Концепции современного естествознания. Учебное пособие-1

Такой подход подчеркнул уникальность свойств материи микромира. Применительно к макросистемам принцип неопределенности означал бы, что тело может находиться одновременно в нескольких точках пространства, однако следует четко понимать, что к таким системам он не применим.

Принцип неопределенности подчеркивал волновую природу электрона, однако, как известно, электрон обладает и свойствами элементарной частицы. Корпускулярноволновой дуализм был выражен в принципе дополнительности, автором которого является Бор.

Принцип дополнительности Бора утверждает, что свойства частицы и волны в электроне являются дополняющими друг друга, поэтому невозможно описание электрона одновременно с точки зрения волновой и корпускулярной природы. Бор остроумно заметил, что волна и частица — это проекция физической реальности на экспериментальную ситуацию. Разумеется, невозможно сказать, что в одни моменты времени и в определенных условиях электрон ведет себя как волна, а в другое время и в других условиях — как частица. И волновые, и корпускулярные свойства присутствуют у него постоянно, но при физических исследованиях в силу несоответствия макроприборов измерения и микросистемы электрона (и любой другой элементарной частицы) мы можем фиксировать данные либо волновых, либо корпускулярных характеристик.

Квантовая теория, возникшая при исследовании света, оказала влияние на развитие ядерной физики в целом. Понимание корпускулярно-волновой природы элементарных частиц позволило сделать предположение о волновых свойствах материи как таковой. В 1924 г. французский физик Луи де Бройль опубликовал книгу «Свет и материя», в которой утверждал, что волновые свойства присущи фотонам и элементарным частицам, но и атомным ядрам, атомам в целом, молекулам и даже макроскопическим телам. В 1926 г. Э. Шредингер математически подтвердил правоту де Бройля, а в 1927 г. К. Дэвидсон и Л. Джермер опытным путем доказали существование такого волнового свойства как дифракция у атомов и молекул. Присутствие волновых свойств у любых материальных объектов было доказано, однако следует помнить, что «волны материи» описываются формулой, согласно которой длина волны равна постоянной планка, поделенной на произведение массы тела и скорости его движения.

Макроскопические объекты обладают массой, многократно превосходящей постоянную Планка, следовательно, в результате деления получается пренебрежимо

51

малая величина. Именно поэтому проявление волновых свойств макрообъектов не наблюдается в нормальных условиях.

На уровне микромира единственной наукой, осуществляющей исследования, является физика. Однако такие формы организации вещества, как соединения атомов, изучаются и другими естественнонаучными дисциплинами. Молекулярное строение вещества и его превращения и взаимодействия на молекулярном уровне изучаются химической наукой.

Химия — наука, изучающая свойства и превращения вещества, сопровождающиеся изменением его состава и строения. Исторически химия возникла при получении человеком различных веществ, необходимых для его нужд. При превращении одного вещества в другое происходит его качественное изменение, следовательно, химия — наука о качественном и количественном превращении.

Зачатки химии возникли задолго до возникновения самого названия этой науки. Развитие металлургии и использование различных сплавов для практических повседневных нужд привело к необходимости исследовать свойства металлов, применяемых для изготовления различных предметов. Древняя химия обладала некоторыми весьма значительными достижениями. Так, в Индии был открыт метод порошковой металлургии, позволявший получить железо очень высокой чистоты, не окисляемое на воздухе. Повторное открытие этого метода произошло только в ХХ веке. В эпоху Средневековья появляется алхимия. Алхимики имели вполне конкретную цель

— превращение неблагородных металлов в золото. Предполагалось, что должно существовать особое вещество — философский камень, которое позволит осуществить эту реакцию. (В настоящее время удалось получить золото из молекул свинца путем бомбардировки атомных ядер потоком разогнанных тяжелых частиц — протонов и нейтронов. Однако такие реакции возможны только в ядерных ускорителях и полученное таким образом золото оказывается чрезвычайно дорогим — его стоимость не оправдывает даже затрат энергии на его получение). При всей наивности такого подхода можно проследить некоторые предположения алхимии, которые оказались верными, в частности — гипотеза о существовании веществ, ускоряющих протекание химической реакции. Сейчас такие вещества называют катализаторами. Явления катализа является одним из самых загадочных в химии.

Научная химия ведет официальную историю с 1860 г., когда в германском городе Карлсруэ состоялся первый Международный съезд химиков. На нем были приняты основные постулаты атомно-молекулярной теории:

52

9 все вещества состоят из молекул, которые находятся в непрерывном хаотическом движении.

9все молекулы состоят из атомов.

9атомы, как и молекулы, находятся в непрерывном движении.

9атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые составные части

молекул.

Как оказалось, три из четырех постулатов являются верными и с точки зрения современной науки. Однако четвертый постулат не мог быть подтвержден или опровергнут с точки зрения науки того времени, поскольку сложную структуру атома открыли намного позже. Именно открытие ядра и электронной оболочки атома позволило объяснить процесс связи атомов друг с другом.

Силы, связывающие атомы в молекулы, получили название химической связи. В ее образовании участвуют электроны, находящиеся на внешней орбите и связанные с ядром связями, менее прочными, чем остальные. Такие электроны получили название валентных. В зависимости от взаимодействия валентных электронов различных атомов разделяют три вида химической связи — ковалентную, ионную и металлическую.

Ковалентная связь осуществляется за счет пары электронов, в одинаковой степени принадлежащих обоим атомам. Ковалентная связь является достаточно прочной.

Ионная связь — связь между ионами, образуемыми за счет перераспределения пары электронов. Ионная связь возникает в результате притяжения пары электронов к ядру одного из атомов, входящих в соединение. Этот атом получает отрицательный заряд, в то время как второй атом, лишившийся электрона, оказывается положительно заряженным. Ионная связь, следовательно, представляет собой силу электростатического взаимодействия, возникающего между противоположно заряженными частицами. Ионная связь так же является очень прочной, такой связью, например, связаны между собой атомы кислорода и водорода в молекуле воды.

Металлическая связь — связь ионов металла, возникающая за счет свободного перемещения в нем электронов. Металлическая связь — самая слабая из всех видов химической связи.

Природа химической связи определяется взаимодействием электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, участвующих в химическом соединении.

Взаимодействие атомов различных веществ, приводящее к образованию нового вещества, называется химической реакцией. Следует четко представлять, что во взаимодействии могут принимать участие как различные атомы, так и атомы одного

53

вещества, но при этом возникает новое вещество. Например, при химическом взаимодействии атомов водорода и кислорода образуется вода, молекула которой состоит из различных атомов, а при взаимодействии атомов кислорода образуется молекула кислорода, которая состоит из атомов одного вещества. Однако свойства атомарного и молекулярного кислорода отличаются. Атомарный кислород, например, является гораздо более сильным окислителем. Также в определенных условиях может образоваться молекула озона, содержащая три атома кислорода, которая имеет иные свойства, нежели молекула кислорода. Свойства химического вещества, следовательно, определяются не только составам входящих в его молекулу атомов, но и способом связи этих атомов.

Современная химия представляет собой широко разветвленную науку, состоящую из нескольких дисциплин. Разделяют неорганическую и органическую химию, аналитическую химию, физическую, коллоидную и другие.

Химические свойства элементов зависят от их строения. Эта закономерность была сформулирована в виде закона великим русским химиком Д.И. Менделеевым. Его формулировка периодического закона звучала так: свойства простых тел, а также и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. С развитием представлений о сложной структуре атома и о распределении электронов по орбитам периодический закон был уточнен и дополнен, сейчас его формулировка выглядит так: свойства простых элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома.

Сейчас существуют четыре основных проблемы, решением которых занимается химия. Это изучение состава вещества, изучение его структуры, изучение химических процессов и изучение эволюции химических веществ. Несмотря на такую «ограниченность», химические науки представляют собой систему знаний о самых разнообразных системах окружающего мира. Открытие спектра различных веществ позволило дать заключение о химическом составе небесных тел; подобные данные невозможно получить никаким другим путем. Рассмотрение природы биологических объектов позволило установить особый характер молекул, их составляющих, этими проблемами занимается биохимия. Различные технологические процессы, в которых происходит синтез веществ, используемых человеком, невозможны без химических знаний. Учение о свойствах и структуре вещества, а также о взаимопревращении веществ занимает достойное место в ряду естественных наук и служит «мостиком», соединяющим два уровня организации систем — микро— и макромир.

54

4.2. Характеристики макромира. Человеческая деятельность как фактор воздействия на макромир.

Уровень организации систем, относимых к макромиру, исследован, пожалуй, лучше всего. Это естественно — ведь макромир, к которому относят мир объектов, видимых невооруженным глазом — это наша привычная среда обитания. С точки зрения классического естествознания, он полностью описывается законами классической механики, термодинамики и некоторых других, не менее «классических» дисциплин. Однако имеются два существенных отличия, на которые нельзя закрывать глаза при обзоре разных уровней организации. В макромире присутствуют живые системы, которые являются совершенно уникальными объектами, и сам вид макромира во многом определяется деятельностью человека и общества. О живых системах речь пойдет ниже, сейчас же необходимо рассмотреть особенности взаимодействия человека и окружающей среды.

Наука о таком взаимодействии носит название экология, т.е., дословно, «наука о доме». В ХХ в. человечество пришло к пониманию того, что планета Земля является единым домом для всех, на ней живущих, и строить взаимоотношения с природой следует, исходя из определенных принципов. Экология призвана решать проблемы, которые возникают в результате хозяйственной деятельности человека. Они были названы глобальными проблемами человечества.

Впервые о таких проблемах речь зашла еще в конце ХVIII в., когда английский экономист, священник и социолог Р. Мальтус опубликовал книгу «Опыт о законе народонаселения» (1798), в которой приводил некоторые закономерности развития человечества. В частности, Мальтус указывал, что рост населения Земли увеличивается в геометрической прогрессии, в то время как прирост продуктов потребления, (в первую очередь — пищи) — только в арифметической. Поэтому с каждым новым поколением увеличивается число людей, не имеющих возможности пользоваться средствами существования, поставляемых природой. Человечество, по Мальтусу, движется не по пути прогресса к повышению благосостояния, а к нищете и голоду. Несмотря на то, что продуктов потребления в абсолютном выражении производится все больше, число людей, имеющих к ним доступ, ограничено, поэтому в процентном отношении в каждом новом поколении все больше голодных и необеспеченных людей.

55

Мальтус призывал бороться с этой проблемой при помощи так называемых «естественных факторов регулируемости населения» К таким факторам он относил войны, эпидемии и т.п. явления, сокращающие население Земли.

Теория Мальтуса была отвергнута большинством ученых как антигуманная и реакционная, однако, при всей недопустимости методов, предлагаемых Мальтусом, следует признать, что он сумел разглядеть настоящий бич современного человечества

—перенаселенность.

В70-х гг. ХIX в. численность населения земного шара составляла приблизительно один миллиард человек. В тридцатые годы прошлого века она увеличилась до двух миллиардов, т.е. для прироста в один миллиард потребовалось около шестидесяти лет. В следующие шестьдесят лет — к концу ХХ века — прирост составил уже четыре миллиарда, а население Земли выросло до шести миллиардов человек. По оценкам некоторых экспертов, если темпы роста населения сохранятся, то уже к 30-м годам ХХ1 века население будет увеличиваться на один миллиард человек каждые десять — двенадцать лет. Это является основой для всех остальных глобальных проблем человечества.

К числу таких проблем в первую очередь относится истощение плодородности почвы и ее эрозия. Возрастающие потребности в пище приводят к повышению интенсивности обработки почвы, в результате плодородный слой истощается; многократное механическое воздействие приводит к нарушению внутренней структуры почвы, под влиянием таких факторов как ветер, дожди и другие климатические процессы происходит вымывание плодородного слоя. Именно этот процесс и называется эрозией. Повышение интенсивности обработки почвы, призванное увеличить количество продуктов питания, приводит к обеднению, истощению и в конечном итоге — к снижению этого количества.

Внастоящее время намечены основные пути разрешения этого противоречия. Следует отметить, что повышение плодородности почвы за счет химических удобрений не дает долговременного эффекта, т.к. вместе с почвой вымываются и удобрения. Поэтому сейчас основным направлением считается генная инженерия, позволяющая не приспосабливать почву под культурные растения, а, наоборот, приспосабливать растения под разные виды почв. Такой подход позволил использовать в сельском хозяйстве земли, ранее считавшиеся непригодными для обработки, например, солончаки и песчаники. Однако отношение общественного мнения к продуктам, полученным при помощи генной инженерии, остается настороженным. На упаковках продуктов, полученных при применении таких методов, обязательно должна быть

56

информация о том, что продукт имеет измененные генные качества. Такая настороженность имеет некоторые основания, однако по иерее развития генной инженерии проблема продовольствия, видимо, будет решена.

Существует и иное мнение на продовольственную проблему, опирающееся непосредственно на работу Мальтуса. Во второй половине ХХ в. возникла так называемая теория золотого миллиарда. Она утверждает, что ресурсов Земли может хватить для обеспечения жизненных потребностей одного миллиарда людей, поэтому необходимо принимать меры по снижению численности населения до этой цифры. Производить такое снижение планируется путем введения определенных цензов рождаемости. В качестве первого примера такого ценза обычно называют здоровье.

Сторонники теории золотого миллиарда предлагают запретить рождение детей в семьях, в которых есть выявленные наследственные заболевания. Аргументы в пользу такого ценза лежат на поверхности — казалось бы, какой смысл рожать детей, заранее зная, что они будут неизлечимо больны? Доводы этического и чисто человеческого плана последователи Мальтуса обычно не принимают во внимание, утверждая, что нужно исходить из строгой рациональной целесообразности. Возражением, опровергающим неомальтузианцев, является развитие науки. Например, такая болезнь как фенилкетонурия еще в середине ХХ века считалась неизлечимой. Однако в 60-е годы был синтезирован фермент, недостаток которого и вызывал это заболевание, в результате чего сейчас фенилкетонурия успешно лечится медикаментозными средствами.

Вторая глобальная проблема, с которой сталкивается человечество в наши дни

— проблема дефицита энергии. Все энергоносители классифицируются по трем группам — восполнимые, условно восполнимые и невосполнимые источники энергии.

Восполнимыми источниками энергии называются такие, которым для восстановления энергетического запаса достаточно времени жизни одного поколения людей. К восполнимым относятся в первую очередь леса, реки, источники, использующие термическую энергию Земли и т.д. Условно восполнимые источники — торфяники. Для восстановления определенного запаса энергии в них необходимо время, сравнимое с жизнью нескольких поколений людей. Невосполнимые источники энергии — нефть, газ, каменный уголь. Эти продукты образовывались под воздействием определенных микроорганизмов и климатических факторов на протяжении миллионов лет, и пополнения их запасов в настоящее время не происходит. Проблема усугубляется тем фактом, что продукты переработки этих энергоносителей являются наиболее востребованными в современной цивилизации — это бензин, мазут и т.д.

57

Выходов из создавшейся ситуации видится два. Первый — атомная энергия. Количество энергии, заключенной в ядре атома, неимоверно велико. Полная энергия тела, как известно, равна произведению его массы на квадрат скорости света. Использование полной энергии всего лишь ста грамм вещества могло бы обеспечить электроэнергией полумиллионный город. Однако на пути использования ядерной энергии стоит ряд проблем. Во-первых, не всякое вещество на современном этапе развития физики может быть расщеплено. Для ядерных реакций пригодны только радиоактивные, т.е. неустойчивые элементы — уран, плутоний и некоторые другие, причем не любые их изотопы, а только вполне определенные. Производство топлива для атомных электростанций представляет собой сложнейшую технологическую задачу, решаемую в настоящее время всего в нескольких государствах мира. Во-вторых, контролируемая ядерная реакция также представляет собой значительную сложность. При малейшем сбое она может выйти из под контроля, что приводит к переходу медленной реакции расщепления к быстрой, т.е к ядерному взрыву. Эта проблема привела к негативному отношению к атомной альтернативе со стороны большинства людей. Катастрофы атомных электростанций, произошедшие в конце ХХ века, сформировали резко отрицательное общественное мнение. Наиболее известным примером является авария на Чернобыльской АЭС в 1986 году, однако были и другие случаи сбоев в системах безопасности атомных станций в разных странах.

Выходом из ситуации энергетического кризиса видится использование так называемых альтернативных источников энергии. На современном этапе развития возможно преобразование в энергию, приемлемую для практического использования человеком (в первую очередь — в электричество) энергии Солнца, ветра, морских приливов и т.д. Солнечные батареи давно используются на космических станциях и в районах с большим количеством солнечных дней в году, ветроэлектростанции установлены в местностях с постоянными ветрами, т.е. человек пытается отказаться от использования невосполнимых источников энергии.

Помимо продовольственной и энергетической проблем, существуют и другие, связанные с развитием различных технологий. Знаменитые озоновые дыры в атмосфере представляют собой участки, в которых разрушен озоновый слой. Озон представляет нестабильную молекулу кислорода О3, которая при воздействии определенного излучения — ультрафиолетового или гамма-излучения — поглощает энергию, в результате чего происходит превращение неустойчивой молекулы О3 в устойчивую О2

— тот кислород, которым мы дышим. Озоновый слой поглощает жесткое солнечное и космическое излучение, не позволяя ему достичь земной поверхности. При нарушении

58

этого слоя активные частицы попадают на землю, вызывая ряд заболеваний, прежде всего — онкологических. Также под действием такого излучения могут возникать различные мутации, что приводит к возникновению наследственных заболеваний. Возникновение озоновых дыр — типичный пример побочного эффекта, возникающего на ранних стадиях развития некоторых технологий, когда невозможно просчитать все возможные негативные последствия.

Еще одной проблемой, связанной с технологической деятельностью человека, является проблема глобального потепления. Переработка огромного количества вещества и энергии привела к появлению так называемого парникового эффекта. Солнечные лучи, падающие на землю, частично поглощаются земной поверхностью, а частично отражаются обратно в атмосферу и далее — в космос. В последние три десятилетия значительно повысилось содержание в атмосфере углекислого газа, в результате чего ее прозрачность снизилась. Отраженный солнечный свет, ранее уходивший в космос, теперь рассеивается в атмосфере, нагревая ее. Углекислый газ создает своеобразную оболочку вокруг Земли, не позволяющую энергии свободно проходить через атмосферу, именно поэтому данное явление и получило название парникового эффекта.

Последствия этого могут быть катастрофическими. Парниковый эффект приводит к глобальному потеплению на Земле, в результате чего меняется климат всех районов. Повышение среднегодовой температуры приводит к таянию полярных льдов, что грозит затоплением значительных участков земной поверхности. Повышение уровня мирового океана всего лишь на один метр приведет к тому, что будет затоплено более семидесяти процентов суши. Пути решения этой проблемы в настоящее время достаточно неопределенны.

Помимо вышеуказанных, существует еще множество проблем, связанных с экономической деятельностью человека, с развитием науки и возникновением новых технологий. Все это дало толчок к появлению новой дисциплины, призванной ответить на вопрос об ответственности человечества в научном творчестве — этики науки. Основателем этой дисциплины, изучающей нравственные аспекты научной деятельности, считается английский ученый Г. Спенсер. Идеи этики науки развивались такими мыслителями как Дж. Хаксли, П. Тейяр де Шарден, А. Печчеи, В.И. Вернадский и другими. В основе научной этики лежат следующие принципы (по Дж. Хаксли):

9человек несет ответственность не только за самого себя, но и за будущее всей планеты, эту ответственность он не может переложить ни на Бога, ни на судьбу или случайность;

59

9 человек представляет собой часть природы, один биологический вид из множества других, существующих на Земле;

9целью развития человеческого общества не является только материальное благополучие, общество потребления представляет собой тупик общественного развития, оно превращается в пресыщенное, отягощенное проблемами и пороками;

9наука должна стремиться повысить качество жизни всего человечества, сохраняя при этом окружающую среду, а не увеличивать количество продуктов потребления для отдельных групп населения за счет всего остального мира.

Целью научной деятельности, таким образом, является объединение людей и

переход к более совершенному обществу. Каждый ученый, независимо от сферы своих научных интересов, должен помнить об ответственности за свою деятельность. Нравственную основу такого подхода можно увидеть в одной из формулировок категорического императива И. Канта: «Всегда рассматривай человека как цель и никогда — как средство». На современном этапе развития науки можно несколько расширить этот принцип, сказав, что нельзя использовать как средство и окружающий мир, если при этом ему наносится непоправимый ущерб. В качестве примера можно рассмотреть одну из частных дисциплин, входящих в состав этики науки — биоэтику.

Биоэтика возникла в конце сороковых годов прошлого века в связи с окончанием Второй мировой войны. Судебный процесс над нацистскими преступниками, состоявшийся в 1946—1948 гг. в городе Нюрнберг, открыл обществу многие факты использования человеческого материала для различных экспериментов, проводимых в фашистских концентрационных лагерях. Врачи, ставившие такие эксперименты, были признаны военными преступниками, но проблема эксперимента на человеке стала первой проблемой биоэтики — дисциплины, возникшей на стыке медицины, юриспруденции и философии.

Эксперименты на человеке необходимо проводить для исследования множества проблем, возникающих при развитии медицины. Даже обучение студентов-медиков было бы невозможным без постановки так называемых демонстративных экспериментов. Однако существует ряд правил, которые и были выработаны биоэтикой и которых необходимо придерживаться при всяком исследовании. Во-первых, это правило информированного согласия.

Информированным согласием называется добровольное согласие человека на эксперимент, полученное при предоставлении полной информации обо всех возможных последствиях этого эксперимента, известных к моменту его проведения. Очевидно, что

60