Тема 4. Естественнонаучная картина мира и ее развитие.

1. Понятие естественнонаучной картины мира (ЕНКМ). Естествознание и физическая картина мира.

2. Особенности механической картины мира.

3. Электромагнитная картина мира. Взаимодействие: дальнодействие и близкодействие. Динамические и статистические закономерности в природе.

4. Преобразование естественнонаучной картины мира в начале ХХ столетия. Квантово-релятивистская картина мира.

5. Тенденции изменения научной картины мира во второй половине XX – начале XXI века.

1.

Познавая окружающий мир, человек создает в своем сознании его определенную модель – картину мира. На каждом этапе своего развития человечество по-разному представляет себе мир, в котором оно живет. Так, существовали мифологическая, религиозная, философская, научная и другие картины мира. Кроме того, по мере своего развития каждая отдельная наука также может формировать свое представление о мире. Однако самое широкое представление о мире дает общенаучная картина, описывающая и природу, и общество, и человека.

Понятие «естественнонаучная картина мира» активно используется в естествознании и философии с конца XIX века (термин ввел немецкий физик Генрих Герц). Естественнонаучная картина мира (ЕНКМ) – это система представлений об общих закономерностях в природе, возникающая в результате синтеза знаний, полученных в рамках различных научных дисциплин. ЕНКМ возникает как результат синтеза фундаментальных открытий и результатов исследования всех отраслей и дисциплин естествознания. Существуют общенаучные картины мира и картины мира с точки зрения отдельных наук – физическая, биологическая, астрономическая и др. Наиболее изученной сегодня является физическая картина мира. Особенности различных картин мира выражаются в присущих им парадигмах (определенных стереотипах в понимании объективных процессов и способов их познания, интерпретации), стилях мышления и т.п.

Основой современной научной картины мира являются фундаментальные знания, полученные, прежде всего, в области физики. Однако во второй половине XX века стали говорить о том, что лидером естествознания становится биология. Идеи биологии постепенно приобретают универсальный характер и становятся фундаментальными принципами естественнонаучных дисциплин. В частности, в современной науке такой универсальной идеей является идея развития.

В истории естествознания можно выделить 4 научные революции, результатом которых становилось утверждение новой ЕНКМ:

- коперниканскую,

- ньютоновскую (итог – механическая картина мира);

- эйнштейновскую (итог – квантово-релятивистская картина мира);

- научно-техническую революцию середины XX века (итог – современная эволюционная картина мира).

Долгое время существовала натурфилософская картина мира, основанная на атомистической теории Демокрита и геоцентрической системе мира Аристотеля-Птолемея. Натурфилософский взгляд на мир характеризовался объяснением явлений природы с помощью априорных, не связанных с опытом наблюдений, чисто умозрительных схем. Однако с появлением экспериментального естествознания и научной астрономии была показана несостоятельность подобных представлений. Новые взгляды на мир стали основываться на результатах и выводах естествознания соответствующей эпохи и стали поэтому называться естественнонаучной картиной мира.

Исторически первая ЕНКМ сложилась в XVI-XVII вв. на основе классического естествознания (физики Галилео Галилея и Исаака Ньютона и философии Рене Декарта) и получила название механической. Она утвердилась в результате второй научной революции и имела исходным пунктом переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической.

Механическая картина мира распространила на все явления в мире законы механики Галилея-Ньютона, которые принимались за основу всех других законов природы. Изучение природы началось с анализа простейшей формы движения материи – механического перемещения тел. Классический образ науки породил в массовом сознании культ научного знания. Научная картина мира понималась как точная копия реальности, существующей независимо от человека. В рамках механической парадигмы Вселенная представала как хорошо отлаженная машина, действующая по законам строгой необходимости, а явления и вещи были связаны между собой в цепочку причин и следствий. В таком мире нет места случайности. Механическая Вселенная представляет собой пустое пространство, в котором по четким траекториям движутся массы вещества. Материя состоит из неделимых атомов, обладающих постоянной массой. Пространство и время абсолютны. Местом человека в «часовом механизме Вселенной» было место одного из винтиков хорошо отлаженной машины, беспристрастный взгляд науки просто не замечал субъективное – человека, устраняя его из картины мира.

В этом русле наука развивалась практически до конца XIX в., когда последовала серия крупных научных открытий, потрясших механическую ЕНКМ. Прежде всего, была открыта теория электромагнитного поля М. Фарадеем и Дж. К. Максвеллом в 60-е гг. XIX в. Если до этого физическая реальность мыслилась в виде материальных точек, то теперь физическая реальность предстала в виде непрерывных полей, не поддающихся механическому объяснению. Наступила эра электромагнитной картины мира, трансформировавшейся в ХХ в. в квантово-релятивистскую картину мира.

Основные открытия, сделанные в конце XIX – начале XX в.: открытие электромагнитных волн (Герц), коротковолнового электромагнитного излучения (Рентген), радиоактивности (Беккерель), электрона (Томсон), светового давления (Лебедев), идея квантования энергии (Планк), теория относительности (Эйнштейн), радиоактивный распад (Резерфорд), модель атома (Резерфорд, Бор), новые открытия в области химии и биологии.

Постепенное нарушение прежних метафизических представлений о материи, ее строении, свойствах, формах движения и типах закономерностей, о пространстве и времени способствовало кризису в естествознании, созданию квантовой механики в сочетании с теорией относительности. Произошла третья, эйнштейновская научная революция, в результате сформировалась общая квантово-релятивистская концепция, определившая одноименную ЕНКМ. Корпускулярно-волновой дуализм (двойственное состояние материи в виде вещества или поля) получил свое подтверждение в квантовой теории атомной физики. Были постулированы основные принципы и идеи, формирующие современную физическую картину мира:

- атом делим, состоит из мельчайших частиц – кварков. Каждой частице соответствует определенная волна;

- абсолютной элементарности частиц не существует, уровень элементарности зависит от уровня энергии. Энергия испускается и поглощается мельчайшими порциями – квантами (каждой частице материи присущи как свойства волны – непрерывность, так и свойство дискретности – квантовость);

- все взаимодействия в мире объяснимы потоком частиц (это связано с изменением в представлении о движении – которое становится лишь частным случаем физического взаимодействия);

- открыты четыре поля физического взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое;

- принцип взаимопревращения – любой частице соответствует античастица;

- все законы атомной физики выражаются в вероятностных статистических терминах, а фундаментальная физическая постоянная – постоянная Планка – является мерой дискретности материи и неопределенности познания. Статистические предсказания в ядерной физике носят не абсолютно достоверный, а вероятностный характер. Здесь появляется множество случайных факторов, характеризующих не поведение отдельных элементов системы, а ее целостность – данный принцип называется принципом неопределенности и дополнительности и отражает фундаментальную неопределенность явлений природы;

- основным материальным объектом становится квантовое поле, а переход его из одного состояния в другое меняет число частиц;

- утверждается представление об относительности пространства и времени, зависимости их от материи. Согласно теории относительности пространство и время сливаются в единый четырехмерный пространственно-временной континуум;

- существует предельная скорость взаимодействия – скорость света в вакууме (приблизительно такую скорость имеют частицы внутри атома);

- во всей Вселенной действуют фундаментальные принципы симметрии и законы сохранения энергии, массы, заряда, импульса.

Таким образом, в свете квантово-релятивистской картины мира сложилась концепция динамичного неразрывного единства Вселенной. Все многообразие физического мира – это следствие нарушения определенных видов симметрии. Из-за нарушения симметрии возникла и вся Вселенная и жизнь на Земле.

В середине ХХ века происходит научно-техническая революция, связанная с открытием новых космических объектов, началом эры космонавтики, коренными открытиями в ядерной физике и молекулярной биологии, а также возникновением новых направлений – информационных технологий, синергетики, кибернетики и т.д. В современной эволюционной ЕНКМ утверждается принцип глобального эволюционизма, согласно которому материя, Вселенная в целом и во всех ее элементах не могут существовать вне развития. Возникновение системного подхода позволило взглянуть на окружающий мир как на единое, целостное образование, состоящее из огромного множества взаимодействующих друг с другом систем. Синергетическая парадигма позволила представить мир как мир самоорганизующихся процессов. Основой устройства мироздания теперь признается не машина и механизм, а живой организм. Особенность современной ЕНКМ заключается в том, что со II половины ХХ века биология может рассматриваться в качестве лидера научного познания, т.к. именно в ее рамках были сделаны наиболее революционные открытия. Биологическая картина мира, имеющая ядром такие направления, как генетика, теория эволюции, экология, определяется центральной в современном естествознании.

Итак, естественнонаучная картина мира представляет собой систематизированное и достоверное знание о природе, историче­ски сформировавшееся в ходе развития естествознания. В эту картину мира входят знания, полученные из всех естественных наук, их фундаментальных идей и теорий. В то же время история науки свидетельствует, что большую часть содержания естество­знания составляют преимущественно физические знания.

Понятие «физическая картина мира» употребляется в есте­ствознании давно, но лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только как итог развития физики, но и как самостоятельный вид знания – общее теоретическое знание в физике, система понятий, принципов и гипотез, служащих исходной основой для построения теорий. Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой стороны, вводит в физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы, которых до этого не было и которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания. Иными словами, физическая картина мира рассматривается как физическая модель природы, включающая в себя фундаментальные физические и философские идеи, физические теории, наиболее общие понятия, принципы и методы познания, соответствующие определенному историческому этапу развития физики.

Постоянное развитие и замена одних картин мира другими, более адекватно отражающими структуру и свойства материи, есть процесс развития самой физической картины мира. Основой для выделения отдельных ее типов служит качественное изменение фундаментальных идей, являющихся базой для физической теории и наших представлений о структуре материи и формах ее существования. С изменением физической картины мира начинается новый этап в развитии физики с иной системой исходных понятий, принципов, гипотез и стиля мышления. Переход от одного этапа к другому знаменует качественный скачок, революцию в физике, состоящую в крушении старой картины мира и в появлении новой. В истории естествознания можно выделить три последовательно сменяющих друг друга физических картин мира: механическую, в рамках которой не могли найти объяснения электромагнитные явления; электромагнитную; квантово-полевую.

2.

Основу механической картины мира, сложившейся в XVII-XVIII столетиях, составили идеи, принципы, законы и теории механики, которые представляли собой совокупность наиболее существенных знаний о физических закономерностях, наиболее полно отражали физические процессы в природе. В широком смысле механика изучает механическое движение материи, тел и происходящее при этом взаимодействие между ними.

Основу механической картины мира составил атомизм – теория, которая весь мир, включая человека, рассматривала как совокупность огромного числа мельчайших, неделимых, абсолютно твердых материальных частиц – атомов. Они перемещаются в пространстве и времени в соответствии с законами механики, которые считались фундаментальными законами мироздания. Поэтому ключевым понятием механической картины мира было понятие движения, которое понималось как механическое перемещение и объяснялось на основе трех законов Ньютона.

В соответствии с механической картиной мира Вселенная представляла собой хорошо отлаженный механизм, действующий по законам строгой необходимости, в котором все предметы и явления связаны между собой жесткими причинно-следственными отношениями. В таком мире нет случайностей, они полностью исключались.

Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой качественной спецификой. Человек рассматривался как природное тело в ряду других тел. Таким образом, классическое естествознание не стремилось постичь человека.

На основе механической картины мира в XVIII – начале XIX в. были разработаны земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсо­лютизации данного представления о мире, и оно стало рассмат­риваться в качестве универсального. Поэтому многие ученые пы­тались свести все многообразие явлений природы к механиче­ской форме движения материи. Такая точка зрения получила название «механистический материализм» (механицизм). Одна­ко развитие физики показало несостоятельность такой методо­логии. Это стало ясно при попытках описать тепловые, электри­ческие и магнитные явления с помощью законов механики, что оказалось невозможным (электромагнитные явления слишком отличались от механических процессов). Развитие науки раскры­ло относительный характер механической картины мира. Несостоятельной оказалась не сама механическая картина мира, а ее исходная философская идея – механицизм. В результате в XIX в. в физике наступил кризис, который свидетельствовал, что физи­ка нуждалась в существенном изменении своих взглядов на мир. Так, в недрах механической стали складываться элементы новой – электромагнитной – картины мира.

3.

Наибольший вклад в фор­мирование электромагнитной картины мира внесли работы М. Фарадея и Д. Максвелла. После создания последним на основе от­крытого Фарадеем явления электромагнитной индукции теории электромагнитного поля стало возможным говорить о появлении электромагнитной картины мира.

Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике. В соответствии с ней мир стал представляться единой электродинамической системой, устроенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Важнейшими понятиями новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным, напряженность поля – сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке. Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую (покоящиеся заряды) и магнитную (движущиеся заряды) силы, называется электромагнитной. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики. Они известны как уравнения Максвелла. Это – закон Ш. Кулона, который полностью эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона; магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца, магнитных зарядов не существует; электрическое поле создается переменным магнитным полем; магнитное поле может создаваться как электрическим током, так и переменным электрическим полем.

Таким образом, были выдвинуты новые физические и философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира. Но нельзя сказать, что эти изменения были кардинальны, так как они осуществились в рамках классической науки. Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические представления о мире.

Кардинально изменились представления о материи. Согласно электромагнитной картине мира материя существует в виде вещества и поля. Они строго разделены, и их превращение друг в друга невозможно. Главным из них является поле, а значит основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности.

Расширилось также и понятие движения. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно, законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.

Электромагнитная картина мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновский принцип дальнодействия, согласно которому любые взаимодействия передаются от тела к телу на огромные расстояния мгновенно, заменялся фарадеевским принципом близкодействия, который утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке, непрерывно и с конечной скоростью.

Электромагнитная картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности ма­терии и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Новое понимание сущности материи поставило ученых перед необходимостью пересмотра и переоценки этих основополагающих качеств материи.

Причинное объяснение многих физических явлений в конце XVIII – начале XIX в. привело к абсолютизации классической механики. Динамические законы четко и однозначно объясняли течение природных процессов. Возник лапласовский детерминизм (точное однозначное определение состояния механической системы и ее предыдущего состояния), который выражает идею абсолютного детерминизма – уверенность в том, что все происходящее имеет причину в человеческом понятии, и есть познанная и еще непознанная разумом необходимость. Случайность все еще пытались исключить из физической картины мира. Но в середине XIX в. впервые появилась фундамен­тальная физическая теория нового типа, которая основывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в форме так назы­ваемых статистических законов. Правда, пока физики не остав­ляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона, и счи­тали вновь созданную теорию промежуточным вариантом, временной мерой. Тем не менее, прогресс был налицо: в электромагнитную картину мира вошло понятие вероятности.

Не менялось в электромагнитной картине мира представле­ние о месте и роли человека во Вселенной. Его появление счита­лось лишь капризом природы.

Электромагнитная картина мира объяснила большой круг физических явлений, непонятных с точки зрения прежнего механического представления о мире. Однако дальнейшее ее развитие показало, что она имеет относительный характер. Поэтому на смену ей пришла новая – квантово-релятивистская (полевая) – картина мира, объединившая в себе дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира.

4.

В основе квантово-релятивистской картины мира лежит новая физическая теория – квантовая механика, описывающая состояние и движение микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволяют выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, изучить свойства элементарных частиц.

В соответствии с квантово-полевой картиной мира любой микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не имеет определенной траектории движения и не может иметь определенных координат и скорости (импульса). В квантовой механике, в отличие от классической физики, поведение каждой микрочастицы подчиняется не динамическим, а статистическим законам.

Общая картина реальности в квантово-полевой картине мира как бы двупланова: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой – условия наблюдения, от которых зависит определенность этих характеристик. Это означает, что картина реальности в современной физике является не только картиной объекта, но и картиной процесса его познания. Ушли в прошлое представления о неизменности материи, о возможности достичь конечного предела ее делимости. Кардинально меняется представление о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментальных физических взаимодействий, которых известно четыре вида: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, их зависимости от материи. Они перестают быть независимыми друг от друга и согласно теории относительности сливаются в едином четырехмерном пространстве-времени, которое не существует вне материальных тел.

Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они всегда выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов, которые способствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. Таким образом, оказалось, что в основе мира лежат случайность, вероятность.

Также новая картина мира впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависели получаемые результаты исследований. Более того, был сформулирован так называемый антропный принцип, который утверждает, что наш мир таков, каков он есть, только благодаря существованию человека. Отныне появление человека считается закономерным результатом эволюции Вселенной.

5.

Основные особенности современной эволюционной научной картины мира:

1. С середины ХХ в. наука сливается с техникой, происходит научно-техническая революция (НТР).

2. Утверждаются диалектические установки всеобщей связи и развития, идея эволюции (развития).

3. Утверждается установка: «мир как мысль», имеющая в основе системный подход и метод глобального эволюционизма.

4. Мир признается совокупностью разноуровневых систем, находящихся в состоянии иерархической соподчиненности. При этом на каждом уровне организации материи действуют свои закономерности. Системно-целостное рассмотрение предметов и явлений объективного мира (аналитический метод, бывший основным в классической науке уступает место синтетическому).

5. Представление о неисчерпаемости материи (конечную материальную первооснову мира найти невозможно).

6. Невозможность получения абсолютной истины. Истина относительна, существует во множестве теорий, каждая из которых изучает свой фрагмент реальности.

7. Неслучайность появления Жизни и Разума в мире. Это вопрос о цели и смысле Вселенной: мысль о запланированном появлении разума, который полностью проявит себя в будущем.

8. Теории, повлиявшие на складывание современной эволюционной картины мира: теория относительности, квантовая механика, ядерная физика, теория физического взаимодействия, космология Большого взрыва, эволюционная химия, открытия в биологии, кибернетика, синергетика, неравновесная термодинамика (основанные на методе глобального эволюционизма).

9. Современная наука снова переживает состояние кризиса, являющегося симптомом новой научной революции.

Вопросы для повторения:

1. Что представляет собой научная (естественнонаучная) картина мира?

2. Назовите преимущества и недостатки механистической картины мира.

3. Как изменила представления об устройстве мира электромагнитная теория?

4. Назовите характерные особенности квантово-релятивистской картины мира.

5. Что способствует изменению научной картины мира в начале XXI века?