- С. 16).
Основное вещество клетки — белки, молекулы которых обычно содержат несколько сот аминокислот и похожи на бусы или браслеты с брелоками, состоящими из главной и боковой цепей. У всех живых видов имеются свои особые белки, определяемые генетическим аппаратом. Собственно, клетка и нужна для аппарата воспроизводства, который находится в ее ядре. Без клетки генетический аппарат не мог бы существовать.
Если же случится так, что в клетку попадут вредные для организма бактерии и другие инородные тела, то с ними вступает в бой иммунная система — блуждающие клетки, которые у низших животных играют роль пищеварительных органов, а у высших животных, в том числе у человека, их значение заключается именно в защите специфического строения данного организма (теория иммунитета разработана русским ученым И. И. Мечниковым).
О размерах клетки и содержания в ней веществ свидетельствует такая аналогия. «Представьте себе, что мы увеличим человека до размеров Великобритании. Тогда одна его клетка будет примерно такой же величины, как фабричное здание. Внутри клетки находятся большие молекулы, содержащие тысячи атомов, в том числе молекулы нуклеиновой кислоты. Так вот, даже при этом огромном увеличении, которое мы себе вообразили, молекулы нуклеиновой кислоты будут тоньше электрических проводов» (Там же. - С. 19).
Сопоставление клетки с фабрикой не случайно. «Любой живой организм можно уподобить гигантской фабрике, на которой производится множество разнообразных химических продуктов; на ней производится и энергия, приводящая в движение всю фабрику. Более того, она может воспроизводить самое себя (что для обычных фабрик совершенно невозможно!). И если вспомнить, насколько сложны все эти производственные процессы, то станет ясно, что весь сложный комплекс операций, производимых на фабрике, нельзя вести как попало, без должной организации, без подразделения на цеха, внутри которых установлены рядами станки и машины, и т. д. Иными словами, для того чтобы в живом организме все процессы протекали согласованно, необходима какая-то определенная организация составляющих его структур» (Там же. - С. 14). Ученые выясняют, как работает эта фабрика и каков механизм ее воспроизводства.
Попадающие в организм белки расщепляются на аминокислоты, которые затем используются им для построения собственных белков. Нуклеиновые кислоты создают ферменты, управляющие реакциями. Например, для одного процесса брожения нужна дюжина ферментов, каждый из которых управляет одной реакцией и действует только на строго определенный вид молекул. Все ферменты — белки. Фермент похож на дирижера, который играет всегда со своим оркестром. В каждой клетке несколько тысяч «дирижеров-ферментов». Это станки и машины «фабрики».
В качестве примера процессов, проходящих в клетках и тканях организма, рассмотрим роль гемоглобина — глобулярного белка красных кровяных клеток — эритроцитов, цепи которого свернуты в сферу. Присутствием гемоглобина обусловлен красный цвет крови. Функция этого белка состоит в том, чтобы переносить кислород из легких к тканям. Гемоглобин обладает замечательной способностью связывать молекулярный кислород. Точнее говоря, одна молекула гемоглобина может связать одновременно четыре молекулы кислорода. В легких, где давление кислорода выше, происходит присоединение молекул кислорода к гемоглобину. Гемоглобин доставляет их к тканям, но там давление ниже, и кислород освобождается. Далее происходит диффузия кислорода внутрь клеток. В клетке молекулы кислорода встречаются с другим белком — миоглобином... Миоглобин — это как бы младший брат гемоглобина; его молекула в четыре раза меньше и способна связать не четыре, а только одну молекулу кислорода. Миоглобин тоже красный; этим объясняется красный цвет мяса. Молекулы кислорода переходят от гемоглобина к миоглобину, где и хранятся до тех пор, пока не потребуется клетке.
Молекулярная биология, изучающая биологические процессы на молекулярном уровне, один из наиболее ярких примеров конвергенции двух наук — физики и биологии.
Воспроизводство жизни
Три самых важных составляющих процесса развития организма:
1) оплодотворение (слияние половых клеток) при половом размножении;
2) воспроизводство в клетке по данной матрице определенных веществ и структур;
3) деление клеток, в результате которого организм растет из одной оплодотворенной яйцеклетки.
Существует два способа деления клеток. Митоз — это такое деление клеточного ядра, при котором образуются два дочерних ядра с наборами хромосом (части ядер клеток), идентичными наборам родительской клетки. Мейоз—это деление клеточного ядра с образованием четыре дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом, чем исходное ядро. Первый способ характерен для всех клеток, кроме половых, второй — для половых клеток. При всех формах клеточного деления ДНК каждой хромосомы реплицируется.
Воспроизводство себе подобных и наследование признаков осуществляется с помощью наследственной информации, материальным носителем которой являются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. ДНК состоит из двух цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие электрических проводов. Напоминает винтовую лестницу.
В клетке человека ДНК распределена на 23 пары хромосом и содержит около 1 млрд. пар оснований, длина ее около 1 м. Если составить цепочку из ДНК всех клеток одного человека, то она сможет протянуться через всю Солнечную систему.
Носители информации — нуклеиновые кислоты — содержат азот и выполняют три функции: 1) самовоспроизведение; 2) хранение информации; 3) реализация этой информации в процессе роста новых клеток. Мономеры нуклеиновых кислот несут информацию, по которой строятся аминокислоты (каждой аминокислоте, входящей в белок, соответствует определенный набор из трех мономеров НК — так называемый триплет). Генетическая информация, содержащаяся в нуклеиновых кислотах, проявляется в образовании ферментов которые делают возможным строение живого тела.
Реализация многообразной информации о свойствах организма осуществляется путем синтеза различных белков согласно генетическому коду. Сходство и различие тел определяется набором белков. Чем ближе организмы друг к другу, тем более сходны их белки.
Молекулы ДНК—это как бы набор, с которого «печатается» организм в типографии Вселенной. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном (знаменитая гипотеза «один ген — один фермент»). Гены расположены в хромосомах·
Процесс воспроизводства состоит из трех частей, называющихся тремя ключевыми словами: репликация, транскрипция, трансляция. Репликация — это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клеток. В основе способности клеток к самовоспроизведению лежат уникальное свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репродуцированных хромосом. После этого клетка может делиться на две идентичные.
Как происходит репликация? ДНК распределяется на две цепи, в затем из нуклеотидов, свободно плавающих в клетке, формируется вдоль каждой цепи еще одна цепь. Этот процесс можно сравнить с печатанием фотокарточек. Так как каждая клетка многоклеточного организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений, все клетки организма имеют одинаковый набор генов.
Вторая часть процесса воспроизводства — транскрипция — представляет собой перенос кода ДНК путем образования одноцепочечной молекулы информационной РНК на одной нити ДНК (информационная РНК — копия части молекулы ДНК, одного или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции).
РНК отличается от ДНК тем, что вместо дезоксирибозы содержит рибозу (речь идет об одной гидроксильной группе ОН каждого! сахарного кольца), а вместо азотистого основания тимина содержит урацил.
Третья часть процесса воспроизводства — трансляция — это, синтез белка на основе генетического кода информационной РНК в особых частях клетки — рибосомах, куда доставляет аминокислоты транспортная РНК.
Основной механизм, с помощью которого молекулярная биология объясняет передачу и переработку генетической информации, по существу, является петлей обратной связи. ДНК, содержащая в линейноупорядоченном виде всю информацию, необходимую для синтеза различных протеинов (без которых невозможно строительство и функционирование клетки), участвует в последовательности реакций, в ходе которых вся информация кодируется в виде определенной последовательности различных протеинов. Некоторые ферменты осуществляют обратную связь среди синтезированных протеинов, активируя и регулируя не только различные стадии превращений, но и автокаталитический процесс репликации ДНК, позволяющий копировать генетическую информацию с такой же скоростью, с какой размножаются клетки.
Как показали исследования по молекулярной биологии последних десятилетий петли положительной обратной связи (вместе с отрицательной обратной связью и более сложными процессами взаимного катализа) составляют самую основу жизни. Именно такие процессы позволяют объяснить, каким образом совершается переход от крохотных комочков ДНК к сложным живым организмам.
Интересен вопрос о том, как получаются именно разные белки и клетки. Французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно предложена следующая гипотеза. Ген-регулятор производит молекулу-репрессор. Она выключает, когда нужно, оператор, который размещается на одном конце оперона — группы генов, и в результате данные ферменты не производятся.
Генетика.
Генетика прошла в своем развитии семь этапов.
1. Грегор Мендель (1822-1884) открыл законы наследственности. Скрещивая гладкий и морщинистый сорта гороха, он получил в первом поколении только гладкие семена, а во втором поколении — 1/4 морщинистых семян. И он догадался: в зародышевую клетку поступает два наследственных задатка—от каждого из родителей. Если они не одинаковые, то у гибрида проявляется один, доминантный (преобладающий), признак — гладкость. Рецессивный (уступающий) остается как бы в скрытом состоянии. В следующем поколении признаки распределятся в соотношении 3:1.
«Когда австрийский монах Грегор Мендель развлекался наблюдением результатов скрещивания красно- и белоцветущего гороха в монастырском саду, даже наиболее дальновидные его современники не могли вообразить себе всех последствий его находок», — справедливо пишет Г. Селье (Селье Г. Цит. соч.- С. 26). Результаты исследований Менделя, опубликованные в 1865 году, не обратили на себя никакого внимания и были повторно открыты только после 1900 года.
2. Август Вейсман (1834-1914) показал, что половые клетки обособлены от остального организма и поэтому не подвержены влияниям, действующим на соматические ткани.
Несмотря на убедительные опыты Вейсмана, которые было легко проверить, победившие в советской биологии сторонники Лысенко долго отрицали генетику, называя ее вейсманизмом-морганизмом. В этом случае идеология победила науку, и многие ученые, как, например, Н. И. Вавилов, были репрессированы.
3. Гуго де Фриз (1848-1935) открыл существование наследуемых мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Он предположил, что новые виды возникали вследствие мутаций.
Понятие мутации в генетике аналогично понятию флуктуации в синергетике. Мутация — это частичное изменение структуры гена. Конечный ее эффект — изменение свойств белков, кодируемых мутантными генами. Появившийся в результате мутации признак не исчезает, а накапливается. Мутации вызываются радиацией, химическими соединениями, изменением температуры, наконец, могут быть просто случайными.
«Согласно нашей аналогии, мутации, очевидно, представляют собой опечатки, неизбежно появляющиеся при каждом новом переиздании Книги Жизни. Подобно тому как в наших книгах опечатки чаще всего приводят к бессмыслице и крайне редко улучшают текст, так и мутации почти всегда приносят вред; чаще всего они просто убивают организм или клетку на очень ранних стадиях, и мы даже не замечаем, что они вообще существовали на свете. С другой стороны, тот факт, что мутация лета льна, сам по себе исключает опечатку из последующих изданий, ибо содержащая эту мутацию клетка никогда не произведет себе подобных. В иных случаях мутация может оказаться вредной, но не летальной. Она появится и в новых клетках, но есть надежда, что такие вредные мутации в последующих поколениях исчезнут в результате естественного отбора. Изредка все же считается, что мутация оказывает благоприятное действие. Она уже не исчезает, поскольку создает организму большие преимущества в борьбе за существование. В конце концов эта мутация будет постоянно включаться в книгу жизни данного вида организмов. Так протекает процесс эволюции» (Кендрью Дж. Цит. соч.- С. 117-118).
4. Томас Морган (1866-1945) создал хромосомную теорию наследственности, в соответствии с которой каждому биологическому виду присуще свое строго определенное число хромосом.
5. Г. Меллер в 1927 году установил, что генотип может изменяться под действием рентгеновских лучей. Отсюда берут свое начало индуцированные мутации и то, что впоследствии было названо генетической инженерией с ее грандиозными возможностями и опасностями вмешательства в генетический механизм.
6. Дж. Бидл и Э. Татум в 1941 году выявили генетическую основу процессов биосинтеза.
7. Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили модель молекулярной структуры ДНК и механизма ее репликации.
То, что именно ДНК — носитель наследственной информации, выяснилось в середине 40-х годов, когда после перенесения ДНК одного штамма бактерий в другой, в нем стали появляться бактерии штамма, чья ДНК была взята.
25-летний Уотсон, приехав из США в Кембридж в 1953 году, должен был заниматься изучением структуры белка. Но он посчитал, что это очень тяжело для него, и подолгу беседовал с Криком о появившихся только что улучшенных рентгенограммах ДНК и правил спаривания ее оснований. Им удалось расшифровать ДНК за несколько недель.
Чуть позже был открыт триплетный перекрывающийся (как азбука Морзе) генетический код, универсальный для всех организмов, и ядро стало пониматься как орган управления, содержащий всю информацию о клетке. Продолжая аналогию ДНК с книгой, можно сказать, что если аминокислота — это слово, то бактерия — том, а человек — огромная энциклопедия.
В заключение несколько слов о вирусах, которые в тысячу раз больше обычных молекул белка, не питаются и не растут, а воспроизводятся только в клетке хозяина. Изучение их как раз хорошо демонстрирует значение аппарата наследственности.
Вирус имеет головку и спираль с хвостом. Спиральная пружина сжимается и подобно игле проталкивает хвост внутрь клетки. Затем через трубку вспрыскивается ДНК, «и часто уже через несколько минут клетка разрывается, освобождая сотню и больше новых вирусных частиц, готовых к зарождению новых клеток» (Там же.- С. 101). Процесс заражения сходен с государственным переворотом. Вирус совершает революцию в клетке. Бороться с ним можно с помощью интерферона — синтезируемого клетками вещества, которое специально предназначено для разрушения чужих ДНК
Генетика свидетельствует: мы несем в себе информацию наших умерших предков, всей природы. Вся природа как бы заключена в нас. Это же говорит и об ответственности, налагаемой на нас природой.
Перед современной генетикой стоят проблемы изучения сочетаний (связок) генов, их динамики (меняются ли признаки или нет), поиска социально обусловленных генов.
Что же касается биологии, то «биологи прежних лет в целом продвигались сверху вниз. Они начинали с целого организма, потом разнимали его на части и рассматривали отдельные органы и ткани; далее они изучали отдельные клетки под микроскопом — так мало-помалу они продвигались вниз, от сложного к простому. Новая биология начинает с другого конца и продвигается с самого низа вверх. Она начала с простейших компонентов живого организма — стала изучать отдельные молекулы и их взаимодействие внутри клеток, пренебрегая всем остальным. Теперь пришла пора обратиться к этому остальному и двигаться вверх вдоль иерархии биологической организации» (Там же.- С. 118-119). По этому пути и идет современная биология.
Тема 12
Экология и учение о биосфере
Отличия растений от животных. Учение Вернадского о биосфере. Эмпирические обобщения Вернадского. Экология. Закономерности развития экосистем. Синтетическая теория эволюции. Концепция коэволюции. Гипотеза Гея-Земли.
Отличия растений от животных
Как считает большинство биологов, примерно 1 млрд. лет назад произошло разделение живых существ на два царства — растений и животных. Различия между ними можно разделить на три группы: 1) по структуре клеток и их способности к росту; 2) по способу, питания; 3) по способности к движению.
Отнесение к одному из царств проводится не по каждому признаку, а по совокупности различий. Так, кораллы, моллюски, речная губка — бодяга всю жизнь остаются неподвижными, и тем не менее, имея в виду другие свойства, их относят к животным. Существуют насекомоядные растения, которые по способу питания относятся к животным. Выделяют и переходные типы, как, скажем, эвглена зеленая, которая питается как растение, а двигается как животное. И все же три отмеченные группы различий помогают в подавляющем большинстве случаев.
Кристаллы растут, но не воспроизводятся; растения воспроизводятся, но не двигаются; животные двигаются и воспроизводятся. В то же время у растений некоторые клетки сохраняют способность к активному росту на протяжении всей жизни организма. В пластидах — белковых телах клеток растений заключен хлорофилл, придающий растениям зеленую окраску. Его наличие связано с основной космической функцией растений — улавливанием и превращением солнечной энергии. Эта функция определяет строение растений. «Свет лепит формы растений, как из пластического материала,» — писал австрийский ботаник И. Визнер. По словам В. И. Вернадского, «в биосфере видна неразрывная связь между освещающим ее световым солнечным излучением и находящимся в ней зеленым живым миром организованных существ» (В. И. Вернадский. Биосфера. Избр. соч.- Т. 5.- М., I960.- С. 23). Самое большое дерево в мире — акация гальпини (122 м высоты, 44 м в периметре).
У животных клеток есть центриоли, но нет хлорофилла и клеточной стенки, мешающей изменению формы. Что же касается различий в способе питания, то большинство растений необходимые для жизни вещества получают в результате поглощения минеральных соединений. Животные питаются готовыми органическими соединениями, которые создают растения в процессе фотосинтеза.
В ходе развития животного мира происходила дифференциация органов по функциям, которые они выполняют, и возникли двигательная, пищеварительная, дыхательная, кровеносная, нервная системы и органы чувств.
В XVIII-XIX веках ученые потратили много усилий для систематизации всего многообразия растительного и животного мира. Появилось направление в биологии, получившее название систематики. Были созданы классификации растений и животных в соответствии с их отличительными признаками. Основной структурной единицей был признан вид, а более высокие уровни составили последовательно род, отряд, класс.
На Земле существует 500 тыс. видов растений и 1,5 млн. видов животных, в том числе позвоночных — 70 тыс., птиц — 16 тыс., млекопитающих — 12540 видов. Подробная систематизация различных форм жизни создала предпосылки для изучения живого вещества как целого, что впервые осуществил выдающийся русский ученый Вернадский в своем учении о биосфере.
Учение Вернадского о биосфере
Существуют два основных определения понятия «биосфера», одно из которых известно со времени появления в науке данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых организмов на Земле. Ученик Докучаева, создателя учения о почвах, В. И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, выдвинул принцип неразрывной связи живого и неживого, переосмыслив понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого. Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни на Земле. Рассматривались следующие варианты: 1) жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее; 2) жизнь зародилась после образования Земли; 3) жизнь зародилась вместе с формированием Земли. Вернадский придерживался последней из этих точек зрения и считал, что нет убедительных научных данных о том, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Иными словами, биосфера была на Земле всегда.
Под биосферой, таким образом, Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы, располагаясь в диапазоне от 10 км в глубь Земли до 33 км над Землей.
Занимаясь им же созданной биогеохимией, изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, Вернадский пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Вернадский подчеркивал также важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии.
Эмпирические обобщения Вернадского
1. Первым выводом из учения о биосфере является принцип целостности биосферы. «Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе, как о едином целом в механизме биосферы» (Там же.- С. 22). Строение Земли, по Вернадскому, есть согласованный в своих частях механизм. «Твари Земли являются созданием космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма» (Там же. - С. 11).
Узкие пределы существования жизни — физические постоянные, уровни радиации и т. п.—подтверждают это. Как будто кто-то создал такую среду, чтобы жизнь стала возможна. Какие условия и константы имеются в виду? Гравитационная постоянная, или константа всемирного тяготения, определяет размеры звезд, температуру и давление в них, влияющие на ход реакций. Если она будет чуть меньше, звезды станут недостаточно горячими для протекания в них ядерных реакций; если чуть больше, звезды превзойдут «критическую массу» и обратятся в черные дыры, выпав тем самым из круговорота материи. Константа сильного взаимодействия определяет ядерный заряд в звездах. Если ее изменить, цепочки ядерных реакций не дойдут до углерода и азота. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей; ее изменение делает Вселенную мертвой. К этому добавляется еще антропный принцип, с которым мировые константы как бы подгоняются к возможности существования жизни.
2. С принципом целостности биосферы и неразрывной связи в ней живых и косных компонентов связан и принцип гармонии биосферы и ее организованности. В биосфере, по Вернадскому, «все учитывается и все приспособляется с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии» (В. И. Вернадский. Биосфера... - С. 24).
3. Роль живого в эволюции Земли. «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом... Все минералы верхних частей земной коры — свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси Fe и Al (бурые железняки и бокситы) и многие сотни других непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни» (Там же.- С. 21). Лик Земли как небесного тела, заключает Вернадский, фактически сформирован жизнью.
4. Космическая роль биосферы в трансформации энергии. Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли.
5. Растекание жизни есть проявление ее геохимической энергии. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.
6. Понятие автотрофности. Автотрофными называют организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы в биосфере из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования этих зеленых автотрофных организмов определяется прежде всего областью проникновения солнечных лучей.
7. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества.
8. Формы нахождения химических элементов: 1) горные породы и минералы; 2) магмы; 3) рассеянные элементы; 4) живое вещество. Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.
9. Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности. Пределы жизни определяются в конце концов физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 433°С (от -252°С до +180°С) является предельным тепловым полем.
10. Биосфера в основных своих чертах представляет один и тот же химический аппарат с самых древних геологических периодов. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Само живое вещество не является случайным созданием.
11. Всюдность жизни в биосфере. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.
12. Постоянство количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество свободного живого вещества (1,5х1021 гр. и 1020-1021 гр.). Скорость передачи жизни не может перейти пределы, нарушающие свойства газов. Идет борьба за нужный газ.
13. Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда ее свободная энергия равняется или приближается к нулю, т. е. когда вся возможная в условиях системы работа произведена. Понятие устойчивого равновесия является исключительно важным, и мы к нему вернемся позже.
В развитие биологии в XX веке большой вклад внесли русские ученые. Мы говорили о первых моделях происхождения жизни, созданных А. И. Опариным. Русская биологическая школа имеет хорошие традиции. Вернадский был учеником выдающегося почвоведа В. В. Докучаева, который создал учение о почве как своеобразной оболочке Земли, являющейся единым целым, включающим в себя живые и неживые тела. По существу, учение о биосфере было продолжением и распространением идей Докучаева на более широкую сферу реальности. В дальнейшем развитие биологии в этом направлении привело к созданию одной из основных наук второй половины XX века — экологии.
Экология
В буквальном смысле слово «экология» означает науку о «доме» (от греч. «ойкос» — жилище, местообитание). Как входящая в биологический цикл, экология—наука о местообитании живых существ, их взаимоотношении с окружающей средой. Экология изучает организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, сообществ, экосистем. Термин «экология» предложил немецкий зоолог Э. Геккель в 1866 году, но подлинного расцвета эта наука достигла в XX веке, и ее развитие далеко не закончено.
Если учение о биосфере сразу подняло биологию с уровня отдельных видов к целостности высшего порядка, то экология изучает различные уровни целостности, промежуточные между организменным и глобальным. Выделяют аутоэкологию, которая исследует взаимодействие отдельных видов со средой, и синэкологию, которая изучает сообщества. Сообществом, или биоценозом, называют совокупность растений и животных, населяющих участок среды обитания. Совокупность сообщества и среды носит название экологической системы, или биогеоценоза.
Основные понятия аутоэкологии — популяция, местообитание, экологическая ниша. Популяцией называется группа организмов, относящихся к одному или близким видам и занимающая определенную область, называемую местообитанием. Совокупность условий, необходимых для существования популяции, носит название экологической ниши. Экологическая ниша определяет положение вида в цепях питания.
.В зависимости от характера питания строится пирамида питания, состоящая из нескольких трофических уровней. Низший занимают автотрофные организмы, питающиеся неорганическими соединениями, прежде всего растения. На более высоком уровне располагаются гетеротрофные организмы, использующие в пищу биомассу растений. Затем идут гетеротрофы второго порядка, питающиеся гетеротрофами первого порядка, т. е. травоядными животными и т. д.
Пирамида питания связана с круговоротом вещества в биосфере, который выглядит следующим образом:
Один из важнейших принципов экологии — принцип устойчивости, в соответствии с которым чем больше трофических уровней и чем они разнообразнее, тем устойчивей биосфера.
Экология показала также, что живой мир — не совокупность живых существ, а единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимоотношений. Если даже небольшая часть его погибнет, погибнет и все остальное. В то же время, как писал Н. Винер, «сообщество простирается лишь до того предела, до которого простирается действительная передача информации» (Н. Винер. Кибернетика... - С. 230).
К важным выводам экологии можно отнести следующие, отмечавшиеся еще Вернадским. 1. Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи со средой, т. е. с другими организмами и неживой природой. 2. Жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись на планете, стимулируя перераспределение
энергии и веществ. 3. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность колеблется вблизи равновесного уровня.
Принцип равновесия играет в живой природе огромную роль. Равновесие существует между видами и смещение его в одну сторону, скажем, уничтожение хищников, может привести к исчезновению жертв, у которых не будет хватать пищи. Естественное равновесие существует и между организмом и окружающей его неживой средой. Великое множество равновесий поддерживают общее равновесие в природе.
Равновесие в живой природе не статично, как равновесие кристалла, а динамично, представляя собой движение вокруг точки устойчивости. Если эта точка не меняется, то такое состояние называется гомеостазом («гомео» — тот же, «стасис» — состояние). Гомеостаз — механизм, посредством которого живой организм поддерживает параметры своей внутренней среды, противодействуя внешним воздействиям, на таком постоянном уровне, который обеспечивает нормальную жизнь. Кровяное давление, частота пульса, температура тела — все это обусловлено гомеостатическими механизмами, которые работают настолько хорошо, что мы обычно их не замечаем. В пределах «гомеостатического плато» действует отрицательная обратная связь, за пределами его — положительная обратная связь, и система гибнет.
В экосистемах необходим период эволюционного приспособления к условиям среды, который называется адаптацией. Только после него устанавливается надежный гомеостатический контроль. Адаптация организма может быть структурной, физиологической и поведенческой. К структурной относится изменение окраски, строения тела, органов и т. д. (например, бабочки под влиянием фабричного дыма из светлых становятся темными). К физиологической относится, скажем, появление слуховой камеры у двуногой мыши, позволяющее иметь идеальный слух. Пример поведенческой адаптации демонстрирует мотылек с полосатыми крыльями, садящийся на полосатые листья лилий так, чтобы его полоски были параллельны полоскам на листьях.
Механизм, ответственный за эволюцию живой природы, получил название гомеореза. Он дает возможность как бы перескакивать с одного устойчивого состояния на другое через неравновесные точки (как бы «с кочки на кочку»), тем самым проявляя такую отличительную особенность живых тел, как их способность поддерживать устойчиво неравновесное состояние. По определению Э. Шредингера, «жизнь — это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время» (Э. Шредингер. Что такое жизнь? С точки зрения физика.- М., 1972.- С. 71). Средством, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), является энергия, получаемая организмом из окружающей среды с продуктами питания.
Закономерности развития экосистем
Одним из основных достижений экологии стало обнаружение того обстоятельства, что развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы. Развитие экосистем — сукцессия — это последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном районе.
Сукцессия в энергетическом смысле связана с фундаментальным сдвигом потока энергии в сторону увеличения количества энергии, направленной на поддержание системы. Сукцессия состоит из стадий развития, стабилизации и климакса. Их можно различать на основе критерия продуктивности системы: на первой стадии продукция растет до максимума, на второй остается постоянной, на третьей уменьшается до нуля по мере разрушения системы.
Различия между развивающимися и зрелыми системами можно представить в виде таблицы:
|
Урожай |
высокий |
низкий |
|
Видовое разнообразие |
мало |
велико |
|
Структурное разнообразие |
слабо организовано |
хорошо организовано |
|
Специализация по нишам |
широкая |
узкая |
|
Размеры организма |
небольшие |
крупные |
|
Жизненные циклы |
короткие и простые |
длинные и сложные |
|
Скорость обмена биогенных веществ между организмом и средой |
высокая |
низкая |
|
Давление отбора |
на быстрый рост |
на регуляцию обратной связи |
|
Внутренний симбиоз |
не развит |
развит |
|
Сохранение биогенных веществ |
с потерями |
высокая |
|
Стабильность |
низкая |
высокая |
|
Энтропия |
высокая |
низкая |
|
Информация |
мало |
много |
Обратите внимание на обратную связь зависимости между энтропией и информацией, в также на то, что развитие экосистем идет в направлении повышения их устойчивости, достигаемой за счет увеличения разнообразия. Распространив этот вывод на всю биосферу, получаем ответ на вопрос, зачем природе нужны 2 млн. видов. Можно думать (так до возникновения экологии и считали), что эволюция ведет к замене одних менее сложных и приспособленных видов другими, вплоть до человека как венца природы. Менее сложные виды, дав дорогу более сложным, становятся не нужны. Экология разрушила этот удобный для человека миф. Теперь ясно, почему опасно, как делает современный человек, уменьшать многообразие природы.
К основным законам экологии относятся также: 1) «закон минимума» (Либих) — ограничивают развитие лишь те факторы, которые имеются в недостаточном количестве; 2) «закон толерантности» — избыток какого-либо фактора (тепло, свет, вода) тоже может ограничивать распространение данного вида; 3) недонаселенность и перенаселенность могут оказывать лимитирующее влияние (принцип Олли); 4) принцип конкурентного исключения — два вида, занимающие одну нишу, не могут сосуществовать в одном месте неограниченно долго; 5) чем больше трофических уровней, тем больше потери энергии в системе; 6) развитие экосистем во многом аналогично развитию отдельного организма; 7) принцип гетеротрофной утилизации продуктов автотрофного метаболизма. Это свойство экосистем сейчас под угрозой в связи с хозяйственной деятельностью человека, ведущей к накоплению отходов, которые природа не в состоянии утилизировать.
Первыми экосистемами, которые изучались с помощью количественных методов были системы «хищник — жертва». Американец Лотка в 1925 году и итальянский ученый В. Вольтерра в 1926 году создали математические модели роста отдельной популяции и динамики популяций, связанных отношениями конкуренции и хищничества. Исследование системы «хищник — жертва» показало, что типичной для популяции жертв эволюцией является увеличение рождаемости, а для популяции хищников — совершенствование способов ловли жертвы.
К интересным результатам привело изучение системы «паразит — хозяин». Казалось бы, отбор должен вести к уменьшению вредности паразита для хозяина, но это не так. И в этой паре идет конкурентная борьба, в результате которой усложняются и те, и другие. Гибель одного ведет к гибели другого, а сосуществование увеличивает сложность всей системы.
На изучении эволюции системы «паразит—жертва» основана гипотеза, объясняющая значение полов. Бесполое размножение, с точки зрения теории Дарвина, — значительно более эффективный процесс. Двойная стоимость полового размножения (поскольку мужские особи не включают в создание и выращивание потомства столько, сколько женские) вызывала трудности в объяснении этого феномена. Системное изучение биологических процессов предлагает следующее объяснение: половые различия дают хозяевам уникальные преимущества, поскольку позволяют обмениваться частями генетического кода между особями. Рекомбинация больших блоков генетической информации в результате полового размножения позволяет изменять признаки в потомстве быстрее, чем при мутациях. Поэтому потомки в этом случае могут быть более резистентными к паразитам, чем их родители. Паразиты же вследствие краткости периода воспроизводства и быстрого хода эволюционных изменений меньше нуждаются в наличии полов и обычно бесполы. И здесь конкурентная борьба является фактором естественного отбора.
В науке Нового времени преобладал редукционизм, т. е. объяснение функционирования высших структурных уровней с помощью низших. Развитие биологии в XX веке как будто укрепило позиции редукционизма. Молекулярная биология выяснила, что все многообразие форм жизни и жизненных процессов, повадок и инстинктов зависит от особенностей чередования четырех нуклеотидов в цепочке ДНК.
С другой стороны, экология показала наличие системных закономерностей. «Вся совокупность современных биохимических данных показывает, что отдельные, индивидуальные реакции, протекающие в живых телах, сравнительно просты и однообразны. Это хорошо известные и легко воспроизводимые в пробирке и колбе химика реакции окисления, восстановления, гидролиза... Ни в одной из них нет ничего специфически жизненного. Специфическим для живых тел является то, что в них эти отдельные реакции определенным образом организованы во времени, сочетаются в единую целостную систему, наподобие того, как отдельные звуки сочетаются в какое-либо музыкальное произведение, например симфонию. Стоит только нарушить последовательность звуков — получится дисгармония, хаос. Аналогичным образом и для организации живых тел важно то, что в них эти отдельные реакции протекают не случайно, не хаотически, а в строго определенном гармоничном порядке... весь этот порядок закономерно обусловливает самосохранение и самовоспроизведение всей жизненной системы в целом в данных условиях внешней среды, в поражающем соответствии с этими условиями» (А. И. Опарин, В. Г. Фесенков. Жизнь во вселенной.- М., 1956. - С. 40).
Необходимость системного подхода в исследовании живого в противоположность редукционизму хорошо изложена в словах Мефистофеля из «Фауста» Гете, обращенных к его ученику:
«Иль вот: живой предмет желая изучить,
Чтоб ясное о нем познанъе получить, -
Ученый прежде душу изгоняет,
Затем предмет на части расчленяет
И видит их, да жаль: духовная их связь
Тем временем исчезла, унеслась!»
(И. В. Гете. Собр. соч. Т. 5.- М., 1947.- С. 119).
Синтетическая теория эволюции
Применительно к живой природе эволюция принимается как образование более сложных видов из простых. Как оно происходит? Существует ли целесообразность в природе? Какова роль случайности? Что является источником развития: 1) тренировка органов, как считал Ламарк; 2) борьба за существование и выживание наиболее приспособленных (естественный отбор, по Дарвину); 3) способность к взаимопомощи (П. А. Кропоткин); 4) природные катастрофы: кометы, изменения температуры и пр. (Кювье)?
Генетика опровергла представления Ламарка о наследовании приобретенных при жизни признаков с помощью очень простых опытов. Вейсман последовательно на протяжении многих поколений отрезал мышам хвосты. Он постулировал, что признаки, приобретаемые организмом и приводящие к изменению фенотипа, не оказывают прямого воздействия на половые клетки, передающие признаки следующему поколению.
Тем не менее эволюция идет. Ч. Дарвин (1809-1882) во время своего кругосветного плавания на корабле «Бигль» собрал множество данных, свидетельствующих о том, что виды нельзя считать неизменными. После возвращения в Англию он изучал практику разведения голубей и других домашних животных, что натолкнуло его на идею естественного отбора. В 1778 году священник Т. Мальтус опубликовал «Трактат о народонаселении», в котором обрисовал, к чему привел бы рост населения, если бы он ничем не сдерживался. Дарвин перенес его рассуждения на природу и обратил внимание на то, что несмотря на высокий репродуктивный потенциал, численность популяций остается относительно постоянной. Дарвин предположил, что при интенсивной конкуренции внутри популяции любые изменения, благоприятные для выживания в данных условиях, повышают способность особей размножаться и оставлять потомство.
Другим основанием теории эволюции послужил принцип униформизма английского геолога Ч. Лайеля (1797-1875),в соответствии с которым медленные ничтожные изменения приводят к поразительным результатам, если происходят долго в одном направлении. Точно так же небольшие изменения на протяжении миллионов лет приводят к образованию новых видов.
Непосредственно натолкнуло Дарвина на мысль об эволюции органических форм обнаружение в одном и том же регионе — в Южной Америке — ископаемого и современного скелета ленивца, огромного в прошлом и маленького сейчас.
Теория эволюции сформулирована Дарвином в 1839 году. Наибольший вклад Дарвина в науку заключался не в том, что он доказал существование эволюции, а в том, что он объяснил, как она может происходить. В 1859 году Дарвин опубликовал труд «Происхождение видов путем естественного отбора». Гипотеза Дарвина основана на трех наблюдениях и двух выводах. «Н. 1. Особи, входящие в состав популяции, обладают большим репродуктивным потенциалом. Н. 2. Число особей в каждой данной популяции примерно постоянно. В. 1. Многим особям не удается выжить и оставить потомство. В популяции происходит «борьба за существование». Н. 3. Во всех популяциях существует изменчивость. В. 2. В «борьбе за существование» те особи, признаки которых наилучшим образом приспособлены к условиям жизни, обладают «репродуктивным преимуществом» и производят больше потомков, чем менее приспособленные особи. Вывод 2 содержит гипотезу о естественном отборе, который может служить механизмом эволюции» (Н. Грин и др. Биология. Т. 3.- М., 1990.- С. 262).
Не столь важно, какая конкуренция имеет место — внутри- или межвидовая. Решающий фактор, определяющий выживание, — это приспособленность к среде. Любое, пусть самое незначительное физическое, физиологическое или поведенческое изменение, дающее одному организму преимущество перед другим, будет действовать в «борьбе за существование» как селективное преимущество. Благоприятные изменения будут передаваться следующим поколениям, а неблагоприятные — элиминироваться отбором, так как они невыгодны организму. Действуя таким образом, естественный отбор ведет к повышению «мощности» вида, а в филогенетическом плане — обеспечивает его выживание.
Данные в поддержку гипотезы Дарвина дают различные науки. Палеонтология, которая занимается изучением ископаемых остатков, подтверждает факт прогрессивного возрастания сложности организмов. В самых древних породах встречаются организмы немногих типов, имеющих простое строение. Постепенно разнообразие и сложность растут. Многие виды, появляющиеся на каком-либо стратиграфическом уровне, исчезают затем. Это истолковывают как возникновение и вымирание видов.
В соответствии с данными палеонтологии можно считать, что в протерозойскую геологическую эру (700 млн. лет назад) появились бактерии, простейшие водоросли, примитивные морские организмы; в палеозойскую (365 млн. лет назад) — наземные растения, пресмыкающиеся; в мезозойскую (185 млн. лет назад) — млекопитающие, птицы, хвойные растения; в кайнозойскую (70 млн. лет назад) — современные виды. Конечно, следует иметь в виду, что палеонтологическая летопись неполна.
Теория эволюции знаменовала собой крупный прорыв в биологии, наряду с классификацией Линнея и клеточной теорией. Но вопросы и сомнения оставались, Всю жизнь Дарвина преследовал «кошмар Дженкина» — возражение следующего содержания: если среди поля красных маков появится белый, то после скрещивания он даст розовое потомство, а через 2-3 поколения исчезнет всякое воспоминание о белом цвете (ведь в природе нет «демона Максвелла»).
Лишь возникновение генетики дало возможность отвергнуть это возражение. Опровергнув концепцию Ламарка, генетика помогла дарвинизму, объяснив, что появившийся признак не может исчезнуть, так как наследственный аппарат сохраняет случайно возникшее в нем, подобно тому, как сохраняются опечатки в книгах при их воспроизводстве.
Генетика привела к новым представлениям об эволюции, получившим название неодарвинизма, который можно определить как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Другое общепринятое название — синтетическая, или общая, теория эволюции. Механизм эволюции стал рассматриваться как состоящий из двух частей: случайные мутации на генетическом уровне и наследование наиболее удачных с точки зрения приспособления к окружающей среде мутаций, так как их носители выживают и оставляют потомство.
Мутация → появление нового признака → борьба за существование → естественный отбор.
«Теория Дарвина в ее сегодняшней форме содержит, собственно, два независимых утверждения. Согласно одному из них, в процессе воспроизведения испытываются все новые формы, которые в своем большинстве при данных внешних обстоятельствах снова исчезают как непригодные; сохраняются лишь немногие приспособленные. Во-вторых, предполагается, что новые формы возникают вследствие чисто случайных нарушений генной структуры» (В. Гейзенберг. Физика и философия. Часть и целое.- М., 1989.- С. 236). Некоторые из событий, приводимых в качестве доказательства эволюционной гипотезы, воспроизводимы в лаборатории, однако это не значит, что они действительно имели место в прошлом, а свидетельствует об их возможности. На многие возражения до сих пор нет ответа. Поэтому концепцию Дарвина точнее все же относить к гипотезам, которые требуют дальнейшего подтверждения.
Концепция коэволюции
Критика дарвинизма велась со дня его возникновения. Одним не нравилось, что изменения, по Дарвину, могут идти во всех возможных направлениях и случайным образом. Концепция номогенеза утверждала, что изменения происходят не беспорядочно и случайно, а по законам форм. Русский ученый и революционер П. А. Кропоткин придерживался точки зрения, в соответствии с которой взаимопомощь является более важным фактором эволюции, чем борьба.
Эти возражения не могли поколебать общей теории эволюции вплоть до появления под влиянием экологических исследований концепции коэволюции, которая смогла объяснить возникновение полов и другие феномены. Как химическая эволюция — результат взаимодействия химических элементов, так по аналогии биологическая эволюция может рассматриваться как результат взаимодействия организмов. Случайно образовавшиеся более сложные формы увеличивают разнообразие и стало быть устойчивость экосистем. Удивительная согласованность всех видов жизни есть следствие коэволюции.
Концепция коэволюции хорошо объясняет эволюцию в системе «хищник — жертва» — постоянное совершенствование и того, и другого компонента системы. В системе «паразит — хозяин» естественный отбор должен вроде бы способствовать выживанию менее вирулентных (опасных для хозяина) паразитов и более резистентных (устойчивых к паразитам) хозяев. Постепенно паразит становится комменсалом, т. е. безопасным для хозяина, а затем они могут стать мутуалами — организмами, которые способствуют взаимному процветанию, как грибы и фотосинтезирующие бактерии, вместе образующие лишайники. Но так происходит не всегда. Паразиты являются неизбежной, обязательной частью каждой экосистемы. Коэволюционная «гонка вооружений» способствует большему разнообразию экосистем. Паразиты препятствуют уничтожению хозяевами других видов.
Совместная эволюция организмов хорошо видна на следующем примере. Простейшие жгутиковые, живущие в кишечнике термитов, выделяют фермент, без которого термиты не могли бы переваривать древесину и расщеплять ее до Сахаров. Встречая в природе симбиоз, мы можем предполагать, что его конечной стадией является образование более сложного организма. Травоядные животные могли развиться из симбиоза животных и микроскопических паразитов растений. Паразит уже обрел некогда способность производить ферменты для переваривания веществ, имевшихся в организме его хозяина-растения. Животное же делится с паразитом питательными веществами из растительной массы.
Концепция коэволюции объясняет и факты альтруизма у животных: заботу о детях, устранение агрессивности путем демонстрации «умиротворяющих поз», повиновение вожакам, взаимопомощь в трудных ситуациях и т. п.
Гипотеза Гея-Земли.
Эта гипотеза возникла в последние два десятилетия на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции. Авторами ее являются английский химик Джеймс Лавлок и американский микробиолог Линн Маргулис. Вначале была обнаружена химическая неравновесность атмосферы Земли, которая рассматривается как признак жизни. По мнению Лавлока, если жизнь представляет собой глобальную целостность, ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы планеты.
Лавлок ввел понятие геофизиологии, обозначающее системный подход к наукам о Земле. Согласно Гея-гипотезе, сохранение длительной химической неравновесности атмосферы Земли обусловлено совокупностью жизненных процессов на Земле. С начала жизни 3,5 млрд. лет назад существовал механизм биологической автоматической термостатики, в котором избыток двуокиси азота в атмосфере играл регулирующую роль, препятствуя тенденции потепления, связанной с возрастанием яркости солнечного света. Другими словами, действует механизм обратной связи.
Лавлок сконструировал модель, в соответствии с которой при изменении яркости потоков солнечного света растет разнообразие, ведущее к возрастанию способности регулировать температуру поверхности планеты, а также к росту биомассы.
Суть Гея-гипотезы: Земля является саморегулирующейся системой, созданной биотой и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата. По Лавлоку, мы — обитатели и часть квазиживой целостности, которая обладает способностью глобального гомеостаза, снисходительного к нарушениям, если она в хорошей форме, в пределах своей способности к саморегуляции. Когда подобная система попадает в состояние стресса, близкого к границам саморегуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое стабильное состояние или даже полностью уничтожить.
В то же время «Гея» превращает даже отбросы в необходимые элементы и, видимо, может выжить даже после ядерной катастрофы. Эволюция биосферы, по Лавлоку, может быть процессом, который выходит за рамки полного понимания, контроля и даже участия человека.
Подходя к Гея-гипотезе с биологических позиций, Л. Маргулис полагает, что жизнь на Земле представляет собой сеть взаимозависимых связей, позволяющих планете действовать как саморегулирующаяся и самопроизводящая система. В 60-х годах Маргулис предположила, что эукариотические клетки произошли в результате симбиотического союза простых прокариотических клеток, таких как бактерии.
Маргулис выдвинула гипотезу, что митохондрии (клеточные органеллы, которые производят энергию из кислорода и углеводов) произошли от аэробных бактерий; хлоропласты растений когда-то были фотосинтезирующими бактериями. По мнению Маргулис, симбиоз — образ жизни большинства организмов и один из наиболее созидательных факторов эволюции. Например, 90% растений существуют вместе с грибами, поскольку грибы, связанные с корнями растений, необходимы им для получения питательных веществ из почвы. Совместная жизнь приводит к появлению новых видов и признаков. Эндосимбиоз (внутренний симбиоз партнеров)—механизм усложнения строения многих организмов. Изучение ДНК простых организмов подтверждает, что сложные растения произошли из соединения простых. Схематически это можно представить следующим образом:
Такая симбиотическая коэволюция хорошо согласуется с данными синергетики, и ею можно объяснить образование колонии амеб под влиянием недостатка пищи и образование муравейника. В синтетических терминах это описывается так. Начальной «флуктуацией» является несколько большая концентрация комочков земли, которая рано или поздно возникает в какой-то точке области обитания термитов. Но каждый комочек пропитан гормоном, привлекающим других термитов. Флуктуация растет, и конечная площадь гнезда определяется радиусом действия гормона.
Так происходит переход от целесообразности на уровне организмов к целесообразности на уровне сообществ и жизни в целом — целесообразности в научном смысле слова, определяемой тем, что существуют не внешние по отношению к сообществам, а внутренние объективные надорганизменные механизмы эволюции, которые и изучает наука.
С точки зрения концепции коэволюции естественный отбор, который играл главную роль у Дарвина, является не «автором», а скорее «редактором» эволюции. Конечно, в этой сложной области исследований науку ждет еще немало важных открытий.
Тема 13
Происхождение и эволюция человека
Человек как предмет естественнонаучного познания. Проблема появления человека на Земле. Сходство и отличия человека от животных. Антропология. Эволюция культуры.
Человек как предмет естественнонаучного познания
Когда мы говорили о различии естественнонаучного и гуманитарного знания, то определили, что естествознание изучает природу, как она есть, а гуманитарные науки изучают духовные произведения человека. В каком смысле, учитывая такое разделение, можно говорить о человеке как предмете естествознания? В том смысле, что человек тоже естествен: во-первых, по своему происхождению, и, во-вторых, по своей природе, т. е. биологической основе своего существования. Человека можно рассматривать и как физическое тело и как биологическое существо, хотя он не сводится к этому.
В настоящее время в науке утвердилось представление, что человек — биосоциальное существо, соединяющее в себе биологическую и социальную компоненты. С этим можно согласиться, не забывая: 1) что человека можно рассматривать и с физической точки зрения и изучать происходящие в нем химические процессы; 2) что не только человек обладает социальной формой существования, но и многие животные. Более того, с каждым годом этология накапливает все больше данных, свидетельствующих о том, что социальное поведение человека во многом генетически детерминировано.
Еще в античной философии много внимания уделялось определению природы человека. Киники видели ее в естественном образе жизни и ограничении желаний и материальных потребностей; Эпикур — в чувствах, общих у человека и животных; Сенека и стоики — в разуме. В западной философии, особенно в марксизме, на передний план выдвинулось представление о социальной сущности человека.
С точки зрения современной науки более точно разделять биологическую предопределенность существования человека и его родовую (собственно человеческую) сущность. Поисками границ между биологическим и специфически человеческим занимается наука, получившая название социобиологии. Эта наука в применении к изучению человека находится на стыке естественнонаучного и гуманитарного знания.
Итак, человек как предмет естественнонаучного познания может рассматриваться в трех аспектах: 1) происхождение; 2) соотношение в нем естественного и гуманитарного; 3) изучение специфики человека методами естественнонаучного познания. Первое направление, традиционно называемое антропологией, изучает: когда, от кого и как произошел человек и чем он отличается от животных; второе направление — социобиология — изучает генетическую основу человеческой деятельности и соотношение физиологического и психического в человеке; к третьему направлению относится изучение естественнонаучным путем мозга человека, его сознания, души и т. п.
Проблема появления человека на Земле
Как и в вопросе происхождения Вселенной и жизни, существует представление о божественном творении человека. «И сказал Бог: сотворим человека по образу нашему, по подобию нашему... И сотворил Бог человека по образу своему» (Бытие. 1.26,27). В индийской мифологии мир происходит из первого прачеловека — Пуруши.
Во многих первобытных племенах были распространены представления о том, что их предки произошли от животных и даже растений (на этом основано представление о тотемах), а такие верования встречаем у так называемых отсталых народов до сих пор. В античности высказывались мысли о естественном происхождении людей из ила (Анаксимандр). Тогда же заговорили о сходстве человека и обезьяны (Ганнон из Карфагена).
В настоящее время в связи с ажиотажем вокруг НЛО в моду вошли версии о происхождении человека от внеземных существ, посещавших Землю, или даже от скрещивания космических пришельцев с обезьянами.
Но господствует в науке с XIX века вытекающая из теории эволюции Дарвина концепция происхождения человека от высокоразвитых предков современных обезьян. Она получила в XX веке генетическое подтверждение, поскольку из всех животных по генетическому аппарату ближе всего к человеку оказались шимпанзе.
Сходства и отличия человека от животных
Прежде чем говорить о времени появления человека мы должны выяснить вопрос об отличии человека от животных, поскольку именно представление о том, что такое человек, формирует выводы о его становлении. Сначала о сходстве человека и животных. Оно определяется, во-первых, вещественным составом, строением и поведением организмов. Человек состоит из тех же белков и нуклеиновых кислот, что и животные, и многие структуры и функции нашего тела такие же, как и у животных. Чем выше на эволюционной шкале стоит животное, тем ближе его сходство с человеком. Во-вторых, человеческий зародыш проходит в своем развитии те стадии, которые прошла эволюция живого. И, в-третьих, у человека имеются рудиментарные органы, которые выполняли важные функции у животных и сохранились у человека, хотя не нужны ему (например, аппендикс).
Однако и отличия человека от животных фундаментальны. К ним прежде всего относится разум. Что это такое? Изучение высших животных показало, что они обладают многим из того, на что раньше считались способны только люди. Эксперименты с обезьянами обнаружили, что они могут понимать слова, сообщать с помощью компьютера о своих желаниях, и с ними можно вести таким образом диалог. Но чем не обладают самые высшие животные, так это способностью к понятийному мышлению, т. е. к формированию отвлеченных, абстрактных представлений о предметах, в которых обобщены основные свойства конкретных вещей. Мышление животных, если о таковом можно говорить, всегда конкретно; мышление человека может быть абстрактным, отвлеченным, обобщающим, понятийным, логичным.
Чем выше способность к понятийному мышлению, тем выше интеллект человека. Оценить действительное значение разума помогает, в частности, соперничество человека с шахматным компьютером, который пытается выиграть за счет громадных скоростей перебора всех возможных вариантов.
Этология получает все больше данных о том, что в поведении человека и животных много схожего. Животные испытывают чувства радости, горя, тоски, вины и т. п.; у них есть любопытство, внимание, память, воображение. Тем не менее остается справедливым, что хотя животные имеют очень Сложные формы поведения и создают изумительные произведения (например паутина, которую ткет паук), человек отличается от всех животных тем, что до начала работы имеет план, проект, модель постройки. Благодаря способности к понятийному мышлению, человек сознает, что он делает, и понимает мир.
Вторым главным отличием является то, что человек обладает речью. Опять-таки, у животных может быть очень развитая система общения с помощью сигналов (что, кстати, позволило говорить о «цивилизации дельфинов»). Но только у человека есть то, что И. П. Павлов назвал второй сигнальной системой (в отличие от первой—у животных) — общение с помощью слов. Этим человеческое общество отличается от других общественных животных.
Что такое слово? Это видовой признак человека, который состоит в непосредственном доступе нашего сознания к высшему организующему началу бытия, к последнему звену восходящей цепочки мировых принципов, начинающейся с точного подбора физических констант. Так утверждает один из современных методологов науки, выводящий значение слова из утверждения, которым открывается одно из Евангелий: «В начале было Слово». С этих позиций и разум и слово появились задолго до человека, а не изобретены им. Они организовали биологическую материю, а затем были вложены в человека, что соответствует не только библейским текстам, но и философским системам Платона и Гегеля.
В естествознании же, пытающемся выяснить естественные причины человеческих способностей, известна гипотеза происхождения речи из звуков, произносимых при работе, которые потом становились общими в процессе совместного труда. Сначала появились корни глаголов, соответствующие определенным видам деятельности, затем другие части слова и речи. Такова суть гипотезы немецкого антрополога М. Мюллера. Таким же путем в процессе общественного труда постепенно мог возникнуть разум.
Способность к труду — еще одно фундаментальное отличие человека от животных. Конечно, все животные что-то делают, а высшие животные способны к сложным видам деятельности. Обезьяны, например, используют палки в виде орудий для доставания плодов. Но только человек способен изготовлять, творить орудия труда. С этим связаны утверждения, что животные приспосабливаются к окружающей среде, а человек преобразует ее, и что в конечном счете труд создал человека.
Со способностью к труду соотносятся еще два отличительных признака человека: прямохождение, которое освободило его руки, и, как следствие, развитие руки, особенно большого пальца на ней. Наконец, еще два характерных признака человека, повлиявших на развитие культуры — использование огня и захоронение трупов.
Главные отличия человека от животных: понятийное мышление, речь, труд, — стали теми путями, по которым шло обособление человека от природы.
Антропология
В широком смысле «антропология» — наука о человеке (от греч. «антропос» — человек). Но так как человека изучает множество наук, как естественных, так и гуманитарных, то за антропологией в узком смысле осталась проблема происхождения человека и определения специфики его строения и эволюции.
Бурное развитие антропология получила во второй половине XIX века после создания теории эволюции Дарвина. Э. Геккель выдвинул гипотезу о существовании в прошлом промежуточного между обезьяной и человеком вида, который он назвал питекантропом (букв. «Обезьяночеловек»). Он же предположил, что не современные обезьяны были предками человека, а дриопитеки («древесные обезьяны»), которые жили в середине третичного периода (70 млн. лет назад). От них одна линия эволюции пошла к шимпанзе и гориллам, другая — к человеку. 20 млн. лет назад под влиянием похолодания джунгли отступили и одной из ветвей дриопитеков пришлось спуститься с деревьев и перейти к прямохождению (так называемые «рамопитеки», остатки которых найдены в Индии и названы в честь бога Рамы).
В 1960 году английский археолог Л. Лики открыл в Восточной Африке «Человека Умелого», возраст которого 2 млн. лет, а объем мозга 670 куб. см. В этих же слоях были обнаружены орудия труда из расколотой речной гальки, заостренной при помощи нескольких сколов, которые он, как предполагают, изготовлял. Позже на озере Рудольф в Кении были найдены остатки существ того же типа возрастом 5,5 млн. лет. Наличие изготовленных орудий труда (если по этому факту судить о становлении человека) позволили существенно увеличить его возраст.
После этого укрепилось мнение, что именно в Восточной Африке в четвертичном периоде кайнозойской эры произошло разделение человека и человекообразных обезьян (не ранее, так как гены тех и других слишком сходны), т. е. разошлись эволюционные линии человека и шимпанзе. Эти выводы подтверждены измерениями по так называемым «молекулярным часам». Скорость изменения генов за счет точечных мутаций (изменений отдельных пар оснований ДНК) устойчива на протяжении долгих периодов времени, и ее можно использовать для датировки отхождения данной эволюционной ветви от общего ствола.
Что было причиной появления человека именно в одном месте? В Восточной Африке имеют место выходы урановых пород и существует повышенная радиация. Последняя, как доказано генетикой, вызывает мутации. Таким образом, здесь эволюционные изменения могли протекать более быстрыми темпами. Возникший вид, физически более слабый, чем окружение, должен был, чтобы выжить, начать изготавливать орудия, вести общественный образ жизни и развить разум как мощный инструмент слабого от природы существа, не обладающего достаточными естественными органами защиты.
«Человека Умелого» относят к австралопитекам (букв, «южная обезьяна»), остатки которого впервые найдены в Африке в 1924 году. Объем мозга австралопитека не превышал объема мозга человекообразных обезьян, но он был способен к созданию орудий труда. Это стало формой преодоления противоречия между недостаточной естественной вооруженностью австралопитека и большой насыщенностью его существования опасными ситуациями.
Гипотетически предположенным Э. Геккелем питекантропом были названы остатки, обнаруженные в 1891 году на острове Ява. Существа, жившие 0,5 млн. лет назад, имели рост более 150 см, объем мозга примерно 900 куб. см. использовали ножи, сверла, скребки, ручные рубила. В 20-е годы XX века в Китае был найден синантроп («китайский человек») с близким к питекантропу объемом мозга. Он использовал огонь и сосуды, но не имел речи.
В 1856 году в долине Неандерталь в Германии обнаружили остатки существа, жившего 150-40 тыс. лет назад, названного неандертальцем. Он имел объем мозга, близкий к современному человеку, но покатый лоб, надбровные дуги, низкую черепную коробку; жил в пещерах, охотясь на мамонтов. У неандертальца впервые обнаружены захоронения трупов.
Наконец, в пещере Кро-Маньон во Франции в 1868 году были найдены остатки существа, близкого по облику и объему черепа (до 1600 куб. см.) к современному человеку, имевшему рост 180 см и жившему от 40 до 15 тыс. лет назад. Это и есть «Человек Разумный». В ту же эпоху появились расовые различия. У изолированных групп складывались особые признаки (светлая кожа у «белых» и т. п.).
Итак, линия эволюции человека выстраивается следующим образом: «Человек умелый» (австралопитек), «Человек прямоходящий» (питекантроп и синантроп), «Человек неандертальский», «Человек разумный» (кроманьонец). После кроманьонца человек не изменялся генетически, тогда как его социальная эволюция продолжалась.
У. Хавеллз утверждает, что человек современного типа возник 200 тыс. лет тому назад в Восточной Африке. Эта гипотеза получила название «Ноева ковчега», потому, что по Библии, все расы и народы произошли от трех сыновей Ноя — Сима, Хама и Иафета. В соответствии с этой версией питекантроп, синантроп и неандерталец — не предки современного человека, а различные группы гоминид (человекообразных существ), вытесненных «Человеком прямоходящим» из Восточной Африки. В пользу данной гипотезы свидетельствуют генетические исследования, которые не всеми антропологами и палеонтологами признаются надежными.
Альтернативная точка зрения мультирегиональной эволюции человечества (М. Уолпофф) утверждает, что только архаичные люди возникли в Африке, а современные — там, где они живут сейчас. Человек покинул Африку не менее 1 млн. лет назад. Эта гипотеза основывается на палеонтологическом сходстве между современными людьми и далекими предками, живущими в местах их обитания.
Какая из этих гипотез справедлива, сказать пока невозможно, так как палеонтологическая летопись неполна и промежуточные виды между человеком и обезьянами до сих пор в полном объеме неизвестны.
Эволюция культуры
Помимо эволюции человека как биологического вида, можно говорить об эволюции культуры. Здесь была предложена шкала, которая основывалась на материале орудий, созданных и применяемых человеком. Выделен каменный век — эпоха применения каменных орудий, а в его пределах палеолит (древнекаменный век) и более дробно нижний палеолит (австралопитек и «Человек прямоходящий»): преобладание галечных орудий, ручных рубил и чопперов (больших галечных орудий, оббитых с одной стороны); средний палеолит (неандерталец): преобладание орудий на отщепах (отколотых частях камня, являющихся заготовкой для более сложных орудий); верхний палеолит (от 38 тыс. лет): появление пещерного искусства у «Человека разумного». В мезолите (среднекаменном веке) преобладал охотничье-собирательный тип общественного устройства.
Важное событие произошло в неолите (новокаменный век) 9-6 тыс. лет тому назад, получившее название неолитической революции — одомашнивание диких животных, переход к выращиванию растений и оседлому образу жизни (свайные постройки). Из охотничье-собирательного хозяйство превратилось в производящее скотоводческо-земледельческое. Виды домашних животных и культурных растений, выведенные с помощью искусственного отбора и гибридизации, гончарное производство, ткачество, металлургия и другие результаты неолитической революции широко используются и поныне.
Следующие стадии культуры сведены в так называемую систему «трех веков» — медный, бронзовый, железный. Они имели каждый свою датировку, но потом выяснилось, что это скорее стадии развития отдельной культуры, и их время зависит от времени развития данной культуры. Последовательность смены «веков» не везде соблюдается и в целом данная схема ныне признается неудовлетворительной, хотя ничего лучшего пока не предложено.
Развитие цивилизации, по А. Тойнби, идет через подражание. Это соответствует гипотезе, что способность к имитации поведения других видов имела большое значение на ранних стадиях человеческой эволюции для «вписывания» человека в природу и установления гармоничных отношений с ней. Способность к имитации, доставшаяся от обезьян, послужила основой социального развития человека. Р. Дикинс ввел понятие «мим» — единица подражания. Примерами «мимов» являются мотивы, идеи, фразы, моды, способы создания вещей или частей здания.
В так называемых «традиционных обществах», по Тойнби, подражают старшим, и такое общество консервативно и мало способно к развитию. В «прогрессивных обществах» подражают талантливым, и такое общество способно к более быстрому развитию. Понятие прогресса применимо только к эволюции в целом. Отдельные общества могут регрессировать по своему духовному и культурному уровню (например, аборигены Австралии), возможно, из-за доступности пищи и более легких условий существования, которые препятствуют совершенствованию.
Для нормального развития, по Тойнби, необходимы кризисы, которые требуют напряжения сил для адекватного ответа на вызов ситуации. Человек достигает цивилизованного состояния не вследствие биологических дарований (наследственности) или легких условий географического окружения, а в процессе удачного реагирования на вызов в ситуации особой трудности, воодушевляющей на беспрецедентное усилие. Прогресс общества определяется, таким образом, ответом на вызов объективных условий существования.
Тема 14
Поведение и высшая нервная деятельность
Раздражимость и нервная система. Типы поведения. Рефлексы и бихевиоризм
Раздражимость и нервная система
Всеобщим свойством живых тел, определяющим их активную реакцию на воздействие окружающей среды, является раздражимость. У многоклеточных животных вся сенсорная информация воспринимается видоизмененными нервными клетками, носящими название рецепторов. Воспринимаемая рецепторами информация передается эффекторным клеткам и вызывает в них реакцию, определенным образом связанную со стимулом. Любое раздражение (механическое, световое и т. п.), воспринимаемое рецептором, преобразуется в процесс возбуждения.
Таблица 1. Типы рецепторов и воспринимаемые ими стимулы
(по книге: Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор. Биология. В 3-х т. Т. 2. M., 1990.-C. 217).
|
Тип рецепторов |
Энергетическая природа стимула |
Тип стимула |
|
Фоторецепторы |
Электромагнитная |
Свет |
|
Электрорецепторы |
Электричество |
|
|
Механорецепторы |
Механическая |
Звук, прикосновение, давление, гравитация |
|
Терморецепторы |
Тепловая |
Изменение температуры |
|
Хеморецепторы |
Химическая |
Влажность, запах, вкус |
На более высоких стадиях эволюции потребность в улучшении обратной связи между организмом и средой способствует развитию специализированных систем клеток и приводит к образованию органов чувств. Это наиболее сложные рецепторы, состоящие из большого числа чувствительных клеток, которые тонкими нервными волокнами связаны с центральной нервной системой. Например, глаз похож на фотокамеру с диафрагмой. В глазу человека 130 млн. клеток, которые создают как бы «мозаику».
Основная цель органа зрения — восприятие света. Лучи, падающие на светочувствительный экран сетчатки, вызывают в ее клетках фотохимическую реакцию, в результате которой световая энергия превращается в нервное возбуждение. Оно в виде импульсов передается в зрительные центры головного мозга. Правильнее говорить, что видит мозг, а не глаз.
Система передачи возбуждений от органов чувств к мозгу называется нервной системой. Она состоит из нейронов, или нервных клеток. «Хотя под влиянием электрических токов они обнаруживают довольно сложные свойства, обычное их физиологическое действие очень близко к принципу «все или ничего», т. е. они либо находятся в покое, либо, будучи возбуждены, приходят через ряд изменений, природа и интенсивность которых почти не зависит от раздражителя. Сначала наступает активная фаза, передаваемая от данного конца нейрона до другого с определенной скоростью; затем следует рефракторный период, когда нейрон не способен приходить в возбуждение, по крайней мере под действием нормального физиологического процесса. По окончании этого эффективного рефракторного периода нерв остается бездеятельным, но может быть снова приведен в возбуждение... За исключением тех нейронов, к которым сообщения поступают от свободных нервных окончаний или чувствительных концевых органов, каждый нейрон получает сообщения от других нейронов через точки контакта, называемые синапсами. Число синапсов у отдельных нейронов может изменяться от нескольких единиц до нескольких сотен» (Н. Винер. Кибернетика...- С. 187).
В основе деятельности нервной системы лежит восприятие сенсорной информации, передача электрохимическим путем возбуждения, его обработка и соответствующее реагирование на воздействие. Все нейроны делятся на афферентные (или сенсорные), проводящие импульсы от рецептора, и эфферентные (или двигательные), передающие импульсы к эффектору. В состав последнего входят и возбуждающие и тормозные нейроны, которые заставляют действовать или тормозят действие. Характер ответа, его величина и продолжительность находятся в прямой зависимости от природы стимула.
Нервные сигналы передаются в виде электрических импульсов. Нейроны называются возбудимыми клетками, так как на их мембране электрический потенциал меняется. Пока клетка находится в неактивном состоянии, ее потенциал покоя остается постоянным. Потенциал покоя имеет физико-химическую природу и обусловлен разностью ионных концентраций по обе стороны мембраны аксона — отростка нервной клетки — и избирательной проницаемостью мембраны для ионов. При возникновении потенциала действия проницаемость мембраны аксона повышается, и в него входят ионы.
Существует механизм адаптации сенсорных нейронов. При длительном воздействии сильного раздражителя большинство рецепторов вначале возбуждают в сенсорном нейроне импульсы с большой частотой, но постепенно частоты их снижаются. Значение адаптации сенсорных клеток состоит в том, что она позволяет получить информацию об изменениях в окружающей среде. Когда этих изменений нет, клетки находятся в покое, что предотвращает перегрузку центральной нервной системы ненужной информацией.
Интересно проследить сходства и различия между ЭВМ и нервной системой. Они сведены в следующую таблицу:
|
Сходства. |
Различия. |
|
I. Работа по принципу «все или ничего» на основе электрических потенциалов. |
1. В мозгу, в отличие от ЭВМ, ничего не стирается. |
|
2. Переработка энергии в информацию (ЭВМ потребляет гораздо больше энергии) |
2. Организмы состоят из больших белковых молекул, а машины — из малых молекул. |
|
3. Способность к обучению. |
3. Живые системы более эффективны и приспособляемы. |
|
4 . Живые механизмы, как правило, имеют значительно меньшие размеры, чем изготовляемые человеком для аналогичных целей. |
|
|
5. Машины могут испускать электричество (электрические машины), генерировать короткие волны (радио), а живые организмы, не могут. |
На основании данного сопоставления можно сделать вывод, что мозг аналогичен управляющему вычислительному устройству, которое можно использовать как его модель.
Дисциплина, изучающая нервную систему живых организмов, получила название нейрофизиологии. Она является переходной между физиологией и психологией и предметом ее исследования служат связи между физиологическими и психическими процессами. «Известно, что повышение температуры почти до физиологических границ облегчает выполнение большей части, если не всех, нейронных процессов», — подчеркивает эту связь Н. Винер в «Кибернетике» (Цит. соч.- С. 111).
Нейрофизиология изучает процессы передачи информации в нервной системе и строение мозга. Мозг состоит из серого и белого вещества. Серое вещество — нейроны, белое — нервные волокна, т. е. части аксонов (длинных отростков нейронов). Так как способность к научению у млекопитающих пропорциональна величине больших полушарий, очевидно, что именно они служат местом образования и
хранения памяти. Информация поступает в мозг крест-накрест. Поэтому у большинства (правшей) лучше развито левое полушарие. «Главная функция мозжечка состоит в регулировании нервных механизмов обратной связи, участвующих в целенаправленной двигательной активности» (Н. Винер. Кибернетика...- С. 289).
Изучение памяти, т. е. способности хранить и извлекать информацию о прошлом опыте, — важная задача нейрофизиологии. Хороший способ построить кратковременную память — это заставить последовательность импульсов циркулировать по замкнутой цепи. «Можно думать, что образование следов памяти связно с действием биохимического механизма, включающего синтез в мозгу определенных веществ. Экстракты из центральной нервной ткани обученных плоских червей или крыс при введении необученным червям или крысам соответственно сокращали время, необходимое для усвоения тех же задач» (Н. Грин и др. Биология... - Т. 2.-С. 311).
Информация, пишет Н. Винер, «сохраняется в мозгу долгое время благодаря изменениям порогов нейронов, или, другими словами, благодаря изменениям проницаемости каждого синапса для сообщений» (Н. Винер. Кибернетика...- С. 191). Эти пороги повышаются «и самый процесс обучения и запоминания истощает наши способности, пока жизнь не расточит основной канал жизнеспособности» (Там же.- С. 192). Это дало основания Винеру сделать вывод, что сама жизнь индивидуума соответствует выполнению одной программы, после чего она «стирается».
Нарушения в деятельности нервной системы могут быть связаны с ее перегрузкой «вследствие избытка передаваемых сообщений, физической потери каналов связи или чрезмерного занятия каналов такой нежелательной нагрузкой, как циркулирующие записи памяти, усиливающиеся до превращения в навязчивые идеи (Там же. - С. 222). Применение в психиатрии электрического тока, инсулина и других психотерапевтических средств основано на их способности разрушать механизмы памяти.
Помимо нервной системы координирует деятельность организма эндокринная система. Она передает сигналы с помощью веществ, переносимых кровью и реагирует образованием какого-либо вещества, например, слез при попадании в глаз частичек пыли. Эти вещества выделяются так называемыми железами. Эндокринные железы секретируют гормоны — специальные химические соединения, которые образуются в каком-то одном участке тела, поступают в кровяное русло и доставляются к удаленным органам, тканям или группам клеток, где проявляют свое регулирующее действие. Различия между нервной и эндокринной регуляцией представлены в следующей таблице:
Таблица 3. (По H. Грин и др. Биология... Т. 2.- С. 298).
|
Нервная регуляция |
Эндокринная регуляция |
|
Информация передается по аксонам в виде электрических импульсов (химическая передача в синапсах). |
Информация передается химическими веществами через кровеносное русло |
|
Передача быстрая |
Передача медленная |
|
Ответ наступает тотчас |
Ответ обычно развивается медленно |
|
Ответ кратковременный |
Ответ продолжительный |
|
Ответ четко локализован |
Ответ обычно генерализованный |
Типы поведения
На стадии раздражимости мы имеем дело с реагированием организма на воздействие внешней среды самым простым образом. С появлением органов чувств и нервной системы поведение становится более сложным и активным, не сводясь к механическому движению. Оно определяется мышечными сокращениями и сигналами из центральной нервной системы, которые зависят от деятельности органов чувств. Как и его простая форма — движение, — поведение является способом адаптации организма к воздействиям окружающей среды.
Поведение — эволюционный механизм. В тех случаях, когда животные сталкиваются с быстротечными изменениями в окружающей среде, морфологические приспособления не могут обеспечить выживания, так как изменения в строении тела совершаются слишком медленно. В этих ситуациях животных спасают только изменения в поведении.
«Двух видов животных, которые вели бы себя одинаково, не существует» (Н. Тинберген. Социальное поведение животных.- М., 1993.- С. 18). С другой стороны, у животных одного вида много разных типов поведения. Живые организмы столь же разнообразны по своему поведению, как и по богатству размеров, форм и красок. Имеет место принцип единства строения и поведения. Используя метод проб и ошибок животные останавливаются в конце концов на том типе поведения, который наиболее соответствует строению их тела.
Как разделяются типы поведения показано на схеме.
Великое множество форм поведения определяется генетическими факторами и в такой же степени зависит от генетической неоднородности видов и популяций, как и многообразие телесных форм. Более того, очень вероятно, что и различия в поведении представителей одной популяции также наследственно предопределены, по крайней мере, частично. Эксперименты показывают, что естественный отбор влияет на поведение, а поведение на генотип. Поведение оказывает влияние на групповой состав популяции и, тем самым, на судьбу возникающих в ней генотипических изменений. Таким образом возможна поведенческая селекция сельскохозяйственных животных.
Поведение конкретного организма определяется внутренним и внешним программированием. Внешнее программирование осуществляется благодаря индивидуальному приспособлению животного к окружающей среде в ходе накопления опыта. Внутреннее программирование есть результат постепенной эволюции вида.
Рефлексы и бихевиоризм.
Простейшей реакцией нервной системы является рефлекс. Он представляет собой быструю, автоматическую, стереотипную реакцию на раздражение, не находящуюся под контролем сознания. Нейроны, образующие путь нервных импульсов при рефлекторном акте, составляют так называемую рефлекторную дугу, имеющую следующий вид:
Стимул → рецептор → нейронная сеть → эффектор → реакция
В начале XX века выдающийся русский ученый, продолжатель русской школы рефлексологии Иван Петрович Павлов (1849 — 1936) создал учение о нервной деятельности, дав научное объяснение работы коры больших полушарий головного мозга. Проводя опыты над собаками, Павлов пришел к выводу, что научение происходит путем формирования у животных условных рефлексов в дополнение к безусловным.
Условные рефлексы представляют собой тип рефлекторной активности, при которой характер ответа зависит от прошлого опыта. В опытах Павлова кормление собак сочеталось, например, со звонком. После многократного повторения эксперимента только при подаче звукового сигнала у собак начиналось слюноотделение. Это свидетельствовало об образовании условного рефлекса.
Подобные опыты были продолжены в других странах. Наиболее значительные успехи достигнуты в этом направлении в США и связаны прежде всего с именем Б. Скиннера, положившего начало концепции бихевиоризма (от английского слова «поведение»).
Б. Скиннер приучал животных (голубей, крыс) совершать необычные для них действия, которые немедленно вознаграждались. Вслед за Павловым, Скиннер подтвердил большие возможности изменения психики животных под влиянием внешних воздействий.
Н. Винер сравнил бихевиористский подход с кибернетическим. «Бихевиористский метод состоит в рассмотрении выхода объекта и отношений между выходом и входом. Под выходом понимается любое изменение, производимое объектом в окружении. Обратно, под входом понимается любое внешнее к объекту событие, изменяющее любым образом этот объект» (Н. Винер. Кибернетика...- С. 285). Не случайно и У. Р. Эшби начал свою книгу «Введение в кибернетику» с анализа работ Павлова.
Следует отметить, что данные эксперименты проводились в условиях неволи, неестественных для животных. Результатом исследований было то, что все механизмы психики (от низших до высших форм) объявлялись рефлекторными и контролируемыми, и таким образом животные низводились до уровня автоматов (напомним, что еще Декарт считал животных живыми автоматами). Бихевиоризм, по существу, отрицал самостоятельное значение психики и сводил деятельность центральной нервной системы к управляемому извне образованию условных рефлексов.
Тема 15
Этология и социобиология
Инстинкт и научение. Формы сообществ. Поведение и гены
Инстинкт и научение
В начале 30-х годов XX века усилиями австрийского зоолога К. Лоренца (1903-1989) и других ученых были заложены основы науки о поведении животных, которая получила название этологии (от греческого «этос» — нрав, характер; тот же корень в слове «этика»—наука о поведении человека).
Этология изучает животных преимущественно в свободных условиях и ее результаты значительно расширили представление об их поведении. С точки зрения этологии поведение животных зависит от стимула (ключевых раздражителей) и вот внутренних процессов и агентов (в частности, гормонов, выделяемых в кровь и тканевую жидкость железами внутренней секреции), которые влияют на рост и т. п.
Животные рождаются на свет со значительной частью приспособительных форм поведения, которые носят название инстинктов. «Инстинктивные, унаследованные движения развиваются подобно органам тела и не требуют специальной практики» (К. Лоренц. Агрессия. - М., 1994). Врожденный реализующий механизм обеспечивает врожденные инстинктивные движения.
Инстинкты специфичны для каждого вида и отличаются от простых рефлексов степенью сложности. Это единицы поведения, определяемые генотипом. Гипотеза механизма инстинктивного поведения такова. Под действием внешних и внутренних факторов в соответствующих нервных центрах происходит накопление «энергии действия», специфичной для определенного побуждения (голод и т. п.). Ее возрастание выше некоторого уровня приводит к появлению поисковой фазы, которая состоит в активном поиске раздражителей, при помощи которых могло бы быть удовлетворено побуждение. При усиленном накоплении «энергии действия» завершающий акт может осуществиться без ключевых раздражителей.
Инстинкты — результат воздействия внешнего мира на организм и они могут совершенствоваться тем же путем, каким возникают и закрепляются за видом новые морфологические признаки.
Можно выделить следующие особенности поведения животных:
1. Наличие обратной связи в механизме поведения предохраняет животных от излишних действий (если желудок полон, животное не будет есть). Внешние воздействия выбираются животным в зависимости от его внутреннего состояния.
2. Улучшение одних аспектов поведения влечет за собой вредные последствия в других, так что идеал недостижим. Так и должно быть, чтобы разнообразие увеличивало устойчивость биосферы.
3.« В природе существует не только целесообразное для сохранения видов, но и все не настолько нецелесообразное, чтобы повредить существованию вида» (К. Лоренц. Агрессия...- С. 159).
4. Животное обладает примитивными формами предвидения.
5. Поведение целостно и все инстинкты соединены в «Парламент Инстинктов», устанавливающий определенную координацию.
Питанию, росту, размножению и самосохранению соответствуют четыре рода инстинктов: голода, половой, агрессии и страха. Агрессия, по Лоренцу, является подлинным первичным инстинктом, направленным на сохранение вида. Она проявляется прежде всего в конкуренции внутри вида. Наиболее приспособленные особи могут захватывать большую территорию, приносить большее потомство и передавать свои гены следующему поколению. Смысл внутривидовой борьбы, во-первых, в том, что «для вида... всегда выгодно, чтобы область обитания или самку завоевал сильнейший из двух соперников» (К. Лоренц. Агрессия. - С. 37). Второе. «В выгодности равномерности распределения состоит важная видосохраняющая функция внутривидовой агрессии» (Там же. - С. 38). Третье. Защита потомства (и тренировка для этого). «Защита семьи, т. е. форма столкновения с вневидовым окружением вызвала появление поединка, а уже поединок отобрал вооруженных самцов» (Там же. - С. 47).
Каждый организм имеет собственную территорию, которую он охраняет от посторонних, особенно от тех, кто занимает ту же экологическую нишу. Граница участков «определяется исключительно равновесием сил, и при малейшем нарушении этого равновесия может перемещаться ближе к штаб-квартире ослабевшего, хотя бы, например, в том случае, если одна из рыб наелась и потому обленилась» (Там же. - С. 44). «С приближением к центру области обитания агрессивность возрастает в геометрической агрессии» (Там же.- С. 43).
Опасность инстинкта — в его спонтанности. При недостатке врагов смещается порог раздражения и животное готово проявить свою агрессивность по отношению к кому угодно. Другими словами, инстинкт начинает действовать без соответствующей мотивации.
Полезный, необходимый инстинкт «остается неизменным; но для особых случаев, где его проявление было бы вредно, вводится специально созданный механизм торможения» (Там же. - С. 114-115). Например, бои самцов. Бой из борьбы без правил возникает за счет:
1) ритуализации (мимическое утрирование, ритмическое повторение и т. п.); 2) увеличения промежутка времени перед началом боя; 3) торможения опасных движений при атаке.
Существует зависимость между действенностью оружия, которым располагает вид, и механизмом торможения, запрещающим применять это оружие против сородичей (наиболее кровожадные звери — волки — обладают самыми надежными тормозами). «Угрозы, выражаемые двумя особями в агонистической конфликтной ситуации, всегда заканчиваются тем, что одна из особей (как правило, более слабая) уступает и выходит из поединка, принимая позу подчинения или умиротворения. У собак и волков умиротворяющая поза выражается в том, что животное ложится на спину или подставляет победителю свое горло» (Н Грин и др. Биология...- Т. 2.- С. 308).
Механизм торможения включают в себя позы покорности, напоминающие детское поведение и поведение самки при спаривании. По Лоренцу, «у этих животных специальные механизмы торможения запрещали нападение на детей или, соответственно, на самок еще до того, как такие выразительные движения приобрели общий социальный смысл. Но если так — можно предположить, что именно через них из пары и семьи развилась более крупная социальная группа» (К. Лоренц. Агрессия... - С. 140).
Отбор, направленный одной лишь конкуренцией сородичей без связи с вневидовым окружением может быть нецелесообразным для вида. Поединок «служит полезному отбору лишь там, где бойцы проверяются не только внутривидовыми дуэльными правилами, но и схватками с внешним врагом» (Там же.- С. 50). Важнейшая функция поединка — это выбор боевого защитника семьи, и таким образом внутривидовая агрессия способствует охране потомства.
Ритуализация поведения выполняет функцию перевода агрессии в безопасное для животных русло и построения прочного союза двух или большего числа собратьев по виду. Ритуалы возникают из так называемых переориентированных действий. «Действие вызывается каким-то одним объектом, но на этот объект испускает и тормозящие стимулы, — и потому оно направляется на другой объект, как будто он и был причиной данного действия» (Там же.- С. 173) и из смещенной активности, возникающей в тех случаях, когда при наличии сильной мотивации два разных стимула действуют в противоположных направлениях. Так, в переориентированной церемонии умиротворения или «приветствии» соединяются две позы — агрессии и страха.
Образование подобных ритуалов облегчается тем, что все инстинкты связаны между собой. Чем более агрессивен вид, тем больше у него развит половой инстинкт, напряженность которого может привести к регрессии в агрессивность. Сильный страх по принципу «противоположности сходятся» также ведет к агрессии.
Взаимодействия инстинктов между собой зависит от пола животного. Если самка испытывает чувство страха, это повышает ее сексуальность, а чувство агрессивности — снижает. У самца, напротив, чувство страха отрицательно влияет на сексуальность, а чувство агрессивности — положительно.
Различные виды сигналов, имеющие большое значение в жизни животных, формируются из первичных движений, определяемых инстинктами. Эти естественные движения, ставшие четкими и внятными («преувеличенные жесты»), становятся своеобразным «языком» животных. В роли сигналов могут выступать и социальные гормоны — особые вещества, привлекающие особей того же вида. «Мускус, цибет, бобровая струя и другие сексуально возбуждающие вещества можно рассматривать как общественные, внешние гормоны, необходимые (особенно у животных, ведущих одинокую жизнь) для соединения полов в соответствующие периоды и служащие для продолжения рода... длинные скрученные кольца атомов углерода, обнаруженные в мусконе и цибетоне, не требуют большой перестройкой, чтобы превратиться в группы сросшихся колец, характерные для половых гормонов» (Н. Винер. Кибернетика...- С. 228-229).
Ни одну поведенческую реакцию нельзя рассматривать как только инстинктивную или приобретенную. «Поведение большинства животных достаточно хорошо запрограммировано от рождения, а, другой стороны, часто необходимы «уточняющие инструкции» из внешнего мира» (Н. Тинберген. Цит. соч.- С. 136). Целостный поведенческий акт—переплетение врожденных и приобретенных комплексов. Условия жизни могут значительно изменять инстинктивную форму поведения.
Врожденные способности совершенствуются в результате научения. Однако и сама готовность к научению предопределена «быстрее и лучше научить птицу той песне, которая предопределена внутренней программой» (Там же. - С. 141).
Теоретические работы К. Лоренца 1931 —1937 годов показали, что многократное повторение одной и той же ситуации приводит к образованию определенной связи в психике. Научение — это адаптивное изменение индивидуального поведения в результате освоения предшествующего опыта. Устойчивость вновь приобретенных форм поведения зависит от памяти, хранящей полученную в прошлом информацию.
Закрепленное приобретенное поведение превращается в привычку. «Значительная часть привычек, определяемых хорошими манерами, представляет собой ритуализированное в культуре утрирование жестов покорности, большинство из которых, вероятно, восходит к филогенетически ритуализованному поведению, имевшему тот же смысл» (К. Лоренц. Агрессия... - С. 87).
Основные виды научения сведены в следующую таблицу (по Торпу).
Таблица. (Я. Грин и др. Биология... Т. 2.- С. 312).
|
Тип научения |
Характеристика поведения |
|
1. Привыкание |
При продолжительном повторении стимулов, не подкрепляемых поощрением или наказанием, реакция на них постепенно угасает (птицы перестают бояться пугала) |
|
2. Ассоциативное научение |
|
|
а) Выработка условного рефлекса. |
Животное научается связывать безусловный стимул с условным и давать ответ на любой из них (опыты Павлова). |
|
б) Научение путем проб и ошибок |
Сочетание данного действия с наградой (положительное подкрепление) и наказанием (отрицательное подкрепление) соответственно повышает или уменьшает вероятность повторения этого действия в дальнейшем (опыты Скиннера). |
|
в) латентное научение |
Научение, которое может пригодиться в дальнейшем (знание непосредственного окружения своей норки мышью) |
|
г) Инсайт («постижение») |
Научение, основанное на информации, полученной ранее при других в чем-то сходных обстоятельствах. Инсайт возможен лишь при достаточном развитии интеллектуальных функций (опыты Келера с шимпанзе). |
|
д) Запечатление |
Проявляется во время раннего периода развития животного. В мозгу детеныша (или птенца) запечатлевается образ другого индивидуума, обычно родителя и создается особая «привязанность» к нему (опыты Лоренца). |
Появление психики — новый фактор адаптивной эволюции, возникающий у позвоночных животных. Это позволяет быстро менять привычки и навыки, что обеспечивает эволюционные преимущества млекопитающим. «Ограничения внутренней организации, особенно организации центральной нервной системы, определяют сложность предсказывающего поведения, которую может достичь млекопитающее» (Там же.- С. 290). «Индивидуальные различия между живыми существами прямо пропорциональны их психическому развитию» (Там нее.- С. 161).При одном из видов обучения — запечатлении — раздражитель эффективен в том случае, если он предъявляется животному в раннем возрасте.
Нашим ближайшим родственникам — обезьянам — свойственно манипулирование «бесполезными» предметами, что могло приводить к развитию больших полушарий головного мозга. Велика роль манипуляционной активности в индивидуальном развитии обезьян, в ознакомлении с окружающим миром и накоплении опыта, во внутри-стадном общении. Мимика, выразительные телодвижения, позы, по Б. Ф. Поршневу, способствует имитационному воздействию на другие виды и таким образом эволюционно удобны.
В процессе эволюции возрастает роль опыта старых животных и передачи приобретенной ими информации. Отсюда: а) долгая жизнь приобретает ценность для сохранения вида; б) возникает селективное давление в сторону развития способности к обучению; в) тесная связь между способностью к обучению и продолжительностью забот о потомстве; г) возраст животного находится, как правило, в прямой зависимости с тем рангом, который оно имеет в иерархии своего сообщества.
Формы сообществ
Животные живут поодиночке и сообща. Социальное поведение не случайность, а эволюционный механизм, возникновение которого определяется преимуществами, которые обеспечивает общественная жизнь. Повадка гнездиться тесными колониями уменьшает потери от хищников. Толпы «жертв» могут не только успешно противостоять, но даже нападать на хищников. Эволюционно сформировавшаяся потребность в другом может переселить все инстинкты, т. е. стать высшей целью и ценностью.
Социальные группы по величине могут колебаться от 2 особей у птиц, 10 —100 — у обезьян, до нескольких тысяч — у насекомых.
Самой простейшей формой сообщества является анонимная стая, в которой все находятся в одинаковом положении. Множество особей, тесно сомкнувшись, движутся в одном направлении за случайно выбранным вожаком. «Притягивающее действие, которое оказывает стая на отдельных животных и небольшие их группы, возрастает с размером стаи, причем вероятно даже в геометрической прогрессии» (К. Лоренц. Агрессия...- С. 150). Таковы стаи рыб, у которых группообразование, основанное на персональном узнавании партнеров, впервые встречается только у высших костистых видов.
«Существуют животные, — отмечает К. Лоренц, — которые полностью лишены внутривидовой агрессии и всю жизнь держатся в прочно связанных стаях. Можно было бы думать, что этим созданьям предначертано развитие постоянной дружбы и братского единения отдельных особей; но как раз у таких мирных стадных животных ничего подобного не бывает никогда, их объединение всегда совершенно анонимно. Личные узы, персональную дружбу мы находим только у животных с высокоразвитой внутривидовой агрессией, причем эти узы тем прочнее, чем агрессивнее соответствующий вид... Общеизвестно, что волк — самое агрессивное животное из всех млекопитающих... он же — самый верный из всех друзей. Если животное в зависимости от времени года попеременно становится то территориальным и агрессивным, то неагрессивным и общительным, любая возможная для него персональная связь ограничена периодом агрессивности» (К. Лоренц. Агрессия... - С. 214). Эволюционный механизм, заключающийся в необходимости совместной деятельности ради сохранения вида (забота о потомстве и т. п.) вырастает из внутривидовой агрессии, является как бы ее сублимацией. Внутривидовая агрессивность на миллионы лет старше личной дружбы и любви (личные узы появляются только у костистых рыб с позднего мезозоя).
Следующей формой сообщества является безличная семья, основанная на совместной жизни родителей и их потомства (например, у аистов). Замена одного члена семьи на другого проходит в безличной семье незамеченной, так как отсутствует индивидуальное распознавание.
Наряду с этим существуют личные семьи, таковые изучены у диких гусей. «Как ослабление агрессивного отталкивания, так и усиление дружественного притяжения, — пишет Лоренц, — зависит от степени знакомства соответствующих существ... Избирательное привыкание ко всем стимулам, исходящим от персонально знакомого сородича, очевидно, является предпосылкой возникновения любых личных связей и, пожалуй, их предвестником в эволюционном развитии социального поведения. Простое знакомство с сородичем затормаживает агрессивность и у человека» (Там же. - С. 160).
Личное узнавание сопровождается широким диапазоном чувств и переживаний, которые настолько многогранны, что справедливым кажется афоризм: «Животные — это эмоциональные люди с очень слабым интеллектом». Этология показывает, что в животном мире есть общественная жизнь с такими казалось бы специфическими для человека отношениями, как дружба, любовь и т. п. Высшие животные воспитываются в обществе. Им присущи чувства печали, радости, грусти и т. п. Они переживают не только потерю места, но и потерю друга. Любовь выступает как способ сдерживания агрессии у агрессивных видов, и эволюционно выгодна, так как обеспечивает репродуктивный успех.
Четвертой формой сообществ являются иерархические группы, которые известны у большого числа видов, начиная от пчел и термитов и кончая нашими ближайшими родственниками в животном мире — обезьянами. Иерархия — принцип организации, без которого не может развиваться упорядоченная совместная жизнь высших животных. Он заключается в том, что каждый в группе знает, кто сильнее и слабее его и ведет себя в соответствии с этим, соблюдая «порядок клевания». Положение в иерархии зависит от размеров, силы, выносливости и агрессивности. Если ввести вещество, повышающее агрессивность, самец переходит в более высокий ранг. Одно из преимуществ иерархии в том, что она уменьшает агрессивность особей, связанную с питанием, выбором полового партнера и места для выведения потомства.
Управляет иерархией одна особь или «коллегия». Занимающие высокие места в иерархии всегда помогают слабейшим. Иерархия укрепляется, если имеется враг вне группы, на которого может направляться агрессивность. Социальная иерархия повышает генетическую жизнеспособность сообщества благодаря тому, что наиболее сильные и приспособленные животные имеют преимущество, когда приходит время размножаться.
Муравьи, термиты и пчелы живут колониями, организованными по принципу кастовой системы. «У приматов сообщества довольно гибки в том смысле, что роли между членами группы могут перераспределяться, тогда как роли в сообществах насекомых определяются строением тела и способностью к размножению» (Н. Грин и др. Биология... Т. 2.- С. 309).
Обычно группы мирно уживаются между собой, но есть виды, которые ведет жестокую борьбу, кончающуюся гибелью всех групп, кроме одной—самой большой и агрессивной. Таковы взаимоотношения между кланами вечных спутников человека—крыс. «Трудность по-настоящему успешной борьбы с серой крысой—наиболее успешным биологическим противником человека—состоит прежде всего в том, что крыса пользуется теми же методами, что и человек: традиционной передачей опыта и его распространением внутри тесно сплоченного сообщества» (К. Лоренц. Агрессия...- С. 165).
Изучение конкурирующих кланов заставляет иначе посмотреть на идущие из XIX века представления о благотворности отбора. «Так вот, самое ужасное — и для нас, людей, в высшей степени тревожное — состоит в том, что эти добрые, старые дарвинистские рассуждения применимы только там, где существует какая-то внешняя, из окружающих условий исходящая причина, которая и производит такой выбор. Только в этом случае отбор вызывается приспособлением. Однако так, где отбор производится соперничеством сородичей самим по себе, — там существует... огромная опасность, что сородичи в слепой конкуренции загонят друг друга в самые темные тупики эволюции» (К. Лоренц. Агрессия... - С. 167).
Поведение и гены
С появлением генетики любые данные о животном мире неизбежно сопровождаются вопросом: насколько они генетически оправданы и закреплены? Это стало предметом сформировавшейся в 70-х годах XX века социобиологии. Основоположник социобиологии — американский ученый Э. Уилсон, выпустивший в 1975 году книгу «Социобиология: новый синтез». Социобиология представляет собой синтез популяционной генетики, эволюционной теории, этологии и экологии.
Можно выделить следующие исследования, ставшие предтечей социобиологии. У. Гамильтон выявил, что закрепление общественного образа жизни в двух отрядах — термитов и муравьев, пчел, ос — связано с тем, что у этих животных индивид в среднем содержит 50% одинаковых генов с родителями, братьями и сестрами, а в колониях пчел родство сестер составляет 75%. Особь включает свои гены в следующие поколения через родственников. Вслед за этим наряду с понятием индивидуального отбора введено понятие родственного отбора, ответственного за взаимопомощь в природе.
Альтруизм может быть результатом рабства или ожидания вознаграждения (вынужденный или взаимный альтруизм). Как установил В. Уинн-Эдвардс, если бы скорость размножения животных всегда была максимальной, то популяция очень скоро осталась бы без пищи; поэтому в эволюции происходил отбор тех сообществ, у которых скорость размножения скоррелирована с ресурсами, что обусловлено социальной организацией, и стало быть отбор должен благоприятствовать сообществам с более эффективной социальной организацией. Это привело к понятию группового отбора, которым объясняется взаимопомощь в природе, выходящая за рамки родственных отношений.
Центральный тезис социобиологии звучит так: каждая форма социального поведения обязательно имеет генетическую основу, которая «заставляет» индивидов действовать так, чтобы обеспечить успех для себя и сородичей. С этой точки зрения и агрессия, и страх, который проявляют только что родившиеся особи, представляют собой генетически детерминированные эволюционно и отобранные образцы поведенческих реакций. Объясняя поведение генетической основой социобиология выявила гены агрессивности, незлобивости, способности ориентироваться в пространстве и т. п.
Социобиология объяснила различия в поведении, обусловленные полом животного. Главное назначение самок — обеспечить выживание потомства. Самка руководствуется одной из двух линий поведения: или генетическими качествами самца, или его помощью в заботе о потомстве. Интерес самцов—репродуктивный успех, и в меньшей степени — организация семьи. Таким образом, верность, измена, выбор, по представлениям социобиологов, детерминируются генетически.
Один из спорных моментов социобиологии — выяснение того, что в большей мере — эгоизм или альтруизм — является движущей силой эволюции. В соответствии с точкой зрения, выраженной в книге английского ученого Р. Докинса «Эгоистичный ген», само воспроизводство жизни — функция эгоизма, и все, что эволюционировало, должно было быть эгоистичным. Представители этих взглядов должны ответить на вопрос: как объяснить с позиций борьбы за существование широкое распространение альтруистического поведения?
Перед сторонниками второй точки зрения стоит вопрос: как альтруистическое поведение может передаваться из поколения в поколение? Ответ на него к настоящему времени таков. Если одно животное подает сигнал об опасности другим, рискуя своей жизнью, это поведение может быть сохранено отбором, так как дает преимущества родственным особям, а гены альтруистической особи сохраняются в них. Жала рабочих пчел остаются в теле врага, неся гибель самой пчеле, а африканские термиты в сражении с врагами извергают особый секрет, от которого гибнут сами и их противники. Популяции, в которых индивиды проявляют самопожертвование ради пользы других, оказываются в более выгодных условиях, чем те, члены которых прежде всего заботятся о собственном благополучии.
Социобиология является перспективным научным направлением, главные выводы которой еще впереди.
Тема 16
Вклад естествознания в изучение человека
Вклад социобиологии в изучение человека. Этология и человек. Этнология. Социальная экология. Ноосфера
Вклад социобиологии в изучение человека
«Социобиология изучает биологические основы всех форм общественного поведения, включая человека», — писал основоположник социобиологии Э. Уилсон. Как нейрофизиология стремится объяснить физиологические основы мышления, так социобиология—биологические основы эволюции человека.
Человек — существо социальное. Сущность человека, как определяет философия, — совокупность общественных отношений. Проблема выделения сущности человека есть проблема разграничения животного и собственно человеческого. Первое изучает естествознание, второе — гуманитарные науки. Социобиология занимает место на стыке этих двух групп наук.
В применении к человеку социобиология — наука о социальной организации, выявляющая сходство между социальным поведением человека и животных и механизмы генетической детерминации социального поведения человека. Социобиология рассматривает человека как существо, состоящее из двух частей: биологической и социальной. Задача социобиологии — создание биограммы человека », т. е. максимально полного описания природно-биологических основ его жизнедеятельности с тем, чтобы объяснить эволюцию культуры изменениями на биоуровне. Проблема взаимосвязи природного и социального в человеке обозначается как проблема генно-культурной коэволюции.
Социобиология изучает коэволюцию в самом человеке. Ее основная идея в отношении к человеку заключается в том, что «Человек Разумный» есть обычный биологический вид с генетически разнообразным поведением. У человека, как любого другого вида жизни, не может быть целей, которые возникали бы вне его собственной биологической природы. Поэтому социобиология отрицательно отвечает на вопрос: «Может ли культура изменять поведение человека, приближая его к альтруистическому совершенству?»
В человеке есть врожденная способность к взаимопомощи и к общительности как основе морали. В той степени, в которой она наследуется, она социобиологична; в той, в которой приобретается в процессе жизни и воспитания — социокультурна. Проблема в том, может ли влияние цивилизации (искусственный свет и т. п.) переходить на генетический уровень и становиться фактором искусственного отбора или имеет место только социальное наследование культуры.
Генетика вкупе с социобиологией изучает вопрос о том, существуют ли гены эгоизма, альтруизма, т. е. наследуются ли черты характера или они социально обусловлены воспитанием. Под генетическую детерминацию попадает инцестовое торможение, конфликт отцов и детей, война, территориальность, различная ориентация полов, страх детей перед чужими людьми и т. д. Стремление сохранить свой престиж и достоинство также врожденно. Социобиология утверждает, что скоро в нашей власти будет определять многие из генов, которые обусловливают поведение.
Мышление, с точки зрения социобиологии, свободно от генетического влияния, но интеллект был создан для обеспечения способности человеческих генов к выживанию. «Противоразумное возникает лишь в случае нарушения какого-либо инстинкта», — подчеркивал К. Лоренц (К. Лоренц. Агрессия... - С. 252). Бихевиоризм утверждает все же, что поведением человека, как и животных, можно управлять, а разум - лишь инструмент ориентации в мире. Этот вопрос дискуссионный в современной науке и окончательного решения по нему нет.
Этология и человек
Этология еще до социобиологии показала, что в человеке много свойственного животным. Агрессивность человека соответствует агрессивности животных, а садизм имеет корни в инстинкте агрессии. Как и в животном мире, агрессивность больше присуща мужчинам. Отбор в результате только внутривидовой борьбы, как считают этологи, может быть отрицателен для вида, а он играет все большую роль для человека, стимулируя войны и экологический кризис. «Есть веские основания считать внутривидовую агрессию наиболее серьезной опасностью, какая грозит человечеству в современных условиях культурно-исторического и технического развития», — предостерегает К. Лоренц.
Как преодолевается эта опасность в животном мире? «Полезный, необходимый инстинкт вообще остается неизменным; но для особых случаев, где его проявление было бы вредно, вводится специально созданный механизм торможения. И здесь снова культурно-историческое развитие народов происходит аналогичным образом; именно потому важнейшие требования Моисеевых и всех прочих скрижалей — это нe предписания, а запреты», (К. Лоренц. Агрессия...- С. 114-115.- Подчеркнуто автором). Христос запретил противиться злому. Отказ от борьбы известен и у животных.
Вера в божественность каких-либо установлений основана на возникновении инстинкта в результате генетического закрепления повторения определенных действий. «Образование ритуалов посредством традиций безусловно стояло у истоков человеческой культуры, так же как перед тем, на гораздо более низком уровне, филогенетическое образование ритуалов стояло у зарождения социальной жизни высших животных» (К. Лоренц. Агрессия...- С. 81). Борьба в животном мире ведется по определенным правилам, и некоторые виды спорта напоминают ритуальные бои самцов.
Агрессивность нельзя исключить, избавляя людей от раздражающих ситуаций, или наложив на нее моральный запрет, или с помощью генетической инженерии, так как она выполняет биологически положительную роль, и все инстинкты связаны между собой (даже смех связан с агрессивностью). Необходима переориентация того, что Лоренц называет «воодушевлением» и «объективное физиологическое исследование возможной разрядки агрессии в ее первоначальных формах на эрзац-объекты» (Там же.- С. 258). Необходимо также общее дело и улучшение общего культурного образования для создания как можно большего количества «идентификаций» («спасение могут принести ценности, которые кажутся далекими от борьбы и от политики как небо от земли» (Там же.- С. 264)). Спорт, искусство, наука, смех выступают как необходимый тормозящий механизм агрессии по отношению ко всем людям и всей природе. Важна и борьба с грехами, потому что на это уходит энергия.
Лоренц формулирует биологический вариант категорического императива Канта: «Могу ли я возвысить законы, управляющие моими поступками, до ранга общего закона природы или результат окажется противоречащим рассудку?» (К. Лоренц. Человек находит друга.- M., 1971- С. 153). Этологический императив звучит так: «Поступай так, чтобы твое поведение как разумного существа соответствовало законам природы».
Однако полный аналогии между поведением человека и животных не может быть именно потому, что человек не только биологическое существо. «У дикого животного в естественных условиях не возникает конфликта между его внутренними склонностями и тем, что оно «должно» делать, — вот эту-то райскую гармонию и потерял человек. Более высокий интеллект обеспечил человеку культурное развитие, и, главное, принес с собой дар речи, способность отвлеченно мыслить, накапливать и передавать от поколения к поколению все возрастающие запасы знаний. В результате историческое развитие человека происходило в сотни раз быстрее, чем чисто органическое, филогенетическое развитие прочих живых существ. Однако инстинкты человека, его врожденные реакции по-прежнему связаны с намного более медленным органическим развитием и отстают от его культурно-исторического развития. Естественные склонности» уже не вполне укладываются в рамки человеческой культуры, в которых их практически заменил интеллект.
Животные гораздо более жестко реагируют на стимулы, чем человек. Еще одно из отличий человека от животных — способность к высоким порядкам предсказания. Большее значение, чем у животных, имеет у человека обучение и все, связанное с ним.
«У многих высших животных, особенно у низших и человекообразных обезьян, групповое поведение взрослых особей в большой степени зависит от того, каковы были их отношения с матерью в пору детства. Нормальная материнская любовь, выражающаяся в полноценном уходе за детенышем, во всей ее глубине и сложности необходима для последующего развития многих форм общения с сородичами. Полученные в клиниках данные свидетельствуют о том, что и у человека дело обстоит сходным образом» (Н. Тинберген. Поведение животных.- М., 1969.- С. 148).
Для того, чтобы что-то выучить, нужен интерес к этому. Способом его повышения служит игра. Потребность к игре, по Лоренцу, свойственна только наиболее психически развитым из всех живых существ. «Не случайно игра представляется нам более высоким видом деятельности, чем соответствующие ей серьезные типы поведения, назначение которых — сохранять жизнь вида» (К. Лоренц. Человек находит друга... - С. 137). «В игре — особенно у молодых животных — всегда присутствует элемент открытия... Игра типична для развивающегося организма» (Там же).
Современная психология утверждает, что человеку присуще в качестве его фундаментальной черты стремление к новому как способу обучения, причем мужчинам в большей степени, чем женщинам, основной функцией которых является сохранение и воспроизводство. В создании новых ситуаций видят суть искусства. Это результат развития того, что в слабой форме свойственно и животным.
В процессе общения человеческий разум в какой-то степени передается домашним животным. Собаки понимают отдельные фразы и могут читать мысли хозяев. Но рост интеллекта у домашних животных сопровождается угашением инстинктов. Сопоставляя разум и инстинкт, следует признать, что наличие интеллекта не позволяет считать человека абсолютно приспособленным видом. «Выигрыш, достигнутый человеком благодаря большему размеру и большей сложности мозга, частично сводится на нет тем обстоятельством, что за один раз можно эффективно использовать лишь часть мозга. Возникает любопытная мысль, что, быть может, мы стоим перед одним из тех природных ограничений, когда высококвалифицированные органы достигают уровня нисходящей эффективности и в конце концов приводят к угасанию вида. Быть может, человеческий мозг продвинулся так же далеко к этой губительной специализации, как большие носовые рога последних титанотериев» (К. Лоренц. Агрессия...- С. 226). К этому добавляются опасения, что в человеческом обществе ослаблен естественный отбор (благодаря, в частности, заботе о менее приспособленных и выживании больных), помогавший эволюции наших предков. Каких бы успехов ни достигало человечество, это всегда сопровождалось пессимистическими высказываниями, что оно находится на пути вырождения и вообще представляет собой тупиковую ветвь эволюции.
Этнология
Поскольку многие различия между людьми — национальные, расовые, половые — являются естественными, постольку общественные объединения по этим признакам можно рассматривать с естественнонаучной точки зрения. Одной из таких наук является этнология с основным для нее понятием этноса. Этнос в отличие, скажем, от используемого в гуманитарных науках понятия нации, представляет собой объединение людей, главным образом, по национальному (т. е. в большей степени естественному, чем культурному) признаку.
Известным этнологом нашего времени является русский ученый Л. Н. Гумилев. Если судить по книжным развалам, он едва ли не единственный из серьезных ученых, работы которого широко издаются в нашей стране. Этнология, по Гумилеву, естественная наука. Если 3. Фрейд пытался объяснить действия индивидов психической энергией, то Гумилев объясняет социальное развитие с помощью энергии Солнца.
Солнце посылает импульсы, они приводят к так называемому пассионарному толчку. Объясняя последний, Гумилев высказывает следующую гипотезу. При снижении солнечной активности защитные свойства ионосферы снижаются и отдельные кванты или пучки энергий могут пролететь невысоко над земной поверхностью; при этом они дадут жесткое излучение по своему пути, а оно, как известно, вызывает мутации.
Механизм эволюции этносов, предложенный Гумилевым, близок синергетическому: воздействие извне (солнечное излучение), появление «пассионариев», точка бифуркации, становление и развитие этноса. «Пассионарии» Гумилева — это как бы центры кристаллизации, если воспользоваться примером Пригожина о превращении воды в лед.
По Гумилеву, пассионарный толчок приводит к появлению некоторого числа энергичных (пассионарных) личностей, а они, индуцируя пассионарность, формируют этнос, ведя всех людей за собой.
Этногенез включает следующие этапы: 1) подъем — динамичная (завоевательная) фаза; 2) «перегрев», надлом — акматическая фаза; 3) переход в нормальное состояние — инерционная фаза; 4) об-скурация — фаза затухающих колебаний. Основной лозунг фазы подъема — «интересы этноса важнее всего». Главное для индивидуума — долг перед обществом. Часты войны; ведется интенсивное преобразование природы, которая страдает все же в меньшей степени. В акматической (от франц. акмэ — «вершина») фазе этнос достигает своей высшей точки силы, после которой начинается спуск вниз. В инерционной фазе главным становится лозунг «будь самим собой», процветает индивидуализм; льется кровь, но культура развивается, и в ней каждый проявляет свою индивидуальность; растранжириваются богатства и слава, накопленные предками; природа приходит в стабильное состояние в пассионарных странах, но разрушается в странах захваченных. Лозунг фазы обскурации — «будь, как все», «мы устали от великих». Возрастная болезнь — убийство лучших по личным качествам. Каждый думает о себе. Продолжается рост культуры и накопление материальных ценностей. Этнос достигает гомеостаза. Природа или консервируется или деградирует (в этом случае этнос гибнет). При исключительном упадке пассионарности природа восстанавливается. В конце развития этноса — футуристическое восприятие времени, забвение прошлого и настоящего ради будущего, приводящее к губительным восстаниям и крушению. Гибель через 1200 лет настигает этнос под слиянием собственного разложения или нашествия других более молодых и энергичных этносов. Последние стадии — мемориальная (остается только память как совокупность того, что было познано) и реликтовая (память исчезает). Концепции Гумилева объясняет сказания о героях в фольклоре всех народов как воспоминания о светлой поре возникновения и мощи этноса.
Социальная экология
Экология, о которой речь шла выше, может рассматриваться как модель взаимодействия человека с окружающей средой, поскольку человек — единство биологического и социального. В широком смысле слова к экологии относится все, что включено в систему отношений «человек — природа», и, стало быть, эта наука лежит на стыке естественных, технических и гуманитарных наук.
Человек находится в самых разнообразных связях с окружающей средой — вещественных, энергетических, информационных. Они меняют и самого человека и природу. Русский ученый А. Л. Чижевский выявил огромное воздействие на человека Солнца. Кривая распределения острых сердечных приступов во времени точно соответствует графику изменений солнечной активности. Свойства крови зависят от солнечного облучения. При возрастании активности Солнца увеличивается число красных кровяных телец и уменьшается число белых. Человек — живые солнечные часы.
Если животные преимущественно приспосабливаются к среде, то человек активно преобразует ее. Вернадский обосновал положение, что лик современной Земли сформирован человеком и выявил тем самым его геологическую роль. Деятельность человека вызывает циклическое движение основных химических элементов в масштабах, сопоставимых с естественными циклами этих элементов.
Среди современных направлений, изучающих взаимодействие между человеком и природой, можно выделить глобальную экологию, экологию человека и социальную экологию.
Основная задача глобальной экологии, по М. И. Будыко, — разработка прогнозов возможных изменений биосферы в целом под влиянием антропогенной деятельности. Глобальная экология берет начало от метеорологии и от существующий в этой науке численных моделей атмосферных процессов, применяемых для построения теории климата. В настоящее время ее предмет простирается до изучения системы взаимоотношений человека и природы в масштабе всей планеты.
Другим направлением является экология человека. Она рассматривает экологические отношения под углом зрения изучения организма человека и его адаптационных возможностей. Опасность для современного человека заключается, во-первых, в том, что он не обладает гомеостазом, соответствующими всем его нуждам. Так, он не приспособлен к радиации, поскольку защитный механизм боли, являющийся наиболее общим предупреждающим сигналом (ибо он сообщает о необходимости нашего сознательного вмешательства) не реагирует на радиоактивное облучение. Опасность и в том, что несмотря на огромные адаптационные возможности человека в сравнении с другими видами жизни, они все-таки не поспевают ныне за изменениями окружающей среды.
Наконец, к третьему направлению исследований взаимоотношений человека и природы, относят социальную экологию. Социальная экология изучает эти взаимоотношения под углом зрения воздействия общества на среду. Она должна ответить на вопрос, почему развитие общества привело к экологическому кризису. Экология утверждает, что уменьшение биологического разнообразия опасно для устойчивости экосистем, а человек, думая о повышении продуктивности, нарушает основные закономерности развития экосистем (например, так называемые «вредители» сельского хозяйства, с которыми борется человек, как раз важны с точки зрения разнообразия и устойчивости экосистем). Человек стремится взять как можно больше от природы, а природа стремится не к максимальной продуктивности, а к максимальной устойчивости.
Имея свои специфические родовые качества, человек должен бороться с природой. Но в этой борьбе не может быть победителей, потому что человек является частью биосферы, и, уничтожая природу, человек губит себя, не замечая этого, как он не замечает радиоактивного облучения.
Разнообразие экосистем уменьшается человеком и с целью облегчения управления ими, но при превышении определенной меры это грозит экологической катастрофой. Конкуренция человека с другими видами жизни не ведет, как полагали А. Смит и К. Лейбниц, к автоматической гармонии. Как рыночные внутрисоциальные отношения не являются гомеостатическим механизмом, так и отношения человека с природой предполагают сознательное регулирование с целью их гармонизации.
Есть предположения, что как в живой природе достигается гомеостаз численности популяции в среде, так должно быть и в человеческом обществе. Называют цифры от 1 млрд. до 12 — 20 и даже 700 млрд. Важно, конечно, не только то, сколько людей живет на Земле, но и то, каковы их качества. Для преодоления экологического кризиса необходим отказ от потребительской ориентации и изменение науки, техники, человеческих ценностей.
Наука и техника создают инструменты господства над природой, но они необходимы и для того, чтобы защитить ее. Изменения в научно-технической сфере должны касаться как целей, так и методологии, поскольку в социальной экологии, как и в квантовой механике, уже нельзя разделить субъект и объект (человек и природа представляют собой единую систему).
Изменение ценностей требует совершенствования чувства «благоговения перед жизнью» и любви к природе. Можно ли любить природу в целом? По Лоренцу, только так и можно. «У того, кто любит природу истинной любовью, наибольший восторг и благоговение вызывает бесконечное разнообразие живых существ и бесчисленные способы, которыми природа создает совершенные гармонии» (К. Лоренц. Человек находит друга.- М., 1971.- С. 138).
Ноосфера
Существуют два понимания ноосферы: 1) сфера господства разума (Фихте как провозвестник ноосферы в этом смысле); 2) сфера разумного взаимодействия человека и природы (по Тейяру де Шардену и Вернадскому). Мы будем понимать ноосферу во втором смысле.
Ноосфера, по Тейяру де Шардену, — это коллективное сознание, которое станет контролировать направление будущей эволюции планеты и сольется с природой в точке Омега, как раньше образовывались такие целостности, как молекулы, клетки и организмы. «Мы беспрерывно прослеживали последовательные стадии одного и того же великого процесса. Под геохимическими, геотектоническими, геобиологическими пульсациями всегда можно узнать один и тот же глубинный процесс — тот, который, материализовавшись в первых клетках, продолжается в созидании нервных систем. Геогенез, сказали мы, переходит в биогенез, который в конечном счете не что иное, как психогенез... Психогенез привел нас к человеку. Теперь психогенез стушевывается, он сменяется и поглощается более высокой функцией — вначале зарождением, затем последующим развитием духа — ноогенезом» (П. Тейяр де Шарден. Феномен человека.-М., 1973.- С. 180).
В «Кибернетике» Винер вспомнил о воззрении Лейбница на живой организм «как на некое сложное целое, где другие живые организмы (например, кровяные тельца) ведут собственную жизнь... Клетки обладают многими, если не всеми свойствами независимых живых организмов» (Н. Винер. Кибернетика.- М., 1968.- С. 227). «По степени целостности жизнь сообщества может вполне приближаться к уровню, характерному для поведения отдельной особи» (Там же.- С. 227 — 228). На базе таких холистических представлений и созданы гипотеза Геи—Земли и концепция коэволюции.
Вернадский развил концепцию ноосферы как растущего глобального осознания усиливающегося вторжения человека в естественные биогеохимические циклы, ведущего, в свою очередь, ко все более взвешенному и целенаправленному контролю человека над глобальной биогеохимией.
Концепция ноосферы напоминает натурфилософские системы или сциентистские утопии. Становление ноосферы — возможность, но не необходимость. Ценность этой концепции в том, что она дает конструктивную модель вероятного будущего, а ее ограниченность в том, что она рассматривает человека как прежде всего разумное существо, тогда как индивидуум и тем более общество в целом редко ведет себя по-настоящему разумно. «Подобно волчьей стае — будем надеяться, все же в меньшей степени — государство глупее, чем большинство его членов» (Там же.- С. 235). Пока человечество движется отнюдь не к ноосфере, и последняя остается одной из научных гипотез. «Самая суть понятия ноосферы — вера в призвание людей, которые должны изменить биосферу с помощью науки и техники» (П. Тейяр де Шарден. Цит. соч.- С. 12). Но склонность к вере выходит за пределы разума.
Тема 17
Мозг, сознание, бессознательное
Изучение мозга человека. Психоанализ Фрейда. Аналитическая психология Юнга. Сознание и бессознательное. Парапсихология. Особенности психологии мужчин и женщин
Изучение мозга человека
Некоторые из современных наук имеют вполне законченный вид, другие интенсивно развиваются или только становятся. Это вполне понятно, так как наука эволюционирует, как и природа, которую она изучает. Одной из перспективных областей естествознания является изучение человеческого мозга и связи психических процессов с физиологическими.
Изучение высшей нервной деятельности возможно физическими, химическими методами, гипнозом и т. п. Среди тем, интересных с естественнонаучной точки зрения можно выделить: 1) непосредственное воздействие на мозговые центры; 2) опыты с наркотиками (ЛСД, в особенности); 3) кодирование поведения на расстоянии.
Цель изучения мозга — понять механизмы поведения и научиться ими управлять. Знания о процессах, происходящих в мозгу, необходимы для лучшего использования умственных способностей и достижения психологического комфорта.
Что же знает естествознание о деятельности мозга? Еще в прошлом веке выдающийся русский физиолог Сеченов писал, что физиология располагает данными о родстве психических явлений с нервными процессами в теле. Благодаря Павлову, физиологическому изучению головного мозга стало доступно все, включая сознание и память.
Мозг рассматривается как центр управления, состоящий из нейронов, проводящих путей и синапсов (в мозгу человека 10 связанных между собой нейронов).
Ныне существуют технические возможности экспериментального исследования мозга. На это нацелен метод электрического раздражения, посредством которого изучаются отделы мозга, ответственные за память, решение задач, распознавание образов и т. п., причем воздействие может быть дистанционным. Можно исскуственно вызывать мысли и эмоции — вражды, страха, тревоги, наслаждения, иллюзию узнавания, галлюцинации, навязчивые идеи. Современная техника может в буквальном смысле сделать человека счастливым, воздействуя непосредственно на центры удовольствия в мозгу.
Исследования показали, что:
1) ни один поведенческий акт невозможен без возникновения на клеточном уровне отрицательных потенциалов, которые сопровождаются электрическими и химическими изменениями и деполяризацией мембраны;
2) процессы в мозгу могут быть двух видов: возбуждающие и тормозящие;
3) память подобна звеньям цепи и можно, потянув за одну, вытянуть очень много;
4) так называемая психическая энергия представляет собой сумму физиологической активности мозга и получаемой извне информации;
5) роль воли сводится к тому, чтобы привести в действие уже сложившиеся механизмы.
К достижениям нейрофизиологии можно отнести и обнаружение асимметрии в функционировании головного мозга. Профессор Калифорнийского технологического института Р. Сперри в начале 50-х годов доказал функциональное различие полушарий мозга при почти полной идентичности анатомии.
Левое полушарие — аналитическое, рациональное, последовательно действующее, более агрессивное, активное, ведущее, управляющее двигательной системой. Правое — синтетическое, целостное, интуитивное; не может выразить себя в речи, но управляет зрением и распознаванием форм. Павлов говорил, что всех людей можно разделить на художников и мыслителей. У первых, стало быть, доминирует правое, у вторых — левое полушарие.
Более ясное представление о механизмах центральной нервной системы позволяет решать проблему стресса. Стресс — понятие, характеризующее, по Г. Селье, скорость изнашивания человеческого организма, и связан с деятельностью неспецифического защитного механизма, увеличивающего сопротивляемость к внешним факторам. Синдром стресса проходит три стадии: 1) «реакция тревоги», во время которой мобилизуются защитные силы; 2) «стадия устойчивости», отражающая полную адаптацию к стрессору; 3) «стадия истощения», которая неумолимо наступает, когда стрессор оказывается достаточно силен и действует достаточно долгое время, поскольку «адаптационная энергия», или приспособляемость живого существа всегда конечна» (Г. Селье. От мечты к открытию.- М., 1987. - С. 71-72).
Многое в деятельности мозга остается неясным. Электрическое раздражение двигательной зоны коры головного мозга не способно вызвать точных и ловких движений, присущих человеку, и стало быть существуют более тонкие и сложные механизмы, ответственные за движение. Отсутствует убедительная физико-химическая модель сознания, и стало быть неизвестно, что такое сознание как функциональная сущность и что такое мысль как продукт сознания. Можно лишь заключить, что сознание—результат особой организации, сложность которой создает новые, так называемые эмерджентные свойства, которых нет у составных частей.
Спорен вопрос о начале сознания. Согласно одной из точек зрения, до рождения существует план сознания, а не готовое сознание. "Развитие мозга, — считает X. Дельгадо, — определяет отношение индивидуума к окружающему еще до того, как индивидуум становится способным воспринимать сенсорную информацию об окружающем. Следовательно, инициатива остается за организмом" (X. Дельгадо. Мозг и сознание.- М., 1971.- С. 45-46). Существует так называемое «опережающее морфологическое созревание»: еще до рождения в темноте веки поднимаются и опускаются. Но новорожденные лишены сознания и лишь приобретенный опыт ведет к узнаванию предметов.
Реакции новорожденных столь примитивны, что их вряд ли можно рассматривать как признаки сознания. Да и мозга при рождении еще полностью нет. Стало быть, человек по сравнению с другими животными рождается менее развитым и ему требуется определенный постнатальный период роста. Инстинктивная деятельность может существовать даже при отсутствии опыта, психическая — никогда.
Недостаточность сенсорного притока отрицательно влияет на физиологическое развитие ребенка. Способность понимать видимое не является врожденным свойством мозга. Мышление не развивается само по себе. Формирование личности, по Пиаже, заканчивается в три года, но деятельность мозга зависит от сенсорной информации в течение всей жизни. «Животными и людям нужна новизна и непрерывный поток разнообразных раздражителей из внешней среды» (Там же.- С. 66-67). Уменьшение поступления сенсорной информации, как показали эксперименты, приводит к возникновению через несколько часов галлюцинаций и бреда.
Вопрос о том, насколько непрерывный сенсорный поток определяет сознание человека, столь же сложен, как и вопрос о соотношении интеллекта и чувств. Еще Спиноза считал, что «человеческая свобода, обладанием которой все хвалятся», не отличается от возможностей камня, который «получает определенное количество движения от какой-нибудь внешней причины» (Б. Спиноза. Избр. произв. В 2-х тт.- Т. 2.- С. 592). Эту точку зрения пытаются обосновать современные бихевиористы. То, что сознание может резко меняться под влиянием внешних причин (причем и в сторону усиления предвидения и образования новых свойств и способностей), доказывает поведение людей, получивших тяжелые травмы черепа. Косвенное (например, средствами рекламы) и прямое (оперативное) воздействие на сознание приводит к кодированию.
Три направления нейрофизиологии привлекают наибольший интерес: 1) влияние на сознание посредствами раздражения определенных центров мозга с помощью психотропных и иных средств; 2) оперативное и медикаментозное кодирование; 3) изучение необычных свойств сознания и их влияния на социум. Эти важные, но опасные направления исследований зачастую засекречиваются.
Психоанализ Фрейда
Все направления изучения психики человека, которые занимаются выявлениями роли бессознательного, настолько относятся к естествознанию, насколько гуманитарное в них определяется как надстройка над бессознательным базисом. Таков по преимуществу психоанализ, основатель которого 3. Фрейд утверждал, что «каждый отдельный индивид виртуально является врагом культуры. Примечательно, что, как бы мало ни были способны люди к изолированному существованию, они тем не менее ощущают жертвы, требуемые от них культурой ради возможности совместной жизни, как гнетущий груз» (3. Фрейд. Будущее одной иллюзии // Сумерки богов.-М., 1989.- С. 95).
Схема Фрейда такова: сначала возник первобытный человек, затем культура как система запретов, которые сам же человек стремится нарушить, так как в основе его психической деятельности лежит сексуальное влечение и инстинкты. Лишения, вводимые культурными запретами, затрагивают всех, но страдающие от них импульсивные желания заново рождаются с каждым ребенком и проявляются в невротиках. Речь идет о желаниях инцеста, каннибализма и т. п., которые подавляются, чтобы преодолеть опасность всеобщего самоистребления.
Выводя культуру из инстинктов, Фрейд пытается определить, как из последних вырастают ценности, например, религиозные. «Мы уже знаем, что пугающее ощущение детской беспомощности пробудило потребность в защите — любящей защите, — и эту потребность помог удовлетворить отец; сознание, что та же беспомощность продолжается в течение всей жизни, вызывает веру в существование какого-то, теперь уже более могущественного отца. Добрая весть божественного провидения смягчает страх перед жизненными опасностями, постулирование нравственного миропорядка обеспечивает торжество справедливости, чьи требования так часто остаются внутри человеческой культуры неисполненными, продолжение земного существования в будущей жизни предлагает пространственные и временные рамки, внутри которых надо ожидать исполнения этих желаний» (Там же.- С. 118). Все это сулит гигантское облегчение для человеческой психики; преодолевается и Эдипов комплекс — фаза развития сексуального инстинкта, возникающая в возрасте 3 — 5 лет и заключающаяся в бессознательном влечении к родителю противоположного пола и ревности со страхом к родителю того же пола (от греческого мифа об Эдипе, который убивает своего отца и женится на собственной матери). Религиозное чувство Фрейд выводит из биологического отношения «отец — сын». Бог аналогичен отцу. Религия для Фрейда — повторение детского опыта защиты у отца.
Совокупность инстинктивных влечений Фрейд называет Оно и отличает от него Я — сознание, отделившееся от Оно в процессе эволюции с целью адаптации в внешней среде, и сверх-Я — совокупность норм и предписаний, выполняющих роль «цензуры» по отношению к Я. Под воздействием Сверх-Я происходит сублимация — трансформация эмоций, энергии инстинктов (прежде всего либидо — сексуального влечения) в социально приемлемые формы, например, творчество. При этом большое значение имеет вытеснение нежелательных представлений в подсознание. Поскольку они сохраняют всю свою энергию, они стремятся вернуться, но сознание оказывает сопротивление, и человек испытывает страх, чувство вины, муки совести. Стыд, отвращение, мораль удерживают желания в состоянии вытеснения. Появляется комплекс — подавленное эмоциональное содержание психики, которое вызывает постоянное психологическое раздражение.
Лечение в психоанализе основывается на том, что человек болеет истерией или неврозом, потому что какие-то его, часто детские, представления, вытесненные Сверх-Я в подсознание, пытаются, но безуспешно, пробиться в сознание. Выявить эти вытесненные представления пытается психоанализ. Если вспомнить, при каких условиях симптомы болезни проявились впервые, больному становится легче. Рассказав о психической травме, он излечивается.
Фрейд приводит такую аналогию. Я выгоняю кого-то из аудитории, а он продолжает шуметь за дверью. Больной — это человек, который не смог вытеснить свои желания. Тогда лучше договориться и впустить их с тем, чтобы они больше не мешали. В этом и состоит метод психоанализа. Иначе вытесненное может послать в аудиторию своего заместителя, от которого больной будет страдать. Этот заместитель и есть симптом. Надо осознать свое желание и направить его на высокую, не возбуждающую сомнений цель. Это и есть сублимация.
«Чем сильнее искажение под влиянием сопротивления, тем и меньше сходства между возникающей мыслью — заместителем вытесненного и самим вытесненным» (3. Фрейд. Психология бессознательного.- М., 1989.- С. 361-362). Сон, при котором ослабляется сознательная деятельность, предстает как исполнение вытесненных из сознания желаний. «Явное содержание сновидений есть искаженный заместитель бессознательных мыслей, и это самое искажение есть дело защитных сил Я, т. е. тех сопротивлений, которые в бодрствующем состоянии вообще не допускают вытесненные желания бессознательного в область сознания» (Там же. - С. 365-366). «Страх есть одна из реакций отстранения нашим Я могущественных вытесненных желаний, а потому легко объясним и в сновидения» (Там же.- С. 367).
Сознательное, по Фрейду, не сущность психического, а только одно из его качеств, поверхностный слой душевного аппарата. «Я олицетворяет то, что можно назвать разумом и рассудительностью, в противоположность Оно, содержащему страсти» (Там же.- С. 431). Я можно сравнить с всадником, а Оно — с лошадью. В эволюции человеческой психики постепенно усиливается Сверх-Я и тем меньше требуется внешнее принуждение.
Фрейд показал, что недостаточно социальных контактов и особенно их исчезновение («потеря любви») относится к числу факторов, благоприятствующих агрессии, что подтверждено этологией. В то же время он полагал, что в человеке действуют две основные силы (аналогично физическим силам притяжения и отталкивания) — воля к жизни и воля к смерти. С этим не согласился К. Лоренц. Для него инстинкта смерти не может быть, потому что он небиологичен, а то, что так интерпретируется, лишь искажение инстинкта агрессии. Возможно разногласие между Фрейдом и Лоренцом разрешается таким образом, что инстинкт смерти существует только у человека, поскольку он осознает свою смертность. Это подтверждает и то, что только человек хоронит своих сородичей.
Психоанализ близок к естествознанию, поскольку основывается на приоритете естественных, а не культурных феноменов, связывая вторые с первыми. Естественнонаучное значение психоанализа заключается в попытке объяснения деятельности сознания особенностями функционирования бессознательного и сведением последнего к немногим основным инстинктам. Посылка о детерминации сознания бессознательным, хотя и не содержит достаточного естественнонаучного подтверждения, привлекает к себе большое внимание.
Аналитическая психология Юнга
Фрейд шел от детства индивида, его ученик К. Юнг, назвавший свое направление аналитической психологией, — от первобытной культуры. По Юнгу, не только желания человека составляют сферу бессознательного. Там находятся все коллективные архетипы, которые присущи человеку.
Архетипы — это базовые схемы. «То, что мы называем инстинктами, является физиологическим побуждением и постигается органами чувств. Но в то же самое время инстинкты проявляют себя в фантазиях и часто обнаруживают свое присутствие только посредством символических образов. Эти проявления Я и назвал архетипами» (К. Юнг. Архетип и символ.- М., 1991. - С. 65). «Так же как и инстинкты, паттерны коллективной мысли человеческого разума являются врожденными и унаследованными» (Там же.- С. 70). Но архетипы выражаются в виде восприятия целостных образов, инстинкт же функционирует на уровне ощущений.
Забывчивость обусловлена тем, что некоторые сознательные мысли теряют свою специфическую энергию из-за отвлечения внимания. Сознание как луч прожектора — все, что он не освещает, уходит в бессознательное. «Но когда нечто ускользает из сознания, то перестает существовать не в большей степени, чем автомобиль, свернувший за угол» (Там же.- С. 35). Мы можем делать что-то, управляемые бессознательным, когда цель выпала из сознания.
Юнг иначе, чем Фрейд интерпретирует сновидения. Он обнаружил, что многие сны представляют образы и ассоциации, аналогичные первобытным идеям, мифам и ритуалам. В отличие от мифов и сказок это непосредственная психическая данность, не прошедшая сознательной обработки. И эти ассоциации и образы ни в коей мере не безжизненные или бессмысленные «пережитки». Они до сих пор живут и действуют, оказываясь особенно ценными в силу своей «исторической» природы. Они образуют мост между теми способами, которыми мы сознательно выражаем свои мысли, и более примитивной, красочной и живописной формой выражения. Но эта форма обращена непосредственно к чувству и эмоциям. Эти «исторические» ассоциации и есть звено, связывающее рациональное сознание с миром инстинкта.
Общая функция снов заключается в попытке восстановить наш психический баланс посредством производства сновидческого материала, который восстанавливает — весьма деликатным образом — целостное психическое равновесие... Сон компенсирует личностные недостатки и в то же время предупреждает об опасности неадекватного пути. Сон — это разговор бессознательного с сознанием и способ познания бессознательного. Сны «зарождаются в духе, который носит не вполне человеческий характер, а является скорее дыханием природы» (Там же.- С. 48). «Таким образом, с помощью снов (наряду с интуицией, импульсами и другими спонтанными событиями) инстинктивные силы влияют на активность сознания» (Там же,- С. 61). Бессознательное раньше знает то, что еще не вошло в сознание. В этом предсказательное значение сна. Бессознательное есть предзнание.
В бессознательном присутствует теневая сторона нашей личности. «Безмерно древнее психическое начало образует основу нашего разума точно так же, как строение нашего тела восходит к общей анатомической структуре млекопитающих. Опытный взгляд анатома или биолога обнаруживает много следов этой исходной стриктуры в наших телах. Искушенный исследователь разума может сходным образом увидеть аналогии между образами сна современного человека и продуктами примитивного сознания, его «коллективными образами» и мифологическими мотивами» (Там же. - С. 64). «Смысл и целенаправленность не есть прерогативы разума, они действуют во всяком живом организме. Нет принципиальной разницы между органическим и психическим развитием. Так же, как растение приносит цветы, психическое рождает свои символы» (Там же.- С. 61).
Человек приходит в мир со сложной психикой, в которой присутствуют и инстинкты и архетипы бессознательного. «Мыслеформы, универсально понимаемые жесты и многочисленные установки следуют образцам, сформировавшимся задолго до того, как человек обрел рефлективное мышление. Можно даже считать, что довольно раннее возникновение человеческой способности к рефлексии явилось из болезненных последствий эмоциональных потрясений» (Там же. - С. 71).
Сознание, по Юнгу, развилось из эмоций. Бессознательное породило разум как закономерный этап эволюции. «Так же, как эволюция эмбриона повторяет его предысторию, так и разум развивается путем перехода через ряд доисторических стадий» (Там же.- С. 90), которые не исчезают, а находятся внутри человека.
Современный человек «слеп к тому, что несмотря на свои рациональность и эффективность, он одержим «силами», находящимися вне его контроля. Его демоны и боги вовсе не исчезли, они всего лишь обрели новые имена. И они удерживают его на ходу своим беспокойством, нечетким пониманием, психологическими сложностями, ненасытной жаждой лекарств, алкоголя, табака, пищи и прежде всего огромной массой неврозов» (Там же.- С. 76).
Бессознательное управляет инстинктивными тенденциями, склонностями, выраженными в соответствующих мыслеформах. Архетипы создают мифы, религии, духовную культуру в целом. Юнг рассматривал личностные комплексы как компенсации за односторонние или дефектные установки сознания; сходным образом мифы религиозного происхождения можно интерпретировать как вид ментальной деятельности для обеспокоенного и страдающего человечества в целом — голод, война, болезнь, старость, смерть.
Сознание и бессознательное
Юнг вывел из психики культуру. Его ученик Э. Фромм (1900-1980) развернул психоанализ в социальном направлении. Различие между Фроммом и Фрейдом аналогично спору в социобиологии о наличии генов эгоизма и альтруизма. По Фромму, неживотная природа человека ведет к социальным конфликтам, а общественное устройство извращает первичные благородные побуждения. Человек стремится к единству с другими людьми, а попадает в сети тоталитаризма. Стремление к справедливости, истине, свободе является неотъемлемой чертой человеческой природы, — утверждает Фромм в работе «Психоанализ и религия». Если Фрейд исследовал подсознание, Юнг—бессознательное, то Фромм обратился к сверхсознанию.
Проверка психоанализа с помощью гипноза подтвердила наличие комплекса Эдипа; на более глубоком уровне присутствуют переживания коллективного бессознательного; затем вспоминается процесс рождения и начинаются трансперсональные переживания, которые некоторые ученые склонны считать подтверждением и концепции перевоплощения. В пользу этого приводят видения, испытываемые людьми в состоянии клинической смерти, и эксперименты по взвешиванию умерших.
В современной психологии можно выделить три основные точки зрения на сознание, простирающиеся от отрицания самоценного значения психики и сознания в бихевиоризме к классической школе психогенеза, утверждающей, что психика и сознание становятся после рождения, до модели «расширяющегося сознания» С. Грофа, в соответствии с которой психика и сознание существуют до рождения.
Основные различия между сознательным и бессознательным представлены в следующей таблице 1.
Таблица 1 (по Л. Р. Зенкову. Бессознательное. В 4-х тт.- Т. 4.- Тбилиси, 1981.- С. 224).
|
Сознательное |
Бессознательное |
|
Вербальное |
Невербальное |
|
Формально-логическое |
«Нелогичное», неформальная логика |
|
Концептуальное, абстрактное |
Образно-визуальное, конкретное |
|
Символическое |
Иконическое |
|
Синтаксическая связанность знаков |
Свобода комбинации знаков |
|
Вторичные мыслительные процессы |
Первичные мысли тельные процессы |
|
Рациональное |
Иррациональное |
|
Интенционалъное мышление |
Сновидения, фантазии, галлюцинации |
|
Формализация |
Интуиция |
|
Научная систематизация |
Мифологическая систематизация |
|
Последовательность |
Одновременность |
|
Дискретность |
Континуальность |
Парапсихология
Юнг пишет о четырех средствах, благодаря которым сознание получает свою ориентацию в опыте. «Ощущение (т. е. восприятие органами чувств) говорит нам, что нечто существует; мышление говорит, что это такое; чувство отвечает, благоприятно это или нет, а интуиция оповещает нас, откуда это возникло и куда уйдет» (К. Юнг. Архетип и символ...- С. 57). Эмоции опираются на неосознаваемую информацию, более непосредственны и менее управляемы человеком; чувства же могут осознаваться, более подвластны человеку и опосредованы социокультурными ценностями. Сознание создает основу понятийного мышления, без которого разумная деятельность невозможна. Но само осознавание чего-либо может быть интуитивным.
Исследование интуиции является основной задачей науки, которая получила название парапсихологии. Ее предметом являются опыты по обнаружению сверхчувственных эффектов, проводимые со всеми людьми; изучение обладающих повышенными экстрасенсорными возможностями; изучение так называемых биополей человека, животных и растений (в частности, проблемы чувствительности растений к людям) и т. п.
Началась парапсихология с контролируемых и воспроизводимых опытов по отгадыванию так называемых парапсихологических карт, которые показали, что многие люди в той или иной степени обладают способностью предчувствия.
Изучают парапсихологи и таких людей, как У. Геллер, который может останавливать эскалатор, компьютер, находить спрятанные предметы и месторождения полезных ископаемых, сгибать металлические предметы даже если они заключены в капсулы, чинить часы на расстоянии, распознавать изображения в магнитной памяти ЭВМ, приводить в движение стрелку компаса и электроизмерительного прибора, впечатывать свое изображение на пленку полностью закрытого фотоаппарата, изменять вес груза на весах, показания счетчика радиоактивного излучения, устраивать исчезновение предметов и вновь восстанавливать их на прежнем месте (материализация и дематериализация), отключать свет в огромном районе города, останавливать корабль, внушать другим людям мысли на расстоянии и т. п. У. Геллер нуждается в присутствии других людей, как бы подпитываясь от них. Обычные люди получают возможность выполнять такие же действия, «заряжаясь» от него. Способности У. Геллера распространяются после сеансов по радио и телевидению на других людей на огромные расстояния. Имеет место и эффект последствия (задержанная реакция).
Интересно послушать самого У. Геллера. «У меня есть ощущение, что эти энергии и силы идут не от меня — я как бы лишь тоннель, труба, через которую они проходят» (У. Геллер. Моя история.- М., 1991.- С. 12). «Из-за того, что мои возможности идут от энергии, которая находится вне меня, у меня никогда нет стопроцентной уверенности, что все будет в порядке» (Там же.- С. 16). «По моему глубокому убеждению, каждый человек имеет внутри себя некую абстрактную силу, которую можно высвободить тремя способами. Способ первый — психологическое внушение. Второй — визуальный, связанный с возможностью видеть эту силу в действии или слышать ее подробное описание по радио. И третий способ—самовнушение и развитие внутренней уверенности в ее существовании... Главное условие успеха—это вера» (Там же.- С. 32- 33).
«Но когда я начинаю думать о каких-то более глубоких вещах, то убеждаюсь, что на самом деле не существует ни прошлого, ни настоящего, ни будущего для вечности. Все происходит одновременно. Я чувствую, что у каждого из нас есть два канала восприятия: космический и обыкновенный, и мы можем на них настраиваться в разные времена» (Там же.- С. 44). Эти способности дал У. Геллеру «яркий свет», который накрыл его в детстве. Можно сказать, что создалась особая система под воздействием света, перешедшего в энергию, которой подвластно все, кроме лазерного луча. Речь идет о паранормальной психической энергии. «Бог — это как бы горючее нашей души, горючее, которое, воспламеняясь, помогает нам устремляться ввысь» (Там же.- С.. 171). В то же время У. Геллер пишет, что ему необходимы физические нагрузки каждый день, иначе он утратит свою энергию. Мы имеем дело здесь с чем-то, граничащим с фантастикой. Но надо отметить, что гипотезы об одновременности прошлого, настоящего и будущего обсуждаются в науке (в частности, в физике), а немало людей проявляют в экстремальных ситуациях силы, недоступные для них в нормальном состоянии (мать, спасая ребенка, может поднять автомобиль; некоторые предчувствуют судьбу близких и т. п.). Все это может быть предметом научного познания, хотя исследование подобных феноменов исключительно сложно.
Особенности психологии мужчин и женщин
Одна из основательниц современной женской психологии К. Хорни (1885-1952) считает, что психоанализ односторонен, потому что его объектом являлась преимущественно психика мужчин, в то время как психология женщин имеет существенные отличия. Вся наша цивилизация, по мнению К. Хорни, — мужская цивилизация. Создатели ее — мужчины, и поэтому реальное наполнение социальных идей — мужское. Во многих языках, замечает Хорни, слово «человек» означает «мужчина». Мужчина более важен в современной цивилизации, потому что она основана на силе. И стремление женщин к равенству стимулирует в них комплекс маскулинности (мужественности).
По Хорони, психологические различия между мужчинами и женщинами следуют из особенностей их биологических ролей. Вклад женщин в воспроизводство и воспитание потомства несравненно больше. Женщины сохраняют свойства вида Хомо Сапиенс, поддерживают семейный очаг, передают информацию, более эмоциональны и интуитивны, менее рациональны. Мужчины создают информацию, запрограммированы на поиск, больше нацелены на преобразование среды, более логичны
Исследование особенностей женской психологии позволило Хорни обратить внимание на некоторые проблемы, которые раньше ускользали от внимания ученых — тяжелые душевные состояния, депрессии и т. п. Хорни выделяет следующие способы защиты от тревоги: 1) любовь; 2) подчинение; 3) дистанцирование от людей; 4) потребительство. Именно противоречие между потребностью любить и стремлением к первенству ведет, по мнению Хорни, к неврозам.
Существуют и иные человеческие проблемы, в решении которых способно помочь естествознание, отвечая на вопросы:
1. Действует ли естественный отбор в человеческом обществе и стало быть развивается ли человек в биологическом смысле?
2. Как связано биологическое развитие человечества с социальным?
3. Как справиться с внутривидовой агрессивностью людей, которая ведет в эволюционный тупик, но обостряется в связи с победой над природой (и другими видами жизни)?
4. Существует ли опасность сверхспециализации разума, которая делает поведение человеческого общества неразумным? Разум ведет к отходу от неразумной природы?
5. Как преодолеть опасность, следующую из того, что чем более сложно устроена система, тем больше вероятность поломки ее (у человека психические болезни бывают чаще, чему животных)?
6. Как связана гениальность с психическими заболеваниями (физиологические изменения в организме зачастую аналогичны в обоих случаях)?
Ответы на эти вопросы ждут ученых.
Тема 18
Расширяющееся сознание и углубляющаяся нравственность
Классическая и холотропная модели сознания. Естественнонаучное обоснование нравственности
Современное естествознание все ближе подходит к изучению самого сложного, что создала природа, — человека. Насколько оправдано здесь применение естественнонаучной методологии и что она может дать? Если признать, что психика и разум связаны с другими сторонами жизни и с остальной природой, то вполне оправдано, хотя надо отчетливо понимать границы естественнонаучного подхода.
Предметом естественнонаучного познания человека является все, что относится к его естеству и не обусловлено образованием, культурой, социальным окружением. Сюда относится огромное количество биологических процессов, не специфических для человека. Человек подвержен и социальным закономерностям. Естествознание изучает биологическую основу Социальных действий (в этом особенно преуспела социобиология). Если, скажем, обнаруженный 3. Фрейдом комплекс Эдипа генетически детерминирован, его можно изучать как естественнонаучный феномен.
Существует также множество процессов, относительно которых нельзя сказать социальные они или биологические. Они как бы на стыке биологии и социологии, и естествознание в этом случае вносит свой особый вклад в их целостное понимание.
Классическая и холотропная модели сознания
В исследовании психики и разума человека наибольших успехов в XX веке достигли нейрофизиология, психоанализ и кибернетика.
Вселенная расширяется с огромной скоростью, и континенты раздвигаются со скоростью, которую можно зафиксировать только самыми точными приборами. Но информация (прежде всего научная) уплотняет все многообразие мира в точку (в теории ноосферы Тейяра де Шардена это точка Омега), и несмотря на то, что континенты становятся все дальше друг от друга, средства связи все теснее соединяют их. Такова диалектика жизни.
В процессе совершенствования механизма реагирования на воздействия окружающей среды психика все более усложнялась, что в конечном счете привело к появлению того, что является главным отличием человека от всех других видов жизни, — сознания.
Возможно, уплотнение информации весьма способствовало появлению сознания, которое затем, развиваясь и вбирая в себя все больше и больше, как бы расширялось, наподобие расширения Вселенной, но не в физическом, а в духовном смысле.
Процесс развития психики и сознания носит название психогенеза. Постулаты психогенеза, по X. Дельгадо, таковы:
1. Создав сознание, эволюция стала управлять собой.
2. Разум — один из механизмов обратной связи между организмом и средой.
3. Человек представляет собой функциональное единство сенсорной информации, поведенческих реакций и процессов, происходящих в мозгу.
4. В момент рождения сознания не существует.
5. Сознание не может возникнуть без притока сенсорной информации. Над человеком довлеет наследственность и воспитание.
6. Над человеком довлеет наследственность и воспитание.
7. Индивидуальность человека — это приобретенные функции.
8. Цель воспитания — в создании психических функций индивидуума.
9. Воспитание не должно быть авторитарным, но контроль необходим.
10. Символы окружающего мира материализуются в мозгу как молекулярные изменения структуры нейронов.
11. Свобода — результат развития цивилизации.
12. Сделай самого себя.
13. Управление психикой приводит нас к психоцивилизации.
14. Управление гигантскими силами требует развития психических свойств.
Исследования последних лет в области изучения сознания человека, связанное с использованием гипноза и психотропных средств, позволили, однако, С. Грофу сделать выводы, которые во многом противостоят классической модели сознания и человека.
В соответствии с классической моделью:
1. Границы человеческого организма абсолютны и совпадают с поверхностью кожи.
2. Коммуникация и приобретение информации требуют участия сенсорных органов и известных видов энергии.
3. Умственная деятельность состоит в перекомбинировании сенсорной информации (нет ничего в разуме, чего не было бы в чувствах).
4. Хранение в памяти осуществляется на основе материального субстрата — мозговых клеток и цепей генов.
5. Духовный опыт сводится к исходному нарциссизму, жажде «океанического чувства» и другим младенческим переживаниям.
6. Сознание есть продукт мозга и нейрофизиологических процессов, происходящих в нем.
7. Симптомы психического заболевания надо ликвидировать с помощью лекарств.
8. Во время патологического процесса внутренние гомеостатические и целительные механизмы организма бездействуют.
9. Лечение психических заболеваний следует проводить электрошоком, инсулиновой блокадой, психофармакологическими средствами, вербальной психотерапией (метод свободных ассоциаций, беседа, разрушение стереотипов).
10. В процессе лечения терапевт активен, пациент пассивен. Врач — эксперт, он все знает.
11. Цель лечения—преодоление симптомов болезни и дискомфорта.
Напротив, в соответствии с так называемой холотропной моделью сознания С. Грофа:
1. Человек имеет бесконечное поле сознания, выходящее за пределы трехмерного пространства, линейного времени и причинно-следственных связей; он соизмерим со всею целостностью бытия.
2. Для коммуникации и получения информации не обязательны сенсорные каналы и известные виды энергии.
3. Психика включает весь опыт эволюции Вселенной (в том числе смерть и коллективное бессознательное). В каждом человеке есть все.
4. Память может существовать без материального субстрата.
5. Духовный опыт является универсальным; продолжает информацию, полученную в измененных состояниях сознания, и несводим к регрессивным состояниям.
6. Сознание опосредуется мозгом, но не зарождается в нем.
7. Симптомы болезни следует поддерживать (принцип гомеопатии), так как наличие их свидетельствует о возможности решения проблемы, вставшей перед организмом.
8. Гомеостатические и целительные механизмы всегда играют решающую роль и необычные состояния сознания активизируют их силу.
9. Лечение осуществляется с помощью сеанса изменения сознания (духовное исцеление, исцеление через транс, ритуалы перехода, мистерии смерти и возрождения и т. п.).
10. Терапевт только помогает в процессе исцеления установить связь между Эго и высшим Я. Источник исцеления — сам пациент.
11. Цель лечения — глубокая трансформация личности и смена фундаментальных ценностей человека. По-настоящему здоров тот, кто приходит к чувству планетарного единства, экологической озабоченности и необходимости служения.
Какими бы удивительными ни казались максимы холотропной модели сознания, прослеживаются определенные параллели между ними и современными физическими представлениями.
1. Поле сознания выходит за трехмерное пространство и линейное время (в физике: пространство — время не трехмерно и не линейно).
2. Отсутствует однозначный детерминизм (в физике: внедрение вероятностных представлений).
3. Память, как и энергия может существовать без материального субстрата (в физике: масса покоя может быть равна нулю).
4. Поле сознания бесконечно (в физике: принцип дальнодействия).
5. Сознание опосредуется мозгом, но не зарождается в нем (в физике: «свобода воли» электрода).
6. Вселенная предполагает участие космического разума как решающего фактора развития. Сознание — исходный атрибут существования (в космологии: антропный принцип).
Естественнонаучное обоснование нравственности
В число отличий человека от животных помимо прямохождения, развития руки, изготовления орудий, труда, разума, слова входит и нравственность. Рождение нравственности — важнейший этап антропогенеза — становления человека.
«Абстрактное мышление дало человеку господство над всем вневидовым окружением и тем самым спустило с цепи внутривидовой отбор, — считает один из основоположников этологии Конрад Лоренц... В «послужной список» такого отбора нужно, наверное, занести и ту гипертрофированную жестокость, от которой мы страдаем и сегодня. Дав человеку словесный язык, абстрактное мышление одарило его возможностью культурного развития; передачи надындивидуального опыта, но это повлекло за собой настолько резкие изменения в условиях его жизни, что приспособительная способность его инстинктов потерпела крах. Можно подумать, что каждый дар, достающийся человеку от его мышления, в принципе должен быть оплачен какой-то опасной бедой, которая неизбежно идет следом. На наше счастье, это не так, потому что из абстрактного мышления вырастает и та разумная ответственность человека, на которой только и основана надежда управиться с постоянно растущими опасностями» (Лоренц К. Агрессия.-М., 1994.-С. 235).
Наблюдаемый Лоренцем триумфальный крик диких гусей напоминает любовь, которая сильнее смерти; бои между крысиными стаями напоминают кровную месть и войну на уничтожение. Как много все-таки у человека и близкого животным — чем больше развивается этология, тем справедливее становится этот вывод. Но и многое явно социальное в человеке тоже досталось ему как компенсация за какие-то биологические недостатки или чрезмерные преимущества перед другими видами. Таковой является и нравственность.
У опасных хищников (например, волков) есть селективные механизмы, запрещающие убивать представителя своего вида. У неопасных животных (шимпанзе) таких механизмов нет. У человека тоже нет, так как он не имеет «натуры хищника» и «у него нет естественного оружия, принадлежащего его телу, которым он мог бы убивать крупное животное. Именно потому у него нет и тех механизмов безопасности, возникших в процессе эволюции, которые удерживают всех «профессиональных» хищников от применения оружия против сородичей» (Там же.- С. 237).
В предыстории человека никакие особенно высокоразвитые механизмы для предотвращения внезапного убийства не были нужны: такое убийство было попросту невозможно... Когда же изобретение искусственного оружия открыло новые возможности убийства — прежнее равновесие между сравнительно слабыми запретами агрессии и такими же слабыми возможностями убийства оказалось в корне нарушено.
Более чем вероятно, что пагубные проявления человеческого агрессивного инстинкта, для объяснения которых Зигмунд Фрейд предложил особый инстинкт смерти, основанный просто-напросто на том, что внутривидовой отбор в далекой древности снабдил человека определенной мерой агрессивности, для которой он не находит адекватного выхода при современной организации общества.
«Нынешняя коммерческая конкуренция грозит вызвать по меньшей мере такую же ужасную гипертрофию упомянутых побуждений, какую у внутривидовой агрессии вызвало военное состязание людей каменного века. Счастье лишь в том, что выигрыш богатства и власти не ведет к многочисленности потомства» (Там же. - С. 241-242).
Таким образом, первая функция, которую выполняла ответственная мораль в истории человечества, состояла в том, чтобы восстановить утраченное равновесие между вооруженностью и врожденным запретом убийства... Все проповеди аскетизма, предостерегающие от того, чтобы отпускать узду инстинктивных побуждений, учение о первородном грехе, утверждающее, что человек от рождения порочен, — все это имеет общее рациональное зерно: понимание того, что человек не смеет слепо следовать своим врожденным наклонностям, а должен учиться властвовать над ними и ответственно контролировать их проявления.
Моральные требования будут расти, но «при всем желании не видно каких-либо селективных преимуществ, которые хоть один человек сегодня мог бы извлечь из обостренного чувства ответственности или из добрых естественных наклонностей. Скорее следует серьезно опасаться, что нынешняя коммерческая организация общества своим дьявольским влиянием соперничества между людьми направляет отбор в прямо противоположную сторону» (Там же. - С. 246- 247).
У человека нет естественных механизмов убийства себе подобного и поэтому нет, как у волков, инстинкта, запрещающего убийство представителя своего вида. Но человек выработал искусственные средства уничтожения себе подобного и параллельно развились в нем как средство самосохранения искусственные механизмы, запрещающие убийство представителя своего вида. Это и есть нравственность, которая является социальным эволюционным механизмом.
Но социальная этика — только первая ступень нравственности. Человек ныне создал искусственные средства, позволяющие ему уничтожать всю планету, что он успешно и делает. Если человек будет продолжать истреблять населяющие Землю виды животных и растений, то в соответствии с основным законом экологии — науки о взаимоотношении живых организмов с окружающей средой — уменьшение разнообразия в биосфере приведет к ослаблению ее устойчивости и в конечном счете гибели самого человека, который не может существовать вне биосферы. Чтобы этого не произошло, нравственность должна подняться на новый уровень, распространяясь на всю природу, т. е. став экологической этикой, запрещающей уничтожение природы.
Такой процесс можно назвать углублением нравственности, во-первых, потому, что критерием нравственности является совесть, находящаяся в глубине человеческой души, и, стараясь прислушаться к этому внутреннему голосу, человек как бы погружается в самого себя. Вторая причина связана с появлением понятия «глубинной экологии», которая призывает человека к более бережному отношению к природе с позиций экологической этики, распространяющей моральные принципы на взаимоотношения человека с природой.
Экология углубляется в область нравственного. Модель «расширяющегося сознания» также имеет очевидное экологическое значение, что позволило говорить о расширении сознания в «глубинной экологии». Итак, от расширяющейся Вселенной к расширяющемуся сознанию и углубляющейся нравственности. Это не случайные параллели. Развитие Вселенной ведет к социальным изменениям — таков один из выводов, а именно этический, из современных концепций естествознания.
Тема 19.
Современная естественнонаучная картина мира и будущее науки
Общие закономерности современного естествознания. Современная естественнонаучная картина мира. Трудности и парадоксы в развитии науки. Наука как эволюционный процесс.
Общие закономерности современного естествознания
В этой теме сделаем некоторые выводы из анализа развития науки, представим современную естественнонаучную картину мира и возможное будущее естествознания.
1. Первый вывод гласит, что наука является одним из этапов эволюции человеческой культуры. Пройдя несколько предварительных стадий от античности до эпохи Возрождения, наука в своей развитой форме вобрала достижения других отраслей культуры, в том числе философии и религии, представляя собой в целом качественно новое явление.
2. Но уже изначально в науке присутствовало противоречие двух ее целей, которое затем породило противоречивость результатов: с одной стороны, наука была средством нахождения истины о мире, а, с другой, была нацелена на обеспечение господства человека над природой и ее преобразование. Соединяя обе цели, Ф. Бэкон писал, что «истинной и закономерной целью наук должно быть обогащение жизни человека новыми открытиями и новым могуществом». В дальнейшем, однако, наука все больше склонялась (и ее склоняли) к обеспечению прежде всего могущества человека с тем, чтобы люди, как писал Декарт, могли стать «хозяевами природы».
Что же все-таки главное в развитии науки — понимание человеком себя, мира, окружающего его, или покорение природы? — этот вопрос становится все более острым.
3. Еще одно противоречие, вытекающее из предыдущего, коренилось в том, что, как писал Д. Бернал, в то время как технические потребности часто ставили проблемы, дающие рост новым отраслям науки, научные успехи эффективно закреплялись в том случае, если только они могли быть применены в практических целях. Однако слишком тесная взаимозависимость науки и техники вредна, так как у каждой из этих отраслей культуры есть специфика, заключающаяся в том, что наука изучает мир, а техника его преобразует.
4. Наука, объединившись с техникой, привела в XX веке к научно-технической революции, которая является ныне главным фактором развития человечества. Около 5 млн. человек работает в современной науке. Объем научной информации растет по экспоненте невиданными темпами.
Развитие науки становится международным делом. Совместные исследования ученых различных стран необходимы сейчас для достижения значительных результатов, так как: а) требуются громадные средства; б) некоторые исследования интернациональны по своему содержанию (климат страны нельзя объяснить, имея данные только об этой стране).
5. Следующий вывод касается классификации наук, особенно важный в эпоху дифференциации научного знания.
Еще древнегреческие философы разделяли знание по его объему на три области: природа (физика), общество (этика), мышление (логика). Ф. Бэкон в соответствии со свойствами человеческого интеллекта разделил знание также на три части: историю (память), поэзию (воображение) и философию (рассудок). Т. Гоббс поставил геометрию во главе дедуктивных наук, а физику — во главе индуктивных. Г. Спенсер разделил все науки на абстрактные (логика и математика), конкретные (астрономия, геология, биология, психология, социология) и промежуточные между ними — абстрактно-конкретные (механика, физика, химия).
В настоящее время общепринято деление наук на естественные, гуманитарные, технические и математические. Основные из естественных наук: астрономия, физика, химия, геология, физическая география, биология, физиология человека, антропология. Между ними немало переходных наук: астрофизика, физическая химия, химическая физика, геофизика, геохимия, биофизика, биохимия, биогеохимия и т. п., а также переходные от них к гуманитарным и техническим наукам.
Данная классификация не случайна. Предмет естественных наук составляют отдельные ступени развития природы или ее структурные уровни.
6. Наука постоянно обогащается новыми методологическими принципами, часто противоположными принятым ранее (на смену редукционизму приходит холизм, детерминизму — индетерминизм и т. д.); новыми подходами (структурный, системный, функциональный, вероятностный); новыми понятиями, как частными, применяемыми в отдельных областях познания (например, «кварк» в физике), так и общенаучными (неопределенность, дополнительность, целостность, целесообразность, адаптация, самоорганизация, информация, поле и т. п.).
Задача понятийного аппарата — компактно представить постоянно растущее знание. Поэтому наряду с терминами все большее значение приобретают знаки, существенно сокращающие запись. Научный знак имеет значение, аналогичное тому, как термин, будучи определен, становится понятием.
7. Наука находится в процессе перманентного развития. Но предугадать, в каком направлении она будет продвигаться и какими будут следующие открытия невозможно. Физики рассчитывали в 50-е годы осуществить искусственную термоядерную реакцию и создать общую теорию поля. А прорыв был совершен в термодинамике открытых систем. Кибернетики думали, что будут создаваться все более сложные и громоздкие ЭВМ, а появился персональный компьютер. Наука есть создание качественного нового, а это невозможно предвидеть.
8. Область научного исследования постоянно расширяется, распространяясь на объекты, которые до этого находились вне сферы ее интересов (сложные, неустойчивые, открытые системы и т. п.). Тем не менее основные требования к научному исследованию — всеобщность опыта, универсальность объяснения — остаются в силе («Опыт — единственный верный руководитель», — говорил Н. Винер). Натурфилософские концепции, построенные на основе науки, например, концепция ноосферы, непроверяемые эмпирически, остаются на периферии естествознания.
9. Существуют три механизма эволюции: диссипативные структуры в неживом мире, естественный отбор в живой природе, культура в человеческом обществе. Но наука не знает, как произойдет становление нового, поскольку это уникальный процесс. Наука достигает здесь своих пределов возможного, потому что имеет дело в основном с воспроизводимыми и повторяющимися процессами. Подходя к уникальному, она обращается к вероятностным методам. Наука вообще не может утверждать, что нечто обязательно случится, так как по современным научным представлениям эволюция мира не запрограммирована однозначно.
10. Наука развивается в пределах чувственного и логичного и ограничена возможностями наших чувств и законами мышления. Особенности органов чувств и мышления, как и эволюция, являются ее граничными условиями. Наука как бы находится в треугольнике, ограниченном возможностями человека и творчеством природы. Она постоянно расширяет свои границы, оставаясь принципиально ограниченной.
11. Ныне наука столкнулась с четвертым ограничением — экологическим. Ее развитие может привести к уничтожению биосферы и ее самой. Наука может это сделать, но не способна создать равноценный искусственный мир. Разрушать всегда легче, чем созидать — и для отдельного человека и для человечества в целом.
Итак, наука ограничена с четырех сторон. К эмпирической, теоретической и предметной ограниченности прибавилась ограниченность этического характера. Поэтому столь важной стала проблема: «этика и наука» — вопрос: наука — добро или зло?
12. Наука создает информацию о мире, и это должно иметь смысл. Люди сами находятся в цепи жизни и ответственны за нее перед нею и собой. Все более сложное, более разрушимо, но и более способно к дальнейшему самосовершенствованию. Это усиливает ответственность за творимое на Земле.
Современная естественнонаучная картина мира
Можно выделить следующие открытия в естествознании, которые привели к научным революциям в XX веке.
Астрономия: модель Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной.
Геология: тектоника литосферных плит.
Физика: смещение точки отсчета от матери к энергии и от вещества к полю.
Теория относительности: относительность пространства и времени.
Квантовая механика: корпускулярно-волновой дуализм.
Синергетика: становление новых структур в неживой природе.
Биология: модели происхождения жизни.
Генетика: механизм воспроизводства жизни.
Экология: взаимодействие живого со средой.
Этология: формы поведения организмов.
Социобиология: соотношение естественного и социального.
Кибернетика: управление в неживой и живой природе.
Психоанализ: роль бессознательного в человеческой психике.
Эти научные революции позволили сформулировать следующие общие закономерности развития мира:
1. Эволюция природы (от Вселенной до кварков).
2. Самоорганизация (от неживых систем до биосферы).
3. Системность связи неживой природы, живой природы и человека (в экологии).
4. Имманентность природных систем пространству и времени (в теории относительности).
5. Относительность разделения на субъект и объект (в квантовой механике и синергетике).
Появились новые общенаучные концепции и подходы: системный (исследование предметов как систем), структурный (исследование уровней организации), вероятностный (применение вероятностных методов) и т. п.
Научные достижения XX века позволяют нарисовать следующую современную естественнонаучную картину мира.
|
Уровни организации |
Часть пространства |
Наука |
Вид эволюции |
|
Вселенная |
Мегамир |
Космология |
Космическая |
|
Галактика |
- «- |
Астрономия |
- «- |
|
Звездные системы |
- «- |
- «- |
- «- |
|
Планета |
- «- |
Геология |
Геологическая |
|
Биосфера |
Макромир |
Экология |
Экологическая |
|
Сообщество |
- «- |
Этология |
Биологическая |
|
Популяция |
- «- |
- «- |
- «- |
|
Вид |
- «- |
- «- |
- «- |
|
Индивид |
- «- |
- «- |
- «- |
|
Клетка |
Микромир |
Генетика |
- «- |
|
Молекула |
- «- |
Химия |
Химическая |
|
Атом |
- « - |
Физика |
Физическая |
|
Элементарная частица |
- «- |
- «- |
- «- |
|
Кварк |
- «- |
- «- |
- «- |
Можно построить и более подробную картину, выделив такие уровни организации, как ядро атома, ядро клетки, макромолекула, кристалл, человек, ноосфера и т. д.
Трудности и парадоксы в развитии науки
Фундаментальной основой структуры познания в наиболее развитых отраслях естествознания является анализ предмета исследования, выделение абстрактных элементарных объектов и последующий логический синтез из них единого целого в виде теоретической модели. Но когда на основе этой модели, представляющей собой один из возможных вариантов объяснения какого-либо фрагмента реальности, неизбежно расхождение идеального с реальным. Даже если теория верно отражает какой-либо фрагмент внешнего мира, на ее основе нельзя предсказать в полном объеме реакции природной среды на внесенные в нее изменения, хотя бы по причине объективной неопределенности, существующей в природе.
Фундаментальной особенностью структуры научной деятельности является разделенность науки на относительно обособленные друг от друга дисциплины. Это имеет свою положительную сторону, поскольку дает возможность детально изучить отдельные фрагменты реальности, но при этом упускаются из виду связи между ними, а в природе, как гласит известное диалектическое положение, предлагаемое сейчас в качестве закона экологии, «все связано со всем». Разобщенность наук особенно мешает сейчас, когда выявилась необходимость комплексных интегративных исследований окружающей среды. Природа едина. Единой должна быть и наука о всех явлениях природы.
Еще одна фундаментальная черта науки — стремление абстрагироваться от человека, стать максимально безличной. Эта в свое время положительная особенность науки делает ее ныне неадекватной реальности и ответственной за экологические трудности, поскольку человек стал самым мощным фактором изменения действительности.
Следует также отметить, что политика в области научных исследований, как и любая другая форма человеческой деятельности, не обладает такой степенью гибкости, чтобы немедленно реагировать на изменение ситуации, а реагирует с задержками.
Человек овладевает миром через его познание, но это познание не может быть абсолютным. Тем не менее наука, давая человеку ценнейший, неубывающий ресурс — информацию, является необходимым способом отражения объективного мира, и ни мистика, ни интеллектуальное созерцание, ни поэтическое отношение к природе не заменят науку в деле объяснения мира и прогнозирования последствий его изменения человеком.
Более того, рост масштабов преобразовательной деятельности человека требует повышения теоретического уровня исследований системы «природа — общество», усиления их прогностической мощи, без чего невозможно эффективное управление природой. Чем выше технический уровень, тем более прочные и важные связи в природе нарушаются и тем насущнее потребность в научных рекомендациях для выбора альтернативы: или попытаться облегчить адаптацию среды к техническим новшествам, или изменить и даже отказаться от задуманного плана преобразования.
В дополнение к отмеченным выше преобладанию анализа в науке, ее обезличенности, абстрагирующего характера, чрезмерной специализации, дисгармоничности в развитии ее отдельных частей, выходы за рамки наглядности и в ту область, где все решается не объективными законами, а случайностью и свободной волей, можно добавить упрек в том, что наука и техника способствуют социальному угнетению, в связи с тем раздаются призывы об отделении науки от государства (П. Фейерабенд).
К парадоксам развития науки относится то, что наука, с одной стороны, сообщает объективную информацию о мире и в то же время уничтожает ее (при различных экспериментах) или что-либо уничтожается на основе научной информации (виды жизни, невоспроизводимые ресурсы).
Но главное, наука теряет надежду сделать людей счастливыми и дать им истину. Об этом говорил еще Л. Н. Толстой. Действительность нельзя познать с помощью науки, так как научное познание — это частное познание, имеющее дело с определенными предметами, а не с самим бытием, — утверждает современный немецкий философ К. Ясперс. Сделать человека счастливым науке не удастся никогда, а отказ от претензий на абсолютную истину подрывает ее лидирующую роль в культуре.
Наука как эволюционный процесс
Наука не только изучает развитие мира, но и сама является процессом, фактором и результатом эволюции. Если мы рассмотрим науку как эволюционный механизм, то увидим, что она становится все более сложно организованной системой, не очень способной к самоорганизации. Необходимость перестройки науки вызвана тем, что изменяется мир (под влиянием науки в том числе) и наука должна реагировать на эти изменения как реагирует живой организм.
Внутренняя целостность естествознания и его связь с гуманитарными и техническими науками должна быть прочной и гибкой. Ценность науки должна определяться не только отдельными достижениями, а гибкостью ее функционирования как единой системы. Наука должна быть едина, как едина биосфера.
Решая вопрос об эволюции человека, приходим к выяснению роли науки, поскольку наука стала основным фактором эволюции не только в смысле ее вклада в совершенствование разума, но и в смысле ее участия в развитии генной инженерии и т. п. Наука стала Великим Конструктором эволюции Земли, и сама эволюция человека зависит от того, каким образом и в каком направлении будет развиваться наука. Наука может ускорить или затормозить эволюцию человека. Естественные механизмы эволюции под влиянием общественного и технического прогресса перестают действовать, а к новым факторам (к примеру, радиоактивности) человек эволюционно не приспособлен. Наука должна находиться в гармонии с эволюцией мира. Другими словами, должен образоваться контур обратной связи между наукой и другими сторонами жизни, который регулировал бы развитие науки.
Эволюция Вселенной, начиная с точки сингулярности, шла по пути увеличения разнообразия мира, создания новых частиц, которые не существовали изолированно, а объединялись в новые целостности — атомы, молекулы, клетки и т. д., упорядоченно функционирующие по своим законам. Аналогично увеличение разнообразия науки должно сопровождаться интеграцией и ростом упорядоченности, а это и называется становлением науки как целостной интегративно-разнообразной гармоничной системы.
На эволюцию науки в данном направлении дает основание надеяться известное диалектическое положение о том, что познание мира совершенствуется по мере его преобразования. Человек имеет ныне возможность конструировать самого себя как генетически, так и меняя окружающую среду. Тут возникают новые перспективы и новая ответственность.
В современной науке наблюдаются важные процессы, являющиеся реакцией на те задачи, которые встают в связи с интенсивным уплотнением системы функциональных связей между природой и обществом. Для современной науки становится характерной тенденция экологизации и т. п. Можно предположить, что наука вскоре станет более органичной частью культуры, и вся культура будет развиваться как одно целое и часть биосферы, становясь экологичной культурой.
В связи с этим большой интерес в XXI веке может представить изучение несиловых взаимодействий (в природе и человеческом обществе), дальнодействия, сознательного управления разнообразными процессами. Общее значение науки будет зависеть от того, что она даст для решения таких фундаментальных проблем человека, как переход от потребляющей цивилизации к устойчиво развивающейся; контроль за агрессивностью, который при отсутствии межвидовой борьбы не ведет к эволюции; создание новой структуры личности — любовно-творческой взамен агрессивно-потребительской.
Приложения
Таблица открытий
1900 г. — немецкий физик Макс Планк ввел понятие кванта энергии и квантовую постоянную. Планк — основатель квантовой механики.
1903 г. — Иван Петрович Павлов на основе экспериментальных физиологических исследований разработал понятие условного рефлекса. Павлов доказал взаимообусловленность и единство психических и физиологических процессов в организме.
1905 г. — Альберт Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности и на основе квантовой гипотезы Планка ввел понятие кванта света (впоследствии названного фотоном).
1908 г. — Герман Минковский дал математическую формулировку теории относительности, введя понятие четырехмерного пространства-времени («четырехмерного мира»).
1909 г. — открыта «поверхность Мохоровичича» — граница раздела между земной корой и мантией Земли.
1911г. — создание Чарльзом Вильсоном «камеры Вильсона», позволившей наблюдать различные виды излучений, следы которых в газовой среде в комбинации с электрическими и магнитными полями становятся видимыми. При анализе этих «треков» удалось определить заряд и энергию составляющих их частиц;
— Эрнест Резерфорд пропустил α-частицы через тонкую металлическую фольгу и наблюдал их рассеяние. Только предположив существование атомных ядер, занимающих в атоме всего лишь 1/1000 часть его диаметра, Резерфорд смог объяснить рассеяние α-частиц в веществе. Открытие Резерфорда подтвердило гипотезу Дж. Томсона (1903 г.) о существовании положительно заряженного ядра атома. Резерфорд создал планетарную модель атома, в дальнейшем количественно разработанную Нильсом Бором.
1912г. — Томас Морган предложил теорию локализации генов в хромосомах. Его генная теория основывалась на ряде законов, пополняющих законы Менделя (гены в хромосомах сцеплены друг с другом, число возможных комбинаций между генами внутри хромосом зависит от их удаленности друг от друга, гены одной и той же хромосомы образуют связанную группу, а число этих групп не превышает числа хромосомных пар).
1913г. — Нильс Бор, используя квантовую гипотезу Планка, разработал количественную модель атома водорода, создав, таким образом, первую квантовую теорию атома.
1915г. — Нобелевская премия в области физики присуждена английским физикам отцу и сыну Брэггам за исследование структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей. Они экспериментально доказали периодичность атомной структуры кристаллов и тем самым заложили основы современной кристаллографии;
— немецкий геофизик Альфред Вегенер опубликовал книгу «Возникновение материков и океанов», в которой изложил свою тектоническую гипотезу дрейфа континентов и первоначального соединения Евразии, Африки и Америки.
1916 г. — А. Эйнштейн опубликовал книгу «Основы общей теории относительности».
1918г. — норвежский физик и геофизик Вильгельм Бьёркнес объяснил возникновение циклонов из полярных фронтов и разработал методику составления метеорологических карт. Основоположник современной метеорологии.
1919г. — Э. Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию, облучая азот α-частицами (ядрами гелия). Он получил изотоп кислорода.
20-е годы — экспериментально подтверждено существование ионизированного слоя в атмосфере (ионосферы). Высота до 20 тыс. км. Кроме нейтральных частиц, ионосфера содержит заряженные электроны и ионы, возникающие под действием солнечного излучения.
1922 г. — советский геофизик и математик Александр Александрович Фридман предложил модель нестационарной расширяющейся Вселенной, основанную на релятивистской космологии. Опирающаяся на эту модель теория «Большого Взрыва» объясняет происхождение Вселенной и форм ее материи внезапным скачком.
1923г. — советский физиолог Алексей Алексеевич Ухтомский создал учение о доминанте, возникновение которой определяет характер рефлекторной реакции нервной системы.
1924 г. — Луи де Бройль в докторской диссертации «Исследования по теории квантов» выступил с идеей о волновых свойствах материи («волны де Бройля»). Он считал, что каждую движущуюся частицу можно описать сопряженной с ней волной. По мнению де Бройля, корпускулярно-волновой дуализм присущ всем без исключения видам материи — электронам, протонам и т. п. Так возникло представление о волнах материи;
южноафриканский анатом Раймонд Дарт обнаружил в Южной Африке ископаемые останки приматов, которые были отнесены к австралопитекам. Их возраст 1 млн. лет (в настоящее время возраст этих приматов определяется в 5 млн. лет).
1925 г. — в Дейтоне (США) за преподавание теории Дарвина был осужден учитель Дж. Скопе («обезьяний процесс»).
1926 г. — австрийский физик-теоретик Эрвин Шрёдингер разработал волновую механику, в основу которой положил частное дифференциальное уравнение — «уравнение Шрёдингера». Он показал эквивалентность своей волновой механики и квантовой механики в матричной форме, разработанной Вернером Гейзенбергом (в 1925 г.) квантовой теории;
— в Ленинграде издан труд Владимира Ивановича Вернадского «Биосфера», представляющий собой обобщение геологических, биологических, химических и географических данных о строении поверхности Земли
1927 г. — Вернер Гейзенберг сформулировал «принцип неопределенности», согласно которому нельзя одновременно совершенно точно определить импульс и положение элементарной частицы (произведение неопределенностей координаты и импульса ограничено некоторой минимальной величиной, равной постоянной Планка).
1928 г. — Поль Дирак теоретически предположил существование античастиц. В 1932 г. первая античастица — позитрон — была открыта в космических лучах.
1929 г.—публичные выступления представителей Венского кружка—учеников австрийскою философа и физика Морица Шлика — Рудольфа Каряапа и других, понимавших философию как логический анализ языка науки. Они выдвинули программу построения единой науки, основанной на физике (физикализм);
— американский астроном Эдвин Хаббл установил, что смещение линий в галактических спектрах в направлении к «красному» краю (так называемое «красное смещение»), являющееся одним из проявлений «эффекта Доплера», возрастает пропорционально расстоянию, на которое удалены объекты («закон Хаббла») и связано с разбеганием галактических образований;
— английский фармаколог и физиолог Генри Дейл установил, что возникновение электрического импульса на конце нерва или синапса, соединяющего два нейрона, сопровождается выделением адреналина или ацетилхолина. Эти вещества стимулируют нервную клетку, передающую возбуждение дальше;
— в Китае Тейяр де Шарден обнаружил синантропа — представителя древнейших ископаемых людей, близких к открытому ранее на о. Ява питекантропу. Синантропы использовали огонь 300 тыс. лет назад.
Конец 20-х годов — советский физик и физикохимик Николай Николаевич Семенов открыл новый вид химических реакций — разветвленные цепные реакции, в ходе которых образуются активные частицы — свободные радикалы, которые, взаимодействуя с исходным веществом, кроме продуктов реакции, вновь образуют радикалы.
30-е годы — австрийский зоолог Конрад Лоренц заложил основы новой области биологии—этологии (изучение инстинктивного поведения животных).
30 — 40-е годы — формирование синтетической теории эволюции, сочетающей идеи дарвинизма с современной генетикой.
1931г. — логик и математик Курт Гёдель доказал, что если теория непротиворечива и аксиомы формализованной математики суть теоремы этой теории, то такая теория не полна. Истинность (непротиворечивость) любой теории, содержащей формализованную математику, нельзя доказать с помощью конечных (финитных) процессов в рассуждениях. Таким образом, формализация имеет свои пределы;
— канадский патолог Ганс Селье ввел понятие стресса.
1932 г. — гипотеза В. Гейзенберга, Д. Д. Иваненко и И. Е. Тамма о строении атомного ядра из протонов и нейтронов. Число нуклонов равно массовому числу. Сумма масс нуклонов и электронов дает массу атома;
— английский физик Дж. Чэдвик открыл нейтрон;
— австрийский биолог-теоретик Людвиг Берталанфи разработал теорию биологических объектов как открытых систем, находящихся в состоянии динамического равновесия (так называемая «общая теория систем»);
— Чарльз Шеррингтон ввел термин «синапс» и показал значение торможения в рефлекторной деятельности спинного мозга. Школа Шеррингтона заложила основы современной нейрофизиологии.
1933 г. — немецкий физик Теодор Гейтинг открыл взаимную аннигиляцию частицы и античастицы.
1934 г — французские физики Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность, облучая алюминиевую фольгу α-частицами. Энрико Ферми установил, что при бомбардировке урана нейтронами возникают новые радиоактивные элементы.
1935 г. — японский физик Хидэки Юкава теоретически обосновал наличие в ядрах нестабильных элементов тесно взаимодействующих частиц (мезонов) с очень коротким периодом существования;
— началось промышленное производство синтетической ткани — «целлюлозной шерсти»;
— немецкому биологу Хансу Шпеману присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины за открытие так называемых «организационных эффектов (центров) «эмбриона. Установив взаимозависимость развития одной части зародыша от другой, Шпеман сформулировал теорию «организаторов», воздействующих на развитие частей эмбриона.
1936 г. — английский математик Алан Тьюринг и американский математик и логик Эмиль Пост независимо друг от друга разработали концепцию «абстрактной вычислительной машины». Тьюринг описал также гипотетический универсальный преобразователь дискретной информации, получивший название «машины Тьюринга».
— в Англии сконструирована первая система радиолокационной аппаратуры
— радаров.
1939 г. — советский математик и экономист Леонид Витальевич Канторович выпустил в Ленинграде книгу «Математические методы организации и планирования производства», заложившую основы новой дисциплины—линейного программирования;
— Ф. Жолио-Кюри и независимо от него Э. Ферми установили, что расщепление урана-235 сопровождается высвобождением новых (вторичных) нейтронов. Так была открыта цепная ядерная реакция. Чуть позже ими предложен проект первого ядерного реактора.
1941 г. — Норберт Винер опубликовал свой первый труд о сходстве между работой математической машины и нервной системой живого организма.
1942 г., авг. — утвержден проект «Манхэттен», связанный с разработкой атомной бомбы (руководитель — Роберт Оппенгеймер);
—осуществлена первая управляемая цепная реакция в ядерном реакторе, созданном в Чикагском университете под руководством Э. Ферми.
1943 г. — Отто Юльевич Шмидт выдвинул гипотезу метеоритного происхождения Солнечной системы. В1944 г. опубликовано его исследование «Метеоритная теория происхождения Земли и планет».
1945 г. 16 авг. — США произведен первый экспериментальный взрыв атомной бомбы. 6 авг. — атомная бомба сброшена на Хиросиму, погибло 140 тыс. человек, 9 авг.
— на Нагасаки, погибло 7 5 тыс. человек.
1946 г. — Иван Иванович Шмальгаузен разработал теорию новой интегрированной формы естественного отбора — стабилизирующего отбора.
1947 г. — Виктор Амбарцумян открыл новый тип звездных систем—звездные ассоциации (динамически неустойчвые группы молодых звезд) и доказал, что процесс звездообразования во Вселенной продолжается.
1948 г — Норберт Винер выпустил книгу «Кибернетика, или Управление и связь у животных и машин». Американский математик и инженер Клод Шеннон выпустил книгу «Математическая теория передачи информации»;
—американские физики Уолтер Браттейн, Джон Бардин и Уильям Шокли создали транзистор, а венгерский физик Деннис Габор сформулировал принцип голографии;
— Нобелевская премия присуждена швейцарскому химику Паулю Мюллеру за синтез ДДТ.
1951г. — осуществлен первый термоядерный взрыв по проекту американского физика Эдварда Теллера. Начало работ над осуществлением управляемой термоядерной реакции с использованием устройства камеры-ловушки для плазмы «Тока-мак» (руководитель — И. Е. Тамм).
1953 г. — американский химик и биолог Стэнли Миллер показал возможность искусственного синтеза аминокислот из аммиака, метана, водяных паров в условиях, сходных с теми, которые могли быть на земной поверхности вскоре после образования Земли. Синтез мог начаться под воздействием электрических разрядов и ультрафиолетовых лучей;
— американский биохимик Джеймс Уотсон и английский физик Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК.
1954 г. — введена в действие первая атомная электростанция в Обнинске;
— американский палеонтолог Патрик Харлей обнаружил в кремнеземе вблизи Верхнего Озера (Канада) зеленые водоросли, возраст которых, по его предположению, 2 млрд. лет, и 8 аминокислот органического происхождения.
1955 г. — шведский физиолог Рагнар Гранит выпустил книгу «Рецепторы и сенсорное восприятие», в которой сообщил о своих экспериментах, доказавших, что импульс от отдельных клеток-рецепторов передается нервным волокном в мозг электрохимическим путем.
1956г. — американский астроном Вернер Баум, наблюдая скопления галактик на рекордном удалении в 550 мегапарсеков (1 мегапарсек — 106x3,26 свет, лет), подтвердил, что Вселенная расширяется, причем увеличение скорости расширения, согласно его данным, составляет 55 км/сек на 1 мегапарсек.
1957 г. — в г. Дубне вступил в действие крупнейший в мире ускоритель заряженных частиц — синхрофазотрон. С космодрома Байконур поднялся первый искусственный спутник Земли и спущено на воду первое в мире гражданское атомное судно — ледокол «Ленин».
1958 г.—по инициативе американского ученого Лайнуса Полинга более 10 тыс. ученых мира подписали обращение с призывом о прекращении опытов с ядерным оружием;
— американские физики Чарльз Таунс и Артур Шавлов теоретически обосновали конструкцию и принцип работы лазера (сокращенно с английского: усиление света при помощи вынужденного излучения) — прибора для получения чрезвычайно интенсивных и узконаправленных пучков монохроматического светового излучения.
1960 г. — неудачная попытка американского астронома Фрэнка Дрейка принять радиосигналы предполагаемых разумных цивилизаций от звезды «тау» экваториального созвездия Кита.
1961 г. — первый полет человека в космос, продолжавшийся 1час 48 минут. 1963г. — американский астроном Мартен Шмидт открыл квазары (источники радиоизлучения, близкие к звездному);
— английские геологи Ф. Вайн и Д. Метьюз опубликовали статью, заложившую основы тектоники литосферных плит.
1964 г. — английский антрополог и археолог Ричард Лики в ущелье Олдувай на севере Танзании обнаружил остатки стойбища и кости четырех обезьяноподобных людей, близких к австралопитеку и названных «человек умелый».
1965 г. — открыто космическое реликтовое радиоизлучение. Предполагается, что это излучение является следствием взрыва первоначальной очень компактной и раскаленной Метагалактики и доказывает, таким образом, справедливость «горячей модели Вселенной».
1966 г; — Нобелевская премия присуждена французским биологам Франсуа Жакобу, Андре Львову и Жаку Моно за открытие так называемых «структурных генов», отвечающих за синтез ферментов.
1967 г. — американский физик Джеральд Фейнберг и независимо от него индийский физик Эннакал Сударшан выдвинули гипотезу о существовании тахионов — частиц со скоростью большей скорости света;
— Нобелевская премия присуждена немецкому физикохимику Манфреду Эй-гену и английским химикам Джорджу Портеру и Рональду Норришу за исследование сверхбыстрых химических и биохимических реакций со средней скоростью 10$-9 сек.;
— южноафриканский хирург Кристиан Барнард в Кейптауне впервые осуществил операцию по пересадке сердца человеку;
— английский астроном Энтони Хьюиш и работавшая под его руководством студентка Дж. Белл открыли в остатках сверхновых звезд пульсары (в данном случае речь шла о быстро вращающихся звездах).
1969 г. — первый человек вступил на поверхность Луны.
1974 г — на Первой международной конференции по этическим проблемам молекулярной биологии и генетической инженерии провозглашен временный мораторий на все опыты с рекомбинацией генетического материала.
1975 г. — Нобелевская премия присуждена за сфероидальную модель атомного ядра.
1994 г. — сообщение об открытии в США шестого, последнеготипа кварка.
ПРИМЕЧАНИЕ: по материалам книги Фолт Я., Нова Л. История естествознания в датах. — M., 1987.
Высказывания выдающихся ученых
«Самым поразительным по новизне и по своим неслыханным практическим последствиям в области техники является со времени Каплера и Галилея естественнонаучное знание с его применением математической теории» (Ясперс К. Смысл и назначение истории.—М., 1994. —С. 100).
«Еще позавчера мы ничего не знали об электричестве, вчера мы ничего не знали об огромных резервах энергии, содержащихся в атомном ядре. О чем мы не знаем сегодня? Человек много веков жил рядом с электричеством, не подозревая о его значении. Быть может, мы окружены силами, о которых сегодня не имеем ни малейшего представления» (Луи де Бройль).
«Наука не открывается каждому без усилий. Подавляющее число людей не имеет о науке никакого понятия. Это — прорыв в сознании нашего времени. Наука доступна лишь немногим. Будучи основной характерной чертой нашего времени, она в своей подлинной сущности тем не менее духовно бессильна, так как люди в своей массе, усваивая технические возможности или догматически воспринимая ходульные истины, остаются вне ее». (Ясперс К. Цит. соч. — С. 111).
«Правильным методом философии был бы следующий: не говорить ничего, кроме того, что может быть сказано, — следовательно, кроме предложений естествознания, т. е. того, что не имеет ничего общего с философией». (Л. Витгенштейн).
«Каждая наука определена методом и предметом. Каждая являет собой перспективу видения мира, ни одна не постигает мир как таковой, каждая охватывает сегмент действительности, но не действительность, — быть может, одну сторону действительности, но не действительность в целом». (Ясперс К. Цит. соч. — С. 102-103).
«Было бы неверно называть современную науку экспериментальной потому, что при вопрошании природы она использует экспериментальные устройства. Правильное противоположное утверждение, и вот почему: физика, уже как чистая теория, требует, чтобы природа проявила себя в предсказуемых силах; она ставит свои эксперименты с единственной целью задать природе вопрос: следует ли та, и если следует, то каким именно образом, схеме, предначертанной наукой». (М. Хайдеггер. Цит. по: Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. — М., 1986. — С. 76).
«Именно в этом и кроется разгадка тайны, которая лишает науку загадочного ореола и показывает, в чем состоит ее реальная сила. Если говорить о конкретных результатах, то наука не дает нам ничего нового, к чему бы мы не могли прийти, затратив достаточно много времени, без всяких методов... Подобно тому, как один человек, опирающийся только на плоды своего труда, никогда не сможет сколотить состояние, в то время как скопление результатов труда многих людей в руках одного человека есть основа богатства и власти, точно так же любое знание, заслуживающее того, чтобы так называться, не может быть наполнено разумом одного человека, ограниченного продолжительностью человеческой жизни и наделенного лишь конечными силами, если он не прибегнет к самой жесткой экономии мысли и тщательному собиранию экономно упорядоченного опыта тысяч сотрудников». (Э. Мах. Цит. по: Пригожин И., Стенгерс И. Цит. соч. —С. 100).
«Открытый современной наукой экспериментальный диалог с природой подразумевает активное вмешательство, а не пассивное наблюдение. Перед учеными ставится задача научиться управлять физической реальностью, вынуждать ее действовать в рамках «сценария» как можно ближе к теоретическому описанию. Исследуемое явление должно быть предварительно препарировано и изолировано, с тем чтобы оно могло служить приближением к некоторой идеальной ситуации, возможно физически недостижимой, но согласующейся с принятой концептуальной схемой». (Пригожин И., Стенгерс И. Цит. соч. — С. 84-85).
«Природа, как на судебном заседании, подвергается с помощью экспериментирования перекрестному допросу именем априорных принципов. Ответы природы записываются с величайшей точностью, но их правильность оценивается в терминах той самой идеализации, которой физик руководствуется при постановке эксперимента». (Там же. — с. 86).
«Из конкретной сложности и многообразия явлений природы необходимо выбрать одно единственное явление, в котором с наибольшей вероятностью ясно и однозначно должны быть воплощены следствия из рассматриваемой теории. Это явление затем надлежит абстрагировать от окружающей среды и «инсценировать» для того, чтобы теорию можно было подвергнуть воспроизводимой проверке, результаты и методы которой допускали бы передачу любому заинтересованному лицу». (Там же.—С. 86 — 87).
«Мы считаем экспериментальный диалог неотъемлемым достижением человеческой культуры. Он дает гарантию того, что при исследовании человеком природы последняя выступает как нечто независимо существующее. Экспериментальный метод служит основой коммуникабельной и воспроизводимой природы научных результатов. Сколь бы отрывочно ни говорила природа в отведенных ей экспериментом рамках, высказавшись однажды, она не берет своих слов назад: природа никогда не лжет». (Там же. — С. 88).
«Экспериментирование означает не только достоверное наблюдение подлинных фактов, не только поиск эмпирических зависимостей между явлениями, но и предполагает систематическое взаимодействие между теоретическими понятиями и наблюдением». (Там же. — С. 44).
«Достоинство хорошей методы состоит в том, что она уравнивает способности; она вручает всем средство легкое и верное. Делать круг от руки трудно, надобно навык и прочее; циркуль стирает различие способностей и дает каждому возможность делать круг самый правильный». (Ф. Бэкон. Цит. по: Герцен А. И. Письма об изучении природы. — С. 252).
«Движение науки нужно сравнивать не с перестройкой какого-нибудь города, где старые здания немилосердно разрушаются, чтобы дать место новым постройкам, но с непрерывной эволюцией зоологических видов, которые беспрестанно развиваются и в конце концов становятся неузнаваемыми для простого глаза, но в которых опытный глаз всегда откроет следы предшествующей работы прошлых веков». (Пуанкаре А. О науке. — М., 1983).
«Классическая наука была порождена культурой, пронизанной идеей союза между человеком, находящимся на полпути между божественным порядком и естественным порядком, и богом, рациональным и понятным законодателем, суверенным архитектором, которого мы постигаем в нашем собственном образе. Она пережила момент культурного консонанса, позволявшего философам и теологам заниматься проблемами естествознания, а ученым расшифровывать замыслы творца и высказывать мнения о божественной мудрости и могуществе, проявленных при сотворении мира. При поддержке религии и философии ученые пришли к убеждению о самодостаточности своей деятельности, о том, что она исчерпывает все возможности рационального подхода к явлениям природы. Связь между естественнонаучным описанием и натурфилософией в этом смысле не нуждалась в обосновании. Можно считать, что естествознание и философия конвергируют и что естествознание открывает принципы аутентичной натурфилософии. Но, как ни странно, самодостаточности, которой успели вкусить ученые, суждено было пережить и уход средневекового бога, и прекращение срока действия гарантии, некогда предоставленной естествознанию теологией. То, что первоначально казалось весьма рискованным предприятием, превратилось в торжествующую науку XYIII века, открывшую законы движения небесных и земных тел, включенную Д'Аламбером и Эйлером в полную и непротиворечивую систему, в науку, историю которой Лагранж определил как логическое достижение, стремящееся к совершенству. В честь нее создавали академии такие абсолютные монархи, как Людовик XIY, Фридрих II и Екатерина Великая. Именно эта наука сделала Ньютона национальным героем. Иначе говоря, это была наука, познавшая успех, уверенная, что ей удалось доказать бессилие природы перед проницательностью человеческого разума. «Мне не понадобилась такая гипотеза», — гласил ответ Лапласа на вопрос Наполеона, нашлось ли богу место в предложенной Лапласом системе мира». (Пригожий И., Стенгерс И. Цит. соч. — С. 97- 98).
«Таким образом, вхождение времени в физику явилось заключительным этапом все более широкого «восстановления прав» истории в естественных и социальных науках. Интересно отметить, что на каждом этапе этого процесса наиболее важной отличительной особенностью «историзации» было открытие какой-нибудь временной неоднородности. Начиная с эпохи Возрождения западное общество вступило в контакт со многими цивилизациями, находившимися на различных этапах развития; в XIX в. биология и геология открыли и классифицировали ископаемые формы жизни и научились распознавать в ландшафтах сохранившиеся до нашего времени памятники прошлого; наконец, физика XX в. также открыла своего рода «ископаемое» — реликтовое излучение, поведавшее нам о «первых минутах» Вселенной. Ныне мы твердо знаем, что живем в мире, где сосуществуют в неразрывной связи различные времена и ископаемые различных эпох». (Там же. — С. 272).
«Какое место занимает картина мира физиков-теоретиков среди всех возможных таких картин? Благодаря использованию языка математики, эта картина удовлетворяет высоким требованиям в отношении строгости и точности выражения взаимозависимостей. Но зато физик вынужден сильно ограничивать свой предмет, довольствуясь изображением наиболее простых, доступных нашему опыту явлений, тогда как все сложные явления не могут быть воссозданы человеческим умом с той точностью и последовательностью, которые необходимы физику-теоретику. Высшая аккуратность, ясность и уверенность—за счет полноты. Но какую прелесть может иметь охват такого небольшого среза природы, если наиболее тонкое и сложное малодушно оставляется в стороне? Заслуживает ли результат столь скромного занятия гордого названия «картины мира»? Я думаю — да, ибо общие положения, лежащие в основе мысленных построений теоретической физики, претендуют быть действительными для всех происходящих в природе событий. Путем чисто логической дедукции из них можно было бы вывести картину, т. е. теорию всех явлений природы, включая жизнь, если этот процесс дедукции не выходил бы далеко за пределы творческой возможности человеческого мышления. Следовательно, отказ от полноты физической картины мира не является принципиальным». (Эйнштейн А. Цит. по: Пригожий И., Стенгерс И. Порядок из хаоса.—С. 98 — 99).
«Уместно спросить: каково значение ньютоновского синтеза в наши дни, после создания теории поля, теории относительности и квантовой механики? Это — сложная проблема, и мы к ней еще вернемся. Теперь нам хорошо известно, что природа отнюдь не «комфортабельна и самосогласованна», как полагали прежде. На микроскопическом уровне законы классической механики уступили место законам квантовой механики. Аналогичным образом на уровне Вселенной на смену ньютоновской физике пришла релятивистская физика. Тем не менее классическая физика и поныне остается своего рода естественной точкой отсчета. Кроме того, в том смысле, в каком мы определили ее, т. е. как описание детерминированных, обратимых, статичных траекторий, ньютоновская динамика и поныне образует центральное ядро всей физики». (Там же. — С. 115 —116).
«Из определения координаты и импульса в квантовой механике следует, что не существует состояний, в которых эти две физические величины (т. е. координата q и импульс р) имели бы вполне определенное значение. Эту ситуацию, неизвестную в классической механике, выражают знаменитые соотношения неопределенности Гейзенберга. Мы можем измерять координату и импульс, но неопределенности в их значениях lq и 1р связаны между собой неравенством Гейзенберга lqlp>h. Если неопределенность lq в положении частицы сделать сколь угодно малой, то неопределенность 1р в ее импульсе обратится в бесконечность, и наоборот... Соотношение неопределенности Гейзенберга с необходимостью приводит к пересмотру понятия причинности. Мы можем определить координату с абсолютной точностью, но в тот момент, когда это происходит, импульс принимает совершенно произвольное значение, положительное или отрицательное. Это означает, что объект, положение которого нам удалось измерить абсолютно точно, тотчас же перемещается сколь угодно далеко. Локализация утрачивает смысл: понятия, составляющие самую основу классической механики, при переходе к квантовой механике претерпевают глубокие изменения». (Там же.—С. 287,188).
«Нам приходится решать, какое измерение мы собираемся произвести над системой и какой вопрос наши эксперименты зададут ей. Следовательно, существует неустранимая множественность представлений системы, каждое из которых связано с определенным набором операторов. В свою очередь это влечет за собой отход квантовой механики от классического понятия объективности, поскольку с классической точки зрения существует единственное объективное описание. Оно является полным описанием системы «такой, как она есть», не зависящим от выбора способа наблюдения. Бор всегда подчеркивал новизну, нетрадиционность позитивного выбора, производимого при квантовомеханическом измерении. Физику необходимо выбрать свой язык, свой макроскопический измерительный прибор. Эту идею Бор сформулировал в виде так называемого принципа дополнительности, который можно рассматривать как обобщение соотношений неопределенности Гейзенберга. Мы можем измерить либо координаты, либо импульсы, но не координаты и импульсы одновременно. Физическое содержание системы не исчерпывается каким-либо одним теоретическим языком, посредством которого можно было бы выразить переменные, способные принимать вполне определенные значения. Различные языки и точки зрения на систему могут оказаться дополнительными. Все они связаны с одной и той же реальностью, но не сводятся к одному-единственному описанию. Неустранимая множественность точек зрения на одну и ту же реальность означает невозможность существования божественной точки зрения, с которой открывается «вид» на всю реальность. Однако принцип дополнительности учит нас не только отказу от несбыточных надежд. Бор неоднократно говорил, что от размышлений над смыслом квантовой механики голова у него идет кругом, и с ним нельзя не согласиться: у каждого из нас голова пойдет кругом, стоит лишь оторваться от привычной рутины здравого смысла. Реальный урок, который мы можем извлечь из принципа дополнительности (урок, важный и для других областей знания), состоит в констатации богатства и разнообразия реальности, превосходящей изобразительные возможности любого отдельно взятого языка, любой отдельно взятой логической структуры. Каждый язык способен выразить лишь какую-то часть реальности. Например, ни одно направление в исполнительском искусстве и музыкальной композиции от Баха до Шёнберга не исчерпывает всей музыки». (Там же. — С. 289 — 290).
«Мы так привыкли к законам классической динамики, которые преподносятся нам едва ли не с младших классов средней школы, что зачастую плохо сознаем всю смелость лежащих в их основе допущений. Мир, в котором все траектории обратимы, — поистине странный мир. Не менее поразительно и другое допущение, а именно допущение полной независимости начальных условий от законов движения». (Там же. — С. 108).
«Нельзя не отметить принципиальное концептуальное различие между физикой и химией. В классической физике мы можем представлять себе обратимые процессы, такие, как движение маятника без трения. Пренебрежение необратимыми процессами в динамике всегда соответствует идеализации, но по крайней мере в некоторых случаях эта идеализация разумна. В химии все обстоит совершенно иначе. Процессы, изучением которых она занимается (химические превращения, характеризуемые скоростями реакций), необратимы. По этой причине химию невозможно свести к лежащей в основе классической или квантовой механики идеализации, в которой прошлое и будущее играют эквивалентные роли». (Там же. — С. 190).
«По свидетельству Минеля Серра, древние атомисты уделяли турбулентному течению столь большое внимание, что турбулентность с полным основанием можно считать основным источником вдохновения физики Лукреция. Иногда, писал Лукреций, в самое неопределенное время и в самых неожиданных местах вечное и всеобщее падение атомов испытывает слабое отклонение — «клинамен». Возникающий вихрь дает начало миру, всем вещам в природе. «Клинамен», спонтанное непредсказуемое отклонение, нередко подвергали критике как одно из наиболее уязвимых мест в физике Лукреция, как нечто, введенное ad hoc. В действительности же верно обратное: «клинамен» представляет собой попытку объяснить такие явления, как потеря устойчивости ламинарным течением и его спонтанный переход в турбулентное течение. Современные специалисты по гидродинамике проверяют устойчивость течения жидкости, вводя возмущение, выражающее влияние молекулярного хаоса, который накладывается на среднее течение. Не так уж далеко мы ушли от «клинамена» Лукреция!» (Там же. — С. 195).
«В некотором смысле живые системы можно сравнить с хорошо налаженным фабричным производством: с одной стороны, они являются вместилищем многочисленных химических превращений, с другой — демонстрируют великолепную пространственно-временную организацию с весьма неравномерным распределением биохимического материала». (Там же. — С. 211).
« Специфичность жизни, отличие живых систем от неорганического мира хорошо видны с точки зрения химии. В живых системах протекает множество отдельных химических реакций, например, в человеческом организме в одну секунду совершается примерно 15 миллиардов актов реакций, многие из которых давно и хорошо изучены. Для живого специфичен определенный порядок этих реакций, их последовательность и объединение в целостную систему». (Мир вокруг нас. — М., 1983. — С. 101).
«Вся совокупность современных биохимических данных показывает, что отдельные, индивидуальные реакции, протекающие в живых телах, сравнительно просты и однообразны. Это хорошо известные и легко воспроизводимые в пробирке и колбе химика реакции окисления, восстановления, гидролиза, фосфоролиза, альдольного уплотнения, переаминирования и т. д. Ни в одной из них нет ничего специфически жизненного. Специфическим для живых тел прежде всего является то, что в них эти отдельные реакции определенным образом организованы во времени, сочетаются в единую целостную систему, наподобие того, как отдельные звуки сочетаются в какое-либо музыкальное произведение, например, симфонию. Стоит только нарушить последовательность звуков — получится дисгармония, хаос. Аналогичным образом и для организации живых тел важно то, что совершающиеся в них реакции протекают не случайно, не хаотически, а в строго определенном гармоничном порядке, который лежит в основе как восходящей, так и нисходящей ветви обмена веществ. Такие жизненные явления, как, например, брожение, дыхание, фотосинтез, синтез белков и т. д., — это длинные цепи реакций окисления, восстановления, альдольного уплотнения и т. д., сменяющих друг друга в совершенно точной последовательности, в строго определенном закономерном порядке. Но что особенно важно, что принципиально отличает живые организмы от всех систем неорганического мира — это присущая жизни общая направленность указанного выше порядка. Многие десятки и сотни тысяч химических реакций, совершающихся в живом теле, не только гармонично сочетаются в едином порядке, но и весь этот порядок закономерно обусловливает самосохранение и самовоспроизведение всей жизненной системы в целом в данных условиях внешней среды, в поражающем соответствии с этими условиями». (Опарин А. И., Фесенков В. Г. Жизнь во Вселенной. — М., 1956. — С. 40).
«На бесчисленном множестве небесных тел нет жизни, многие из этих тел никогда и не будут ею обладать в течение всего своего развития, так как оно здесь идет совершенно иными путями, чем это имеет место на нашей планете. Но из этого совершенно не следует, что только Земля является единственным обиталищем жизни. В нашей метагалактической системе имеются сотни миллионов галактик, и каждая отдельная галактика может состоять из миллиардов и сотен миллиардов звезд. Даже в нашей галактике, включающей примерно 150 миллиардов звезд, могут быть сотни тысяч планет, на которых возможно возникновение и развитие жизни. Во всей бесконечной Вселенной должно существовать также и бесконечное множество обитаемых планет». (Там же. — С. 223).
«Органический синтез осуществлялся в период, предшествовавший образованию Солнечной системы и во время ее образования; он имел место уже на том этапе, когда Земля еще окончательно не сформировалась. По-видимому, такой синтез происходил в атмосферах углеродных звезд, в солнечной туманности, в планетозималях и протопланетах» (Оро Дж. Этапы и механизмы предбиологического органического синтеза // Происхождение предбиологических систем. — М., 1966. — С. 167).
«Я полагаю, что обмен у первых организмов был направлен — а у первых синтетических организмов будет направлен — на синтез нуклеиновых кислот, способных служить матрицей в синтезе белка, а также на синтез одного или более белков, катализирующих образование нуклеиновых кислот и белков» (Холдейн Дж. Там же. — С. 19).
«Из множества возникавших при неспецифической полимеризации вариантов благодаря действию естественного отбора сохранились только те, участие которых в метаболизме данной системы способствовало ее более длительному существованию, росту и размножению. Так происходило постепенное совершенствование как всей живой системы в целом, так и ее отдельных механизмов» (Опарин А. И. Там же. — С. 345).
«Если бы в период первоначального синтеза таких молекул существовал свободный кислород, то они почти наверное в конце концов разрушились бы в результате окисления. Только в среде, лишенной свободного кислорода, эти предшественники живых систем могли накапливаться в концентрациях, способных обеспечить их частое взаимодействие друг с другом... что было необходимо для возникновения первых метаболических систем» (Хочачка П., Сомеро Дж. Стратегия биохимической адаптации.— М., 1977. — С. 30).
«Земная оболочка биосферы, обнимающая весь земной шар, имеет резко обособленные размеры; в значительной мере она обусловливается существованием в ней живого вещества — им заселена. Между ее косной безжизненной частью, ее косными природными телами и живыми веществами, ее населяющими, идет непрерывный материальный и энергетический обмен, материально выражающийся в движении атомов, вызванном живым веществом. Этот обмен в ходе времени выражается закономерно меняющимся, непрерывно стремящимся к устойчивости равновесием. Оно пронизывает всю биосферу, и этот биогенный ток атомов в значительной степени ее создает. Так неотделимо и неразрывно биосфера на всем протяжении геологического времени связана с живым заселяющим ее веществом. В этом биогенном токе атомов и связанной с ним энергии проявляется резко планетное, космическое значение живого вещества. Ибо биосфера является той единственной земной оболочкой, в которую непрерывно проникают космическая энергия, космические излучения и прежде всего лучеиспускание Солнца, поддерживающее динамическое равновесие, организованность: биосфера живое вещество». (Вернадский В. И. Размышления натуралиста. Научная мысль как планетарное явление. Книга II.- M., 1977.-C.15).
«Так как рождается гораздо больше особей каждого вида, чем может выжить, и так как между ними поэтому часто возникает борьба за существование, то из этого следует, что любое существо, если оно хотя бы незначительно изменится в направлении, выгодном для него в сложных и нередко меняющихся условиях его жизни, будет иметь больше шансов выжить и, таким образом, будет сохраняться естественным отбором. В силу действия закона наследственности всякая сохраненная отбором разновидность будет размножаться в своей новой, видоизмененной форме» (Дарвин Ч. Происхождение видов).
«Смотрю ли я с оптимизмом на будущее науки? Оптимисты, пессимисты — трудно сказать, кто мы, потому что наука принесла людям и много хорошего, и вместе с тем — атомные бомбы, ракеты и другие виды оружия, которые представляют угрозу человечеству. В современной международной обстановке эти научные достижения представляют большую опасность. Катастрофы не должно быть, ибо она принесет гибель всему нашему миру. Чтобы этого не случилось, нужно взаимопонимание. Между коллегами, народами, государствами. Между наукой и обществом. Ученый обязан оценивать вред и пользу, которые его наука способна принести человечеству». (Альвен X. Оптимисты, пессимисты — трудно сказать, кто мы // Краткий миг торжества: О том, как делаются научные открытия. — М., 1989. — С. 330).
Вопросы к семинарам
Часть А
I. Прокомментируйте следующие высказывания:
1. «Наиболее интересными являются те факты, которые могут служить свою службу многократно, которые могут повторяться». (Пуанкаре А. О науке. — М., 1983. — С. 289).
2. «Таким образом, интерес представляет лишь исключение». (Там же. — С. 291).
3. «Мы (ученые.—А. Г.) должны предпочитать те факты, которые нам представляются простыми, всем тем, в которых наш грубый глаз различает несходные составные части». (Там же. — С. 290).
4. «Однако мы должны сосредоточить свое внимание, главным образом, не столько на сходствах и различиях, сколько на тех аналогиях, которые часто скрываются в кажущихся различиях». (Там же. — С. 292).
5. «Механизм математического творчества, например, не отличается существенно от механизма какого бы то ни было иного творчества». (Там же. — С. 285).
6. «Метод — это, собственно, и есть выбор фактов; и прежде всего, следовательно, нужно озаботиться изобретением метода». (Там же. — С. 291).
7. «Метод—это циркуль». (Ф. Бэкон).
II. Ответьте на следующие вопросы:
1. Чем отличается наука от других отраслей культуры?
2. В каком смысле можно говорить о совместимости и несовместимости науки и религии? Что такое верующий ученый?
3. Доказали ли космические полеты, что Бога нет, и каким образом?
4. Как вы относитесь к предложению П. Фейерабенда об отделении науки от государства?
5. Наука: благо или зло?
6. Гуманный и гуманитарный: в чем сходство и различие? Правильно ли говорят: «гуманитарная помощь»?
7. Почему в Китае было развито иглоукалывание и определение диагноза по пульсу, а не хирургия, как на Западе?
8. Почему Эйнштейн играл на скрипке и говорил, что Достоевский дал ему больше, чем Гаусс?
9. Что такое НТР и научная революция?
10. Продолжается ли сейчас НТР?
11. HTP — это всемирное или региональное явление?
12. Что значит: «мир познаваем»?
13. Может ли познание дойти до каких-либо неделимых частиц и не будет ли это концом познания?
14. Может ли существовать первоматерия?
15. Мир существовал бесконечно и будет существовать бесконечно — это научное утверждение, философское или какое-нибудь еще?
16. Можно ли отделить теоретический уровень исследования от эмпирического и если нет, то почему?
17. Как вы понимаете утверждение, что книга Природы написана языком математики?
18. Являются ли числа ключом к Природе?
19. Как вообще понимать выражение «книга Природы»?
20. Какова роль в науке: гипотезы, метода, теории, эксперимента, математики, моделирования, индукции, дедукции, интуиции, дискуссии, вероятностных методов и т. д.?
21. Чем правовой закон отличается от научного?
22. Все ли богословы выступают против эволюции?
23. Каково соотношение между материей и гармонией мира?
Часть Б.
I. Прокомментируйте следующие высказывания:
1. «Вот мой результат, но я пока не знаю, как его получить». (Гаусс К.).
2. «Природа весьма согласна и подобна в себе самой» (Ньютон И.).
3. «Почему однородное состояние теряет устойчивость? Почему потеря устойчивости приводит к спонтанной диффузии? Почему вообще существуют вещи? Являются ли они хрупкими и бренными следствиями несправедливости, нарушения статического равновесия между противоборствующими силами природы? Может быть, силы природы создают вещи и обусловливают их автономное существование — вечно соперничающие силы любви и ненависти, стоящие за рождением, ростом, увяданием и рассыпанием в прах? Является ли изменение не более чем иллюзией или, наоборот проявлением неутихающей борьбы между противоположностями, образующими изменяющуюся вещь? Сводится ли качественное изменение к движению в вакууме атомов, отличающихся только по форме, или же атомы сами состоят из множества качественно различных «зародышей», каждый из которых отличен от другого?». (Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. — М., 1986. — С. 81).
II. Изобразите схематично на доске:
1. Современную картину мира.
2. Ход научного исследования.
3. Науки, которые входят в первую десятку естественных наук.
III. Ответьте на следующие вопросы:
1. В чем отличие химии от алхимии, астрономии от астрологии?
2. Наука: получение атомной энергии и опасность Чернобыля. Рисковать или нет?
3. Как можно доказать, что все произошло из ничего?
4. Дайте определение звезд и других небесных тел?
5. Какова масса различных звезд?
6. Зачем нужны галактики и т. д.?
7. В чем различие понятий: Вселенная, бытие, универсум?
8. Чем отличается гравитационный коллапс от антиколлапсионного взрыва?
9. Чем отличаются космология, космогония, астрономия, астрофизика, космонавтика?
10. Что значит стационарность и нестационарность Вселенной?
11. В чем разница между бесконечностью и безграничностью?
12. Какое значение имело открытие планеты Нептун, предсказанное на основе закона всемирного тяготения?
13. Как изменила научную картину мира теория относительности, квантовая механика, синергетика?
14. Как происходит эволюция в неживых телах?
15. Как появляются вещи (с точки зрения квантовой механики, синергетики)?
17. Какова роль вероятностных методов в классической термодинамике, квантовой механике, синергетике? Какова роль случайности?
18. Какова роль времени в теории относительности и синергетике?
19. Что нужно, чтобы появилось и могло существовать живое вещество?
20. Если отрезать хвосты у мышей, то появятся ли и в каком поколении бесхвостые мыши?
21. Почему проблема происхождения жизни — одна из самых трудных и интересных в науке?
22. Каково донаучное, научное и теологическое понимание целесообразности?
23. Почему именно русский ученый создал учение о биосфере?
Темы для докладов на семинарах и контрольных работ
1. Что такое наука? Ее основные черты и отличия от других отраслей культуры.
2. Что такое естествознание и его отличия от других циклов наук?
3. Сущность и основные особенности научно-технической революции.
4. Классификация естественных наук.
5. Структура естественнонаучного познания.
6. Общенаучные и конкретно-научные методы исследования.
7. Специфика научных революций.
8. Научные революции в XX веке.
9. Теория познания и современное естествознание.
10. Основные методологические концепции развития современного естествознания.
11. Современная научная картина мира.
12. Этические проблемы естествознания.
13. Перспективы естественнонаучного познания.
14. Концепции сциентизма и антисциентизма.
15. Место и роль науки в общественной жизни современного человека.
16. Связь современного естественнонаучного познания с техникой.
17. Экологическое значение естествознания.
18. Роль математики в современном естествознании.
19. Модель Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной.
20. Происхождение и развитие галактик и звезд.
21. Происхождение Солнечной системы.
22. Современные проблемы астрофизики.
23. Проблемы происхождения и развития Земли.
24. Основные положения глобальной тектоники.
25. Главные выводы специальной и общей теории относительности.
26. Современные проблемы квантовой механики.
27. Роль вероятностных методов в классической физике и квантовой механике.
28. Значение синергетики для современного естественнонаучного познания.
29. Общенаучное значение понятия энтропии.
30. Проблемы соотношения вещества и поля, материи и энергии.
31. Роль симметрии и асимметрии в научном познании.
32. Проблемы соотношения сохранения и эволюции.
33. Современные представления о пространстве и времени.
34. Характеристика основных физических взаимодействий.
35. Основные проблемы современной химии.
36. Проблема детерминизма и индетерминизма в современном естествознании.
37. Проблема сущности живого и его отличия от неживой материи.
38. Естественнонаучные модели происхождения жизни.
39. Основные проблемы генетики и роль воспроизводства в развитии живого.
40. Современные проблемы цитологии и роль клетки в развитии живого.
41. Основные проблемы синтетической теории эволюции.
42. Роль мутаций и окружающей среды в эволюции живого.
43. Основные проблемы экологии и роль среды для жизни.
44. Закономерности развития экологических систем.
45. Роль разнообразия в живой природе.
46. Учение о биосфере В. И. Вернадского.
47. Иерархическое строение биосферы и трофические уровни.
48. Механизмы обратной связи и их значение.
49. Организация и самоорганизация в живой природе.
50. Основные проблемы этологии и роль агрессии в эволюции видов.
51. Гипотеза Геи-Земли как единого организма и ее естественнонаучное обоснование.
52. Основные различия между растениями и животными.
53. Представление о коэволюции.
54. Влияние космического излучения и солнечной энергии на живые тела и общественные процессы.
55. Новые данные о происхождении человека и поиски его прародины.
56. Основные проблемы социобиологии.
57. Человек как предмет естествознания и обществознания.
58. Естественнонаучный статус психоанализа.
59. Бихевиоризм и проблема психогенеза.
60. Модель «расширяющегося сознания» и ее соотношение с классическими представлениями.
61. Основные проблемы парапсихологии.
62. Основные методы современной нейрофизиологии.
63. Проблемы этнологии и теория пассионарности Л. Н. Гумилева.
64. Основные проблемы кибернетики.
65. Роль информации как общенаучного понятия и его соотношение с понятиями вещества и энергии.
66. Значение системного, структурного и функционального подходов в современном естествознании.
67. Донаучное, научное и теологическое понимание целесообразности.
68. Соотношение глобальной экологии, социальной экологии и экологии человека.
69. Концепция ноосферы и ее научный статус.
70. Естественнонаучное обоснование нравственности.
71. Наука как эволюционный механизм.
72. Проблема множественности разумных миров и изучение НЛО.
Вопросы к зачету и экзамену
1. Основные особенности научно-технической революции.
2. Характерные черты науки и ее отличие от других отраслей культуры.
3. Предмет естествознания и его отличие от других наук.
4. Структура естественнонаучного познания.
5. Всеобщие, общенаучные и конкретно-научные методы познания.
6. Специфика научных революций и научные революции в XX в.
7. Модель Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной.
8. Происхождение и развитие галактик и звезд.
9. Происхождение солнечной системы и развитие Земли.
10. Главные выводы общей и специальной теории относительности.
11. Главные результаты квантовой механики.
12. Значение синергетики для современной науки.
13. Происхождение, развитие и виды материи.
14. Современные представления о пространстве и времени.
15. Характеристика основных физических взаимодействий.
16. Модели происхождения жизни и отличие живого от неживого.
17. Основные проблемы генетики и механизм воспроизводства жизни.
18. Понятия и законы экологии.
19. Основные положения общей теории эволюции и концепции коэволюции.
20. Основные результаты этологии.
21. Учение о биосфере В. И. Вернадского.
22. Происхождение и эволюция человека.
23. Основные результаты социобиологии.
24. Теория этногенеза Л. Н. Гумилева.
25. Развитие нервной системы и изучение мозга.
26. Основные результаты кибернетики.
27. Модель «расширяющегося сознания» и ее соотношение с классическими представлениями.
28. Понятие закона и целесообразности.
29. Структурные уровни организации материи и их характеристика.
30. Концепция ноосферы и ее научный статус.
31. Значение естествознания для культуры.
32. Будущее естествознания.
33. Личность ученого и этика науки.
Список литературы по всему курсу
1. Сноу Ч. Две культуры. М., 1973.
2. Пуанкаре А. О науке. М., 1983.
3. Поппер К. Логика и рост научного знания. М., 1983.
4. Кун Т. Структура научных революций. М., 1975.
5. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.
6. Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989.
7. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.
8. Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М., 1994.
9. Винер Н. Кибернетика. М., 1968.
10. Кендрью Дж. Нить жизни. М., 1968.
11. Вернадский В. И. Биосфера. Различные издания.
12. Тинберген Н. Социальное поведение животных. М., 1992.
13. Лоренц К. Агрессия. М., 1994.
14. Поршнев Б. Ф. О начале человеческой истории. М., 1974.
15. Мечников Л. И. Цивилизация и великие исторические реки. М., 1995.
16. Гумилев Л. Н. Этногенез и биосфера Земли. Различные издания.
17. Эшби У. Р. Конструкция мозга. М., 1964.
18. Эшби У. Р. Введение в кибернетику. М., 1959.
19. Юнг К. Архетип и символ. М., 1991.
20. Фрейд 3. Психология бессознательного. М., 1989.
21. Селье Г. От мечты к открытию. М., 1987.
22. Краткий миг торжества. М., 1989.
23. Тейяр де Шарден. Феномен человека. М., 1973.
Словарь терминов
АВТОКАТАЛИЗ – химические реакции, в которых для синтеза определенного вещества требуется присутствие этого же вещества, которое, ускоряя химическую реакцию, играет роль катализатора.
АНТИЧАСТИЦА – имеет заряд, противоположный частице (позитрон, антипротон и т. п.).
БЕЛАЯ ДЫРА – результат антиколлапсионного взрыва «черной дыры», когда вследствие сверхсжатия начинаются ядерные реакции в ее недрах.
ВАКУУМ – низшее энергетическое состояние поля, при котором число квантов равно нулю.
ВИРТУАЛЬНАЯ ЧАСТИЦА – элементарная частица в промежуточных (ненаблюдаемых) состояниях, существованием которой в квантовой механике объясняют взаимодействия и превращения частиц.
ГРАВИТАЦИОННЫЙ коллапс – катастрофическое сжатие массивной звезды под действием сил тяготения после исчерпания в ее недрах источников ядерной энергии. Ведет к образованию пульсара, или «черной дыры».
ГРАВИТОН – гипотетическая частица гравитационного поля, движущаяся со скоростью света и не имеющая массы покоя (введена для объяснения гравитационного взаимодействия).
ДИССИПАТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ (от лат. «диссипацио» – рассеивание) – новые структуры, требующие для своего становления большого количества энергии.
ДЛИНА ВОЛНЫ – расстояние от гребня одной волны до гребня следующей. Волны разной длины соответствуют различным цветам. Длина волны красного цвета 0,00008 см, фиолетового – 0,00004 см. Длина волны мала для световых волн и велика для электромагнитных волн.
ДОППЛЕРА ЭФФЕКТ – если объект приближается к нам, то частота колебаний исходящих от него волн возрастает, и наоборот.
ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ – совокупность фаз развития, пройдя которые, организм достигает зрелости и становится способным дать начало следующему поколению. У животных различают простой цикл и сложный – с метаморфозой (майский жук: яйцо – личинка – куколка – имаго). У высших растений различают однолетний, двухлетний и многолетний жизненные циклы.
ИМПУЛЬС – в физике: произведение массы на скорость; в физиологии: быстро распространяющаяся по нервному волокну волна возбуждения, возникающая при раздражении окончания чувствительного нервного волокна, тела нервной клетки или самого нервного волокна (сопровождается быстрым изменением возбудимости, проводимости, обмена веществ и физических свойств нервного волокна).
ИНЕРЦИАЛЬНАЯ СИСТЕМА –- каждая система, движущаяся прямолинейно и равномерно относительно первоначальной и в которой выполняются законы классической механики.
КАЛИБРОВОЧНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ – заключаются в том, что волновые функции всех частиц могут быть одновременно умножены на произвольный фазовый множитель.
КАТАЛИЗАТОР – вещество, которое влияет на химическую реакцию, оставаясь в итоге неизменным.
КВАЗАР – квазизвездный источник энергии, предположительно являющийся протоядром новых галактик. Возможно, представляет собой особую точку Вселенной, в которой сохранилось сверхплотное вещество.
КВАНТ – неделимая порция какой-либо величины (энергии и т. п.).
КВАРК – «кирпичики», из которых, по современным физическим представлениям, сложен мир. Их шесть типов с дробным электрическим зарядом. Последний, шестой из теоретически предсказанных, был открыт в 1994 г.
КРОСС-КАТАЛИЗ (букв. перекрестный катализ) –химические реакции, при которых два вещества помогают взаимному синтезу друг друга (например, нуклеиновые кислоты являются носителями информации, необходимой для синтеза протеинов, а протеины, в свою очередь, синтезируют нуклеиновые кислоты).
МУЛЬТИПЛЕТЫ – группы частиц, возникающих при сильных взаимодействиях.
НАУКА – сфера человеческой деятельности, в которой вырабатываются и теоретически систематизируются знания о действительности, допускающие доказательство или эмпирическую проверку.
НЕЙТРОННЫЕ ЗВЕЗДЫ – небесные тела, возникающие в результате того, что оголенные ядра поглощают электроны, превращая свои протоны в нейтроны, которые могут компактно упаковываться, так как нейтральны.
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ – носители генетической информации в живых телах.
ОНТОГЕНЕЗ – развитие индивида.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ – «речь, обозначающая суть бытия (вещи)», по Аристотелю; в современной науке – описание термина.
ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА – главный субстрат живых тел, без которого жизнь была бы невозможна.
ПИ-МЕЗОНЫ – элементарные частицы, с помощью которых осуществляется взаимодействие между частицами, входящими в состав ядер атомов.
ПОПУЛЯЦИЯ – группа организмов, принадлежащих к одному и тому же виду и занимающих обычно четко ограниченную географическую область.
ПУЛЬСАР – космический объект, за доли секунды меняющий свое излучение.
СИММЕТРИЯ (греч. соразмерность) – правильность формы или неизменность законов.
СИСТЕМНОСТЬ (целостность) – внутренняя организация Вселенной, обладающая саморазвитием и эмерджентными свойствами и функционирующая по принципу обратных связей.
СТРАННЫЕ ЧАСТИЦЫ – К-мезоны и гипероны, результат сильных взаимодействий.
ТЕНЗОР – совокупность всех величин, определяющих метрику пространства-времени и его геометрические свойства.
ТЯГОТЕНИЕ – одна из форм взаимодействия между телами, присущая любым видам материи. Тяготение совершенно одинаково действует на разные тела, сообщая им одинаковые ускорения независимо от их массы, химического состава и других свойств. Так, на поверхности Земли все тела падают под влиянием ее поля тяготения с одинаковым ускорением – ускорением свободного падения, что было установлено опытным путем Г. Галилеем и может быть сформулировано как принцип строгой пропорциональности гравитационной массы, определяющей взаимодействие тела с полем тяготения и входящей в закон всемирного тяготения, и инертной массы, определяющей сопротивление тела действующей на него силе и входящей во второй закон механики Ньютона.
ФЕНОТИП – внешний вид живого существа.
ФЕРМЕНТ – специфические протеины, играющие роль катализаторов в реакциях, протекающих в живых системах.
ФИЛОГЕНЕЗ – развитие вида.
ФОТОН – элементарный квант света.
Персоналии
Амбарцумян Виктор Амазаспович (род. в 1908 г.), советский физик и астрофизик.
Андерсон Карл Дэйвид (род. в 1905 г.), американский физик.
Баум Вернер А. (род. в 1923 г), американский астроном.
Берталанфи Людвиг фон (1901 —1972), австрийский биолог-теоретик, до 1948 г. работал в Венском университете, с 1949 г. — в США и Канаде.
Бор Нильс (1885 —1962), датский физик-теоретик.
Бриджмен Перси (1882 —1961), американский физик и философ.
Бройль Луи де (1892), французский физик-теоретик.
Бруно Джордано (1548 —1600), итальянский философ-естествоиспытатель и поэт.
Бьёркнес Вильгельм (1862 —1951), норвежский физик, метеоролог и геофизик.
Бэкон Френсис (1561 —1626), английский философ и политик.
Вегенер Альфред (1880 — 1930), немецкий геофизик и метеоролог.
Вейсман Август (1834 —1914), немецкий зоолог, теоретик эволюционного учения.
Вернадский Владимир Иванович (1863 —1945), советский минералог, геохимик, биогеохимик.
Вильсон Чарльз (1869 —1959), английский физик.
Винер Норберт (1894 —1964), американский математик.
Вильтерра Вито (1860 —1940), итальянский математик.
Габор Деннис (1900 — 1979), физик, уроженец Будапешта, работал в Германии и Англии.
Галилей Галилео (1564 —1642), итальянский математик, физик и астроном.
Гёдель Курт (1906 —1978), логик и математик, уроженец Чехословакии.
Гейзенберг Вернер (1901 —1976), немецкий физик-теоретик.
Гранит Рагнар (род. в 1900 г.), шведский физиолог.
Дарвин Чарльз (1809 — 1882), английский естествоиспытатель.
Декарт Рене (1596 —1650), французский философ, математик, физик и физиолог.
Фриз Гуго де (1848 —1935), нидерландский ботаник и генетик.
Дирак Поль (1902 —1984), английский математик и физик.
Докучаев Василий Васильевич (1846 —1903), русский почвовед.
Дрейк Фрэнк (род. в 1930 г.), американский астроном.
Жакоб Франсуа (род. в 1920 г.), французский биолог.
Жолио-Кюри Ирен (1897 — 1957), французский физик и радиохимик.
Жолио-Кюри Фредерик (1900 —1958), французский физик.
Карнап Рудольф (1891 — 1970), австрийский философ и логик, работал в Австрии, Германии, Чехословакии, с 1935г. — в США.
Кендрью Джон (род. в 1917 г.), английский биохимик.
Крик Фрэнсис (род. в 1916 г.), английский физик, работающий в области молекулярной биологии.
Лаплас Пьер (1749 —1827), французский астроном, математик и физик.
Лобачевский Николай Иванович (1792 —1856), русский математик.
Лоренц Конрад (1903 — 1989), австрийский зоолог.
Львов Андре (род. в 1902 г.), французский микробиолог и биохимик.
Майкельсон Альберт (1852 —1931), американский физик, уроженец Польши.
Максвелл Джеймс (1831 —1879), английский физик.
Менделеев Дмитрий Иванович (1834 —1907), русский химик.
Мендель Грегор (1822 —1884), чешский естествоиспытатель.
Миллер Стэнли (род. в 1930 г.), американский биолог.
Минковский Оскар (1864 —1931), немецкий математик и физик, уроженец Литвы.
Моно Жак (1910 —19976), французский биохимик.
Морган Томас (1866 —1945), американский биолог.
Мохоровичич Андрей (1857 —1936), югославский геофизик и сейсмолог.
Мюллер Пауль (1899 —1965), швейцарский химик.
Норриш Рональд (1897 —1978), английский физикохимик.
Ньютон Исаак (1642 —1727), английский физик, математик и астроном.
Опарин Александр Иванович (1894 —1980), советский биохимик.
Оппенгеймер Джакоб Роберт (1904 —1967), американский физик-теоретик.
Павлов Иван Петрович (1849 —1936), советский физиолог.
Планк Макс (1858 —1947), немецкий физик-теоретик.
Полинг Лайнус (род. в 1901 г.), американский физик и химик.
Пригожин Илья (род. в 1917 г.), бельгийский физик, уроженец Москвы.
Резерфорд Эрнест (1871 —1937), английский физик, уроженец Новой Зеландии.
Селье Ганс (1907 —1982), канадский биолог, патолог, физиолог, уроженец Вены.
Семенов Николай Николаевич (1896 —1986), советский физик и физикохимик.
Таунс Чарльз (род. в 1915 г.), американский физик.
Теллер Эдвард (род. в 1908 г.), американский физик, уроженец Будапешта.
Тинберген Николас (род. в 1907 г.), нидерландский зоолог и этнолог, с 1949 г. работает в Англии.
Тьюринг Алан (1912 —1954), английский математик.
Уотсон Джеймс (род. в 1928 г.), американский биохимик, работал также в Дании и Англии.
Ухтомский Алексей Алексеевич (1875 —1942), советский физиолог.
Ферми Энрико (1901 —1954), итальянский физик, с 1938 г. — в США.
Фрейд Зигмунд (1856 —1939), австрийский невропатологи психиатр.
Фридман Александр Александрович (1888 —1955), советский физик и математик.
Хаббл Эдвин (1899 —1953), американский астроном, уроженец Сан-Марино.
Хьюиш Энтони (род. в 1924 г.), английский астроном.
Циолковский Константин Эдуардович (1857 — 1935), советский теоретик космонавтики.
Шавлов Артур (род. в 1921 г.), американский физик.
Шеннон Клод (род. в 1916 г.), американский математик.
Шеррингтон Чарльз (1857 —1952), английский нейрофизиолог.
Шлик Мориц (1882 —1936), австрийский философ и физик, уроженец Германии.
Шрёдингер Эрвин (1887 —1961), австрийский физик-теоретик.
Эйген Манфред (род. в 1927 г.), немецкий физикохимик.
Эйнштейн Альберт (1879 —1955), физик-теоретик и философ, родился в Германии.
Юкава Хидэки (1907 — 1981), японский физик.