Основные категории естествознания

К наиболее общим, важным, фундаментальным категориям естествознания относятся материя, движение, пространство, время.

Материя – это философская категория, служащая для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них.

В классическом представлении в естествознании различают два вида материи: вещество и поле. Но вещество и поле рассматривались отделенными друг от друга. Только квантовая механика впервые позволила установить связь вещества и поля. Экспериментальное открытие в 1927 году дифракции электронов доказало, что микрочастицы вещества и поля имеют двуединую природу – одновременно корпускулярную (дискретную) и волновую (непрерывную). В современных представлениях материя может существовать в трех формах: вещества, поля и физического вакуума, связанных взаимными переходами (принцип корпускулярно-волнового дуализма и явление аннигиляции). Некоторые ученые объединяют вещество и поле в единый тип реальности, которая действует на наши органы чувств и взаимодействует сама с собой, проявляясь в одних условиях как вещество (физические тела, молекулы, атомы, частицы), а в других – как поле (свет, радиация, гравитация, радиоволны). Однако это объединение в большей степени касается, вероятно, не макро -, а микромира, многие свойства которого носят квантово-механический характер.

Пространство – первое представление о нем возникло из очевидного существования в природе твердых физических тел, занимающих определенный объем. Из такого представления следовало, что пространство выражает порядок сосуществования физических тел. Первой законченной теорией пространства является геометрия Евклида, созданная около 2000 лет назад. Геометрия Евклида оперирует идеальными математическими объектами, которые существуют как бы вне времени.

И.Ньютон ввел понятие абсолютного пространства, которое может быть совершенно пустым и существует независимо от наличия в нем физических тел. Свойства такого пространства описываются Евклидовой геометрией. С точки зрения современного естествознания пустое пространство – это идеализация. Реальный окружающий нас мир полон материальных объектов (физический вакуум – одна из форм существования материи). А. Эйнштейн показал, что линейные характеристики пространства определяются гравитационным полем, а также зависят от движения объекта, то есть выявил относительность пространства.

Время – выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления. Оно универсально. И. Ньютон выделял абсолютное и относительное время. Абсолютное, истинное время протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное время - это кажущееся или обыденное время, то есть постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, совершаемая при посредстве какого-либо движения. Употребляется в обыденной жизни: час, день, месяц, год…

В процессе развития физики с появлением специальной теории относительности возникло понимание: абсолютное время не имеет физического смысла, оно – лишь идеальное математическое представление. Течение времени зависит от скорости движения системы отсчета. При достаточно большой скорости, близкой к скорости света, время замедляется, то есть возникает релятивистское замедление времени. Поле тяготения приводит к гравитационному замедлению времени. Т.о., время течет с различной скоростью в различных условиях, то есть время всегда относительно.

Взаимосвязь пространства и времени. Понятие о 4-мерном пространственно-временном континууме.

Вместо разобщенных координат пространства и времени теория относительности рассматривает взаимосвязанный мир физических событий, который часто называют четырехмерным миром Германа Минковского, немецкого математика и физика, впервые предложившего такую трактовку. В этом мире положение каждого события определяется 4 числами: тремя пространственными координатами движущегося тела X, Y, Z и четвертой координатой – временем t. Четырехмерное «пространство-время» подчиняется соотношениям неевклидовой геометрии. Такая геометрия переменной кривизны была создана еще до открытия теории относительности немецким математиком Бернхардом Риманом (1826-1886) и положена А. Эйнштейном в основу его общей теории относительности.

Движение. В физике движение рассматривается в самом общем виде как изменение состояния физической системы. Мысль об универсальности движения возникла в глубокой древности у мыслителей Китая, Индии, Греции. Древнегреческие философы (Гераклит, Демокрит, Эпикур) рассматривали первоначала вещей как находящиеся в постоянном движении и изменении. Основными характеристиками движения являются его абсолютность и противоречивость. Движение абсолютно, а покой относителен и представляет собой один из моментов движения. Противоречивость движения заключается в неразрывном единстве двух противоположных моментов – движения и покоя.

Движение материи многообразно и существует в различных формах. Выделяют три основные группы форм движения материи: движение в неорганической природе, в живой природе, в обществе. Высшие формы движения материи исторически возникают на основе относительно низких и включают их в себя в преобразованном виде. Однако, высшие формы движения материи качественно отличны от низших и несводимы к ним. Никакое свойство и форма движения не могут существовать сами по себе, они всегда присущи определенным материальным образованиям, которые являются их субстратом.

Организация материи (сокр. - организация) - упорядоченность материальных объектов и процессов. В отличие от важнейших категорий естествознания: материи, движения, пространства и времени, введенных в научный оборот практически с момента возникновения науки о природе (с эпохи античности), понятие организация  (материи) является сравнительно новым. Оно стало систематически разрабатываться  только во второй половине ХХ века. Понятие организации оказалось таким же важным в естествознании, как категории материи, движения, пространства и времени, и тесно с ними связанным, неотделимым от них. А именно: "Материя находится в непрерывном движении, происходящем в не иначе как в пространстве и времени, при этом материя непрерывно меняет свою организацию".

Основные формы организации материи - структура и колебание. Структура - это стабильное неоднородное распределение материи в пространстве. Колебание - стабильное неоднородное распределение материи во времени. В естествознании изучают, как правило, периодические или почти периодические колебания материи - ритмы.

Для измерения степени упорядоченности материи вводятся количественные характеристики организации: неопределенность, энтропия, информация.

Неопределенность - количество различных (несовпадающих) состояний, в которых может находиться система. Неопределенность выражается числом таких состояний N. Чем больше N, тем меньше порядок. Энтропия - количественная характеристика организации системы, связанная с ее неопределенностью формулой Больцмана. Смысл оценки  организации по формуле энтропии: чем больше неопределенность, тем больше энтропия. Энтропия количественная мера неупорядоченности системы.

Информация - количественная характеристика организации системы, связанная с ее неопределенностью формулой Хартли. Информация  есть мера дезорганизации (разупорядочивания) системы, равно как и энтропия (их величины пропорциональны друг другу).

Единица измерения информации  - бит (сложносокращенный термин от английских слов binary digit - двоичная  единица).