Концепции современного естествознания. Ответы на экзаменационные вопросы

Были заложены основы механической картины мира, в которой можно выделить четыре принципиальных момента:

1)мир строился на едином фундаменте – на законах механики Ньютона;

2)в механической картине мира господствует лапласовский детерминизм;

3)в механической картине мира отсутствует развитие – мир в целом таков, каким он был всегда. Происходят только количественные изменения;

4)микромир аналогичен макромиру.1 Электромагнитная картина мира сформировалась во

второй половине XIX века на основе исследований М. Фарадея2 и Д. Максвелла, в которых материя представлена в виде вещества и поля. При этом вещество не превращается в поле, а поле не превращается в вещество. Ампер, изучая магнитное действие токов, пришел к выводу, что все магнитные явления в природе вызваны электрическими токами (теория молекулярных токов Ампера).

Второй значимой идеей Фарадея было определение роли промежуточной среды в электрических явлениях. Он доказал, что электрические магнитные взаимодействия передаются промежуточной средой.

Вработах Максвелла идеи Фарадея получили математическое обоснование. Было доказано, что электрические

имагнитные поля взаимосвязаны и способны взаимно превращаться. Исследования Максвелла привели к созданию электромагнитной теории света. Электромагнитная картина мира представляла собой значительный шаг вперед в познании мира.

Вконце XIX – начале XX века были сделаны открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии. Мир разделяется на три большие области: микромир, макромир и мегамир, которые взаимосвязаны между собой. Было доказано, что как вещество, так и поле состоят из элементарных частиц, которые взаимопревращаются.

Теория относительности в корне изменила представления о пространстве и времени. Все движения, происходя-

щие в природе, имеют относительный характер. Пространс-

1 См. М.К. Гусейханов, О.Р. Раджабов. Концепции современного естествознания. М., 2007, с. 56

2 На основе исследований М. Фарадея был создан первый электромотор.

11

тво и время выступают как единый пространственно-вре- менной континуум.

Всовременнойкартинемиравероятностныезаконыприобретают самостоятельный статус, оказываются фундаментальными и не сводимы к динамическим. Окружающий мир предстает как целостное образование, состоящее из множества взаимодействующих систем. Синергетика дала возможность представить мир как мир самоорганизующихся процессов, которые могут происходить и в простейших системах неорганической природы при открытости и неравновескости системы. Мир предстает как находящийся в процессе эволюции и развития. Происходит смена парадигм в процессе перехода к более общей и глубокой теории исследуемых процессов. Эволюция постоянно происходит в неживой, живой природе и обществе –

естественнонаучное знание тесно связано с гуманитарным.

1.3. Теоретический и эмпирический уровни исследований

На протяжении всей истории философии и науки имело место выделение двух уровней познания, отношения к окружающему миру: теоретического и эмпирического. Но проблема выработки критериев разграничения этих двух уровней познания в явном и продуктивном виде сформулирована логическим позитивизмом. Эти уровни различаются, прежде всего, по предмету исследования. Эмпирические исследования направлены на изучение явлений объективного мира, материальных процессов, в то время как теория ориентируется на познании сущности объективных процессов (природных и социальных). На эмпирическом уровне познания используются наблюдение, эксперимент, описание, составление графиков, таблиц. На теоретическом уровне применяются идеализация, мысленный эксперимент, восхождение от абстрактного к конкретному, аксиоматический и гипотетико-дедуктивный методы. Теория представляет собой систему логически взаимосвязанных утверждений, презентирующих тот или иной фрагмент изучаемой действительности. Любая теория должна обладать определенным прогностическим потенциалом.

Диалектический подход к взаимодействию теоретического и эмпирического уровня исследований раскрывает их взаимосвязь и взаимообусловленность.

12

Тема 2 КОНЦЕПЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК

Современная физика – это та физика, которая лежит в основе практических свершений нашего времени. Физика как наука развивается и в силу внутренних законов, в силу внутренней логики и в силу внешних потребностей – потребностей производства и общественной практики. Сегодня трудно четко разделить фундаментальную и прикладные науки. Успех фундаментального исследования в значительной степени зависит от взаимодействия фундаментальной и прикладной наук.

2.1. Виды физических взаимодействий в природе

Слово «физика» означает «наука о природе». В эпоху ранней греческой культуры наука была еще нерасчлененной

иохватывала все, что было известно о земных и небесных явлениях. По мере накопления фактического материала и его научного обобщения, по мере дифференциации научных знаний и методов исследований из натурфилософии как общего учения о природе выделились астрономия, физика, химия, биология, геология и другие науки.

Круг явлений, изучавшихся физикой в разные периоды ее истории, изменялся. Современная физика исследует элементарные частицы, ядра атомные, атомы и молекулы, макроскопические агрегаты этих частиц – твердые тела (кристаллы),

жидкости, газы, электромагнитные и гравитационные поля. Физика изучает различные виды движения частиц и сред.

Физические методы применяются при исследовании любых сложных материальных систем и их поведения в различных условиях. На стыке физики и других естественных наук возникают сложные дисциплины – биофизика, астрофизика, геофизика, химическая физика. Развитие физики приводит к появлению новых отраслей техники. Стимулируемое физикой развитие технических наук в свою очередь способствует созданию совершенно новых методов физического исследования, обуславливающих прогресс физики

исмежных наук, таких как агрономическая физика, физи-

13

ко-химическая биология, физико-химическая механика, физико-химический анализ.

Агрономическая физика изучает процессы, протекающие в растениях на всех этапах их развития и включает разделы: 1) механические, тепловые, электрические и другие свойства растения; 2) структурные, молекулярные, электрофизические характеристики почвы, аэродинамические и радиационные параметры воздуха; 3) физические процессы взаимодействия растения со средой; 4) активные методы воздействия на растения и среду; 5) физико-технические средства исследования растения и среды.

Физико-химическая биология изучает физико-хими- ческие, молекулярные механизмы биологических явлений. Изучаются структуры биологических объектов вплоть до молекулярного и атомарного разрешения, электронные процессы в биологических системах, атомно-молекулярная картина важнейших биологических процессов, в особенности биохимических. Физико-химическая биология изучает механизмы нервной проводимости, памяти, зрения, механизмы фотосинтеза. Интенсивно исследуется природа мутаций как спонтанных, так и вызванных химическими, радиационными и другими воздействиями. Физико-химическая биология пользуется как физическими, так и химическими, биохимическими и генетическими методами исследования.

Физико-химическая механика выясняет закономерности и механизмы физико-химических процессов получения различного рода твердых тел, строительных и конструкционных материалов с заданными свойствами и структурой, проблемы деформации.

В рамках физико-химического анализа исследуются соотношения между физическими свойствами системы и ее свойством.

2.2. Принципы современной физики. Синергетика

Физика, как и любая другая наука, в своем развитии использует определенные принципы: симметрии, неопределенности, дополнительности, которые являются фундаментальными положениями современной физики.

В физике симметрия проявляется в том, что законы не меняются при определенных преобразованиях. В этом слу-

14

чае считается, что эти законы инвариантны (симметричны) относительно этих преобразований. Так, например, немецкий математик Эмми Нетер доказал теорему, устанавливающую связь между свойствами симметрии и законами сохранения. Теорема гласит, что если свойства системы не меняются от какого-либо преобразования переменных, то этому соответствует некоторый закон сохранения. Теорема Нетера относится не только к пространственно-временным симметриям, но и к внутренним. Так, например, при всех превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной. Особо важное значение теорема Нетера приобретает в квантовой теории полей, где часто вытекающие из наличия группы симметрии законы сохранения являются единственным источником информации о свойствах системы.

Принцип неопределенности Гейзенберга – функциональное положение квантовой теории, утверждающее, что не существуют такие состояния физической системы, в которых две динамические переменные А и В имеют одновременно определенные значения, что связано с объективными свойствами системы. Микрочастица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату и наоборот. Оба могут быть известны с некоторой неточностью. Это выражается математическим уравнением, выведенным В. Гейзенбергом, которое называется «соотношением неопределенностей»: p · q ≥ h/2π, где p – неопределенность (или неточность) импульса; q – неопределенность координаты; h – постоянная Планка. Аналогичное соотношение можно вывести для энергии и времени.

Из соотношения неопределенностей следует, что чем более определенно значение одной из входящих в неравенство величин, тем менее определенно значение другой.

Принцип неопределенности явился важным шагом в интерпретации закономерностей микромира и построении квантовой механики. Принцип неопределенности является частным случаем принципа дополнительности, сформулированного Н. Бором в 1927 году.

Принципы дополнительности является основополагающим в современной физике. Термин «принцип дополнительности» вошел в обиход после выступления Н. Бора на Международном конгрессе в Комо (1927 г.). В своем докладе Бор не только сформулировал принцип дополнительнос-

15

ти, но и указал на его непосредственную связь с квантовыми постулатами. Принцип дополнительности объясняет специфику квантовых объектов: получение информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, связано с потерей информации о других величинах. Это связано с тем, что, например, электрон проявляет себя то как частица, то как волна. Это объективное противоречие микромира. Квантовая природа микрообъектов дополнительна их классическому описанию познающим субъектом (человеком). Природа объединяет один и тот же физический объект, свойства и закономерности, которые противоречат друг другу1.

В области квантовых явлений наиболее общие физические свойства какой-либо системы должны быть выражены с помощью дополняющих друг друга пар независимых переменных, каждая из которых может быть лучше определена только за счет соответствующего уменьшения степени определенности другой (Д. Бом).

Синергетика – относительно новая область физических исследований по выявлению общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных структур, в том числе и физических.

Синергетика (от синергия – совместное действие) – это первая наука физического цикла, которая ставит вопрос не только о функционировании, но и о происхождении неживых систем. Можно сказать, что синергетика является теорией эволюции неживых систем подобно тому, как теория эволюции является теорией эволюции живых систем. Фундаментальным критерием «сложности» в синергетике выступает показатель не статического характера, но показатель сугубо динамический: наличие имманентного потенциала самоорганизации. Синергетика исследует класс систем, находящихся за пределами границ динамического равновесия (неравновесные системы).

Отличие 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;

1 См.: В. Вайскопф. Физика в двадцатом столетии. М., 1977, с. 58, 254

16

3)приток энергии создает в системе порядок, и, следовательно, ее энтропия (мера неоднородности распределения энергии) уменьшается;

4)имеется бифуркация – переломная точка в развитии системы;

5)когерентность: система ведет себя как единое целое. Сложность в синергетике рассматривается не как исклю-

чение, а как общее правило. На этой основе синергетика формулирует свой основополагающий тезис: на всех уровнях структурной организации бытия именно неравновесность выступает условием и источником возникновения «порядка». Неравновесность есть то, что порождает «порядок из хаоса».

Фундаментальным свойством исследуемых синергетикой объектов выступает их сложность. Под сложностью понимается способность к самоорганизации, усложнению пространственно-временной структуры на макроскопическом уровне в силу происходящих на микроуровне изменений. Одним из важнейших мировоззренческих выводов из синергетической концепции является вывод о фундаментальном единстве микро- и макромира.

И. Пригожин и И. Стенгерс1 называют хаотическими все системы, которые нельзя описать однозначно детерминистично, т. е. зная состояние системы в данный момент, точно предсказать, что с ней будет в момент следующий. 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.

Условия формирования новых структур в синергетике: 1) открытость системы; 2) ее нахождение вдали от равновесия; 3) наличие флуктуаций. Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуаций, угрожающих ее устойчивости. От исхода конкуренции между устойчивостью и неустойчивостью из-за флуктуаций зависит порог устойчивости системы. За этим порогом система попадает в критическое состояние (точка бифуркации). Небольшая флуктуация может стать началом эволюции в новом направлении.

По мнению И. Пригожина и И. Стенгерс, большинство систем открыты – они обмениваются энергией, или веществом, или информацией с окружающей средой. Главную роль в мире играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность.

1 Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М., 1994.

17

Синергетика – принцип самодвижения в неживой природе, создания более сложных систем из более простых. С синергетикой в физику проник эволюционный подход. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень, подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии. Она пытается ответить на вопрос, как образовались те макросистемы, в которых мы живем. Вещество – это застывшая энергия. Энергия – творец, энтропия – мера творчества.

Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Синергетика подтверждает вывод теории относительности, энергия творит более высокие уровни организации. Развитие понимается в синергетике как процесс становления качественно нового, того, что еще не существовало в природе.

На пороге XXI века наука подошла к тому, чем всегда занималась мифология – к вопросу происхождения мира и материи. Кибернетика решает проблему разума, синергетика – проблему рождения материи.

В синергетике важным является понятие неустойчивости. Из хаоса (неустойчивости) рождается космос. При спонтанной флуктуации поля начинается самопроизвольный процесс порождения частиц. Первые частицы, которые появились, были нестабильными элементарными частицами без массы покоя и с критическим временем существования. Затем они превратились в стабильные, существующие поныне. Нестабильные частицы И. Пригожин отождествляет с черными мини-дырами.

Последовательность рождения материи и вакуума: спонтанная флуктуация → точка бифуркации → черные минидыры → пространство-время → частицы. Модель рождения материи И. Пригожина принадлежит к классу неустойчивых вероятностных систем.

Вопрос о перспективах использования идей самоорганизации в социально-гуманитарной сфере остается открытым. Сами И. Пригожин и И. Стенгерс против непосредственного заимствования социальными науками понятий и методов синергетики.

К числу наиболее значимых достижений в естествознании с использованием синергетической парадигмы следует отнести:

18

1)переосмысление принципа детерминизма в плане нелинейной его интерпретации;

2)содержательное введение в поле концептуальной аналитики феномена времени;

3)ориентировку на плюральную множественность описаний.

Возникнув на стыке различных дисциплин, синергетика, в свою очередь, стимулирует интеграционные процессы

всовременной культуре. По оценке И. Пригожина, «если природе присуща нестабильность, то человек просто обязан более осторожно и деликатно относиться к окружающему его миру, – хотя бы из-за неспособности однозначно предсказать то, что произойдет в будущем».

Синергетика – область научных исследований коллективного поведения частей сложных систем, связанных с неустойчивостями и касающихся процессов самоорганизации. Синергетика – это теория самоорганизации систем различной природы. Сама идея синергетики имела место еще в классической науке XVIII–XIX вв. Это космогонистическая гипотеза Канта–Лапласа, теория эволюции Дарвина, теория поведения термодинамических систем Макс- велла–Больцмана.

Природа сквозь призму синергетики предстает как развивающаяся, нелинейная, открытая самоорганизованная иерархическая система. Создание синергетической картины мира по сути своей является научной революцией, по своему статусу сравнимой с открытием строения атома, созданием генетики и кибернетики.

Проблема самоорганизации материальных систем в XX в. стала одной из центральных проблем науки. Существенный вклад в решение этой проблемы вносит системный и информационный подходы. Но обе эти области исследования имеют дело, в основном, с материальными системами уже достаточно высокого уровня организованности: биологические системы, социальные, технические и т. д. процессы самоорганизации в неживой природе остаются вне интересов этих подходов. Именно решение этой задачи взяла на себя синергетика, которая и выявляет общие закономерности самоорганизации устойчивых структур в открытых системах. Эффект возникновения из хаоса и беспорядка устойчивых самоорганизующихся структур был обнаружен в физике еще в начале XX века, но суть этих процессов удалось

19

раскрыть на основе термодинамических принципов И. Пригожина. Результаты исследований в области синергетики позволяют по-новому взглянуть на процессы возникновения живых биологических систем из неживых, расширяют представления о самодвижении.

Синергетический подход подводит конкретно-научную базу под умозрительные философские постулаты о внутренней активности материи, ее стремлении к структурной самоорганизации и выступает основанием концепции самоорганизации на всех уровнях. «Есть все основания верить, что со временем эволюционная парадигма позволит установить генетическую связь между структурными уровнями существования материальных систем подобно тому, как теория эволюции Ч. Дарвина позволила установить такую связь между живой и неживой природой. Жизнь при нашем подходе перестает противостоять «обычным» законам физики. Впредь физика с полным основанием может описывать структуры как формы адаптации к внешним условиям»1.

Синергетика на настоящий момент является наиболее общей теорией самоорганизации. Она формулирует общие принципы самоорганизации, действительные для всех структурных уровней материи, на языке математики описывает механизмы структурогенеза, в ее рамках способность к самоорганизации выступает как атрибутивное свойство материальных систем.

2.3. Основные закономерности микромира

Микромир нельзя рассматривать как уменьшенный масштаб макромира. Это мир элементарных частиц. Элементарными называют по той причине, что они представляют собой предел деления на самостоятельные составные части. В настоящее время известно более 400 частиц и античастиц. Античастицы отличаются от соответствующих им частиц только зарядом.

Микромир – это область предельно малых объектов, размер которых находится в диапазоне от 10–8 до 10–16 см. Время жизни – от бесконечности до 10–24 секунды. Микрочастицы обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Они могут превращаться друг в друга. Извест-

1 Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986, с. 55.

20