Концепции современного естествознания. Учебное пособие-1

штатива скорость свободного конца пружины какое-то время будет оставаться неизменной за счет ее сжатия. Из-за невозможности мгновенной передачи воздействия на все молекулы, составляющие пружину, т.е. из-за инерционности вещества, произойдет ее сжатие — расстояние между витками пружины уменьшится. Это соответствует смещению в синюю область спектра. При движении в обратную сторону, наоборот, будет происходить увеличение длины витка. Разумеется, эта аналогия является очень грубой и на самом деле процессы, происходящие с квантами света, не имеют ничего общего с механическим сжатием пружины, но этот пример помогает ассоциативно воспринять сложное физическое явление — эффект Доплера;

9с философской точки зрения, жесткий детерминизм Лапласа уступает место диалектическому детерминизму. Законы диалектики, разработанные Гегелем и Марксом, дают иную картину мира, нежели при жестко детерминистском подходе. Самое главное отличие состоит в понимании того, что одно и то же явление может быть вызвано рядом различных причин, и одно и то же основание может вызывать к жизни ряд различных следствий, или не вызывать ни одного из них. Утверждение диалектического детерминизма привело к представлению о мире как вероятностной системе, подчиняющейся статистическим законам. Статистическими называются законы, описывающие системы с большим количеством входящих в нее компонентов. Категория вероятности — одна из ключевых для современного понимания мира как системы. Она характеризует поведение объекта при повторяющихся условиях. Классическая интерпретация вероятности опирается на математическое моделирование азартных игр и представляет собой отношение числа благоприятствующих случаев к общему числу всех равновозможных. Например, при бросании игральной кости, имеющей 6 граней, выпадение каждой из них можно ожидать с вероятностью, равной 1/6, т. к. ни одна грань не имеет преимуществ перед другой. Подобная симметричность исходов опыта специально учитывается при организации игр, но сравнительно редко встречается при исследовании объективных событий в науке и практике. Классическая интерпретация вероятности, берущая начало от работ Бернулли и Паскаля, в настоящее время уступила место статистической концепции, в основе которой лежат действительные наблюдения появления некоторого события в ходе длительного опыта при точно фиксированных условиях. Практика подтверждает, что чем чаще происходит событие, тем больше степень объективной возможности его появления, или вероятность. Поэтому статистическая интерпретация вероятности. опирается на понятие

31

относительной частоты, которое может быть определено опытным путём. Вероятность как теоретическое понятие никогда не совпадает с эмпирически определяемой частотой, однако во мн. случаях она практически мало отличается от относительной частоты, найденной в результате длит. наблюдений. Многие статистики рассматривают вероятность как «двойник» относительной частоты, которая определяется при статистическом исследовании результатов наблюдений или экспериментов. Статистические системы описываются величиной вероятности нахождения системы в том или ином состоянии.

Для неклассического типа рациональности характерным является требование применения средств и методов естественных наук для анализа процессов и явлений, происходящих с человеком и с обществом, т.е. в сфере гуманитарных наук. Это требование, выдвинутое в конце ХIХ в., имеет ряд причин. Грандиозные успехи естественных наук в конце XIX — начале ХХ вв., породили глубокое убеждение во всемогуществе науки. Открытия в физике, физиологии, генетике и других естественных науках порождали определенную эйфорию, создалось впечатление, что все тайны мира будут вот-вот раскрыты. В противовес этому, социальная напряженность в различных странах приводила к ряду кризисов, общественное устройство было далеко от идеала, что породило мнение о необходимости подчинения общества законам природы. Казалось, что разумное, гармоничное общественное устройство может быть достигнуто, если законы его построения будут скопированы с законов природы. Наука может все, следовательно, необходим научный (следует понимать — естественнонаучный) подход к человеку и социуму для достижения идеала.

Это заблуждение продолжалось до середины ХХ в., когда произошла смена неклассического типа рациональности постнеклассическим типом. Постнеклассическому типу присущи все характеристики, выдвинутые неклассическим типом рационального мышления, за исключением одного. Естественнонаучные методы уже не ставятся во главу угла.

Для того, чтобы понять такой поворот, необходимо вспомнить некоторые важнейшие события, произошедшие в середине ХХ в. Завершилась Вторая мировая война, было испытано ядерное оружие, прошел Нюрнбергский процесс над фашистскими преступниками. Атомная бомбардировка Хиросимы и Нагасаки доказала, что естественные науки в самом деле могут все, в том числе — уничтожить все человечество. Мир впервые оказался на грани физического уничтожения, причем оно зависело не от природных процессов, а только от воли человека. Естественные науки обернулись совершенно иной стороной, и напрасно определенная часть ученых

32

утверждала, что чистая наука остается в стороне от политических процессов. Требования поставить научные исследования под строгий контроль со стороны общества особенно громко зазвучали после опубликования результатов Нюрнберга, когда стало известно о проводимых нацистскими врачами экспериментах на людях. Постнеклассическая картина мира базируется на основных постулатах, выведенных в ХIХ—ХХ вв., научная состоятельность и достоверность неклассической картины не подвергается сомнению, однако наука должна быть подчиненной обществу, которое должно обладать всеми механизмами контроля.

Очень близким по смыслу к понятиям «картина мира» и «тип рациональности» является категория парадигмы (с греческого — пример, образец), введенная в научный обиход американским философом Т. Куном. Кун подразумевал под этим наличие определенного «стиля научного мышления», который основан на теориях, гипотезах и мнениях, распространенных в данное время в данном обществе. Парадигму составляют «…признанные всеми научные достижения, которые в течение определенного времени дают модель постановки проблем и их решений научному сообществу». Парадигма не является теорией, хотя базируется на определенных фундаментальных теориях, она определяет направления научных исследований, способы решения научных проблем. Смена одной парадигмы на другую происходит спонтанно, под влиянием новых идей, появившихся в науке, и в атмосфере резкого противодействия сторонников прежней парадигмы.

ТЕМА 3. Понятие системы

3.1. Виды систем

Дать единое определение системы, которое было бы принято во всех областях знания, использующих данное понятие, достаточно сложно. В самом общем виде можно сказать, что система представляет собой комплекс элементов, объединенных строго определенными связями и функционирующих как единое целое. Слово «система» греческого происхождения, оно переводится как «целое, состоящее из частей; единство множественного». Данная категория претерпела длительную эволюцию и в настоящее время является одной из ключевых для самых различных

33

областей знания. Начиная от атомов и элементарных частиц и заканчивая Вселенной в целом мы можем рассматривать объекты познания как системы. Неживая материя, живая клетка, человек, галактика — все это системы различной степени сложности или, как говорят ученые, различных уровней организации.

Существуют два основных подхода к изучению систем. При первом из них считается, что определяющим фактором для функционирования системы являются элементы, при втором таким фактором считаются отношения между элементами. Первый подход, таким образом, получил название концепции элементов, второй —

концепции отношений.

Концепция элементов восходит к античным натурфилософским представлениям о мире как о совокупности определенного числа первооснов. Различными авторами называются различные первоэлементы, однако в большинстве случаев это огонь, вода, воздух, земля и некоторые другие. Мир при таком подходе предстает дискретным, состоящим из отдельных частиц. Ярчайшим примером концепции элементов является атомистическая теория Левкиппа-Демокрита, когда бытие представляется состоящим из отдельных частиц — атомов, между которыми находятся участки небытия — пустота. В наиболее завершенном виде античную концепцию элементов представил Аристотель.

Данный подход оказал значительное влияние на развитие естествознания. Классическая механика, рассматривая механические системы, выделяет в качестве их основных характеристик массу и скорость, т.е. функционирование системы, с точки зрения механики, определяют свойства элементов. Отношения между ними являются производной функцией от их свойств. Такой подход привел к появлению в естествознании принципиально нового понятия — материальной точки. Материальная точка — это идеальный механический объект, обладающий массой, но не обладающий протяженностью. Свойства систем, состоящих из материальных точек, зависят от их механических характеристик — массы, скорости, ускорения и т.д.

Термодинамика оперирует таким понятием, как идеальный газ, который состоит из молекул, являющихся материальными точками. Для расчетов многих формул и уравнений термодинамики применяется универсальная формула идеального газа.

Электростатика и электродинамика используют понятие заряда, которое также восходит к материальной точке. Электростатические системы рассматриваются как совокупность зарядов, взаимодействующих между собой, причем способы этого взаимодействия зависят от свойств заряда.

34

В квантовой физике концепция элементов представлена корпускулярной теорией света. Световой луч рассматривается в данном случае как поток отдельных частиц — фотонов, или квантов света.

Концепция элементов оказала значительное влияние и на развитие гуманитарных наук. Например, теории естественного права и «общественного договора» основаны на представлении о человеке, как единичном носителе человеческих свойств; общество выступает при таком подходе как совокупность отдельно взятых элементов, отношения между которыми зависят от свойств и качеств каждого человека.

Вторая концепция изучения систем — концепция отношений — также восходит к античности. В ней подчеркивается приоритет отношений между элементами для определения функционирования системы. В произведениях таких философов, как Пифагор и Парменид, указывается на невозможность дискретного существования отдельных частиц. Пифагор, рассматривая свойства чисел, приходит к выводу об их взаимосвязанности. Первое число — единица — выступает не как дискретная, множественная единица, а в виде тождества, как непрерывная и положительная сущность. Мир, отсюда, воспринимается как изначально синтетическое понятие, которое затем превращается в дискретную систему только в восприятии человека. Парменид утверждает о завершенности, целостности мира, как непрерывного, вечного и неизменного бытия. Ученик Парменида Зенон Элейский для доказательства правоты своего учителя составил ряд логических конструкций, которые известны нам как апории Зенона. Наиболее известной является апория «Ахиллес и черепаха», в которой утверждается, что «быстроногий Ахиллес» никогда не догонит черепаху, поскольку для преодоления расстояния, изначально их разделяющего, Ахиллесу понадобится какое-то время, за которое черепаха уползет на определенное расстояние, для преодоления этого расстояния потребуется еще какое-то время, и так до бесконечности. Расстояние между ними, таким образом, будет постоянно сокращаться до бесконечно малых величин, но никогда не станет равным нулю. Отсюда Зенон делает вывод о невозможности движения в принципе, если мы рассматриваем мир как бесконечно дискретную систему.

В общем виде концепцию отношений выразил величайший античный мыслитель Платон. Он утверждает, что определяющим качеством любых объектов является их соотнесенность друг с другом. Не существует единицы без двойки, не существует одного человека без другого и т.д. Наиболее ярким примером проявления целостности являются математические системы, в которых отдельные объекты обладают какими-

35

либо свойствами только при включении их в определенные отношения с другими объектами. Любая математическая величина не обладает своей отдельно взятой сущностью, она получает свои свойства только по отношению к другим величинам. Так, говоря об отрицательном числе, мы подразумеваем, что оно располагается на числовой оси левее нуля, т.е. выводим его свойства через отношение к другому числу. При таком подходе система мыслится как совокупность отношений, которые позволяют элементам, входящим в нее, приобретать определенные качества — «сущности», как называет их Платон. Этот принцип получил дальнейшее развитие в естествознании и в гуманитарных науках и сейчас известен нам как принцип относительности. В физике этот принцип оказал огромное влияние на становление неклассической картины мира. Вселенная при таком подходе понимается не как дискретный набор элементов, а как

пространственно-временной континуум, т.е. система, обладающая своими собственными взаимосвязанными свойствами, в первую очередь — пространственными и временными характеристиками. Такой подход предполагает существование универсальных законов, работающих во всех областях нашего мира. К числу таких законов относится, например, закон сохранения энергии. Понимание Вселенной как протяженности с неизбежностью приводит к выводу о зависимости свойств и качеств отдельных объектов материального мира от свойств и отношений целостной системы, в которую эти объекты включены.

Механистическая картина мира во многом опиралась на принцип относительности, автором которого в естествознании считается Галилей. В первую очередь это относится к относительности состояний движения и покоя. Если один объект движется в какой-либо системе, то это еще не означает, что он движется и в других системах, и наоборот — покоящийся по отношению к какой-либо системе объект может находиться в движении по отношению к другим системам. В качестве примера можно указать на человека в поезде — по отношению к поезду он может находиться в покое, однако по отношению к земле он движется.

В квантовой физике концепция отношений привела к появлению волновой теории света. Объяснить некоторые явления, такие, как дифракция и интерференция света, оказалось возможным, только представив свет не в виде потока частиц, а в виде волны, обладающей определенными характеристиками — длиной и частотой. Однако при таком рассмотрении необъясненными оказывались некоторые другие свойства света. В частности, если свет является волной, т.е. чистой энергией, не имеющей массы, то на него не должны воздействовать силы гравитации. Однако опытным путем было установлено, что световые лучи искривляются при прохождении вблизи объектов,

36

обладающих значительной массой и, соответственно, сильным гравитационным полем. Отсюда был сделан вывод о присутствии у света свойств как потока частиц, так и волны. Эта концепция получила название теории корпускулярно-волнового дуализма.

В гуманитарных науках концепция отношений нашла свое выражение в различных теориях общества, в первую очередь — в теории общественноэкономических формаций Маркса. Такой подход выводит качества отдельного человека из целостной системы отношений, складывающейся в социуме. Большинство современных психологических и социологических теорий, начиная от Ж. Пиаже и М. Вебера, используют именно эту концепцию.

Все системы, независимо от подхода к их изучению, могут быть разделены на определенное количество групп по нескольким различным критериям. В первую очередь системы делятся на открытые и закрытые.

Открытой системой называется система, обменивающаяся с окружающей средой веществом, энергией или информацией. В закрытых системах такого обмена не происходит.

Системы, реально существующие в окружающем мире, являются открытыми. Исходя из представления о целостности нашей Вселенной, можно сказать, что любые системы в ней являются подсистемами, связанными друг с другом. Любой физический объект включен в пространственно-временной континуум, которым является наш мир, он связан с другими объектами определенными отношениями, которые могут проявляться только в виде какого-либо обмена с ними. Человек, общество, звездные системы, атомы, молекулы — все это примеры подсистем, которые могут существовать только во взаимосвязи друг с другом. Замкнутой системой можно считать нашу Вселенную в целом, однако в свете современных представлений и это утверждение представляется сомнительным. Возможно, существуют вселенные, отличающиеся от нашей по каким-то параметрам, тогда наш мир будет всего лишь подсистемой, обменивающейся с другими подсистемами веществом, энергией или информацией. В частности, некоторые ученые предполагают, что так называемые черные дыры — космические объекты, обладающие настолько большой массой, что сила тяготения вокруг них не позволяет вырваться за ее пределы никаким другим объектам окружающего мира, даже световым лучам, — представляют собой своеобразные тоннели, ведущие из нашего мира в миры, обладающие иными физическими характеристиками. Закрытые системы, таким образом, могут быть созданы лишь искусственно.

37

По состоянию в каждый момент времени системы могут подразделяться на

статические и динамические. Статическая система — это система, в которой в данный момент времени элементы обладают неизменными свойствами и отношения между ними также неизменны. В динамических системах свойства элементов и отношения между ними меняются с течением времени.

По структуре организации системы делятся на физические (механические, термодинамические, электромагнитные и т.д.), биологические, социальные.

По уровню организации можно выделить системы микро-, макро— и мегауровня.

Среди открытых важнейшую роль играют самоорганизующиеся или диссипативные системы, способные самостоятельно повышать уровень своей организации.

3.2. Характеристики системы

Для изучения различных систем требуется выделить универсальные характеристики, при помощи которых можно было бы описать любую систему, независимо от ее типа. Такими характеристиками являются структура, состояние, энергия, энтропия, информация системы.

Структура (с латинского — строение, расположение, порядок) — совокупность элементов и устойчивых связей объекта, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т. е. сохранение основных свойств при различных внешних и внутренних изменениях.

В более широком, нестрогом смысле понятие структуры употреблялось в научном и философском обиходе достаточно давно (по крайней мере со средних веков)

ивыступало в качество одного из способов определения понятия формы (форма как структура, организация содержания). В строгом смысле понятие структуры впервые развивается в химии в связи с возникновением в 19 в. теории химического строения вещества.

Структуру можно определить и как понятие, характеризующее количественную

икачественную составляющие системы. Так, говоря о Солнечной системе, можно указать на взаиморасположение Солнца, планет и других объектов, входящих в ее состав, говоря о структуре живой клетки — продемонстрировать элементы, ее

38

составляющие и т.д. Иногда о структуре говорят как о слепке системы в конкретный момент времени.

От структуры следует отличать состояние системы. Состояние характеризует в первую очередь отношения между элементами, указывая на возможность или невозможность того или иного вида взаимодействия. В качестве примера можно рассмотреть шахматную партию как систему взаимодействия различного рода элементов — шахматных фигур. Структура партии меняется с каждым сделанным ходом, и вместе с ней меняется ее состояние. Однако возможны такие взаимоотношения между фигурами, которые запрещены шахматными правилами, например, нахождение двух королей на соседних клетках шахматной доски. Такие состояния называются запрещенными в отличие от допустимых или разрешенных. Состояние системы характеризует законы и правила, которым подчиняются ее элементы.

Для характеристики системы огромное значение имеют так называемые вероятностные состояния. Они выражают возможность перехода системы в одно из разрешенных состояний под воздействием внешних или внутренних процессов. Так, брошенная монета может принять одно из двух разрешенных состояний — «орел или решка», брошенная игральная кость — одно из шести и т.д. Теоретически, монета может упасть на ребро, зависнуть в воздухе или вообще исчезнуть, однако на практике такие состояния оказываются запрещенными в силу действия физических законов нашего мира.

Состояние системы напрямую зависит от тех процессов, которые в ней происходят. Различают обратимые и необратимые состояния системы. Обратимым называется такое состояние, из которого при определенных затратах энергии возможен переход к предыдущему состоянию. Для определения необратимых состояний было введено понятие точки бифуркации. При развитии системы она проходит через ряд последовательно меняющихся состояний. До тех пор, пока в таком состоянии сохраняется возможность выбора перехода к одному из двух или более последующих состояний, оно будет обратимым. Однако в этой цепи существует точка, перейдя за которую вернуться к предыдущему состоянию уже нельзя, как нельзя и выбрать один из двух или более вариантов дальнейшего развития. Такие точки и называются точками бифуркации. Например, если считать начальным состоянием монеты момент до броска, а возможными конечными состояниями — «орла или решку» при падении на пол, то, до тех пор, пока монета находится в воздухе, ее состояния являются обратимыми — монету можно поймать и вернуть в исходное состояние, при котором будет сохраняться

39

возможность выбора. В момент касания пола такая система будет проходить через точку бифуркации, когда ее состояние примет одно из двух значений.

Точки бифуркации применительно к другому приводившемуся примеру — шахматной партии — означают переход от начального расположения фигур к тому или иному дебюту (в начале партии возможен выбор любого из них, когда сделаны несколько ходов, определяется конкретный дебют, изменить который уже невозможно), переход от позиции с равными возможностями выигрыша, проигрыша или ничьей к позиции, заведомо проигранной и т.д. Данная категория широко применима в кибернетике и теории катастроф, где любые материальные и идеальные объекты рассматриваются в виде систем.

Также различают устойчивые и неустойчивые состояния. Устойчивое состояние сохраняет структуру системы за счет внутренней или внешней энергии. При устойчивом состоянии в системе сохраняется упорядоченность, т.е не происходит прироста энтропии (см. ниже).

От устойчивых и неустойчивых следует отличать равновесные и неравновесные состояния. Равновесное состояние может быть неустойчивым и наоборот.

Энергия — одна из важнейших характеристик любой системы, показывающая ее количественное состояние. Энергия системы определяет саму возможность ее существования и развития. Термин «энергия» (ενέργεια) был введен Аристотелем для выражения одного из видов движения. В настоящее время энергия означает действие или возможность такого действия. Существует множество видов энергии, но все они взаимопревращаемы и подчинены фундаментальному физическому закону сохранения энергии. Энергетическая характеристика системы показывает, как и в каком направлении она может развиваться, возможно ли такое развитие, и если возможно, то каким образом. Для изучения энергии существует огромное количество математических

ифизических моделей. Энергию называют «царицей мира», поскольку с помощью этой категории можно описать состояние любого объекта материального мира. Эйнштейном была выведена формула энергии, присущей любому материальному телу:

Согласно этой формуле суммарная энергия материального тела равна его массе, помноженной на скорость света. Энергия, таким образом, пропорциональна массе тела

иквадрату скорости света. В любой системе можно выделить несколько видов энергии, описывающих состояние системы с разных сторон. Это может быть кинетическая энергия тела, его потенциальная энергия, тепловая энергия и т.д. Существует так называемая шкала энергий, демонстрирующая сложность ее организации. Чем в большее количество видов энергии способен переходить один вид, тем выше он

40