- •Содержание
- •Предисловие
- •Тема 1 Что такое наука и естествознание?
- •Характерные черты науки
- •Отличие науки от других отраслей культуры
- •Наука и религия
- •Наука и философия
- •Становление науки
- •Что такое естествознание?
- •Эволюция и место науки в системе культуры
- •Естественнонаучная и гуманитарная культура
- •Противоречия современной науки
- •Значение науки в эпоху нтр
- •Тема 2 Структура естественнонаучного познания
- •Уровни естественнонаучного познания
- •Соотношение эмпирического и теоретического уровней исследования
- •Тема 3 Методы и динамика естественнонаучного познания
- •Методы научного познания
- •Применение математических методов в естествознании
- •Внутренняя логика и динамика развития естествознания
- •Естественнонаучная картина мира
- •Тема 4 Расширяющаяся Вселенная
- •Происхождение Вселенной
- •Модель расширяющейся Вселенной
- •Эволюция и строение галактик
- •Астрономия и космонавтика
- •Тема 5 Строение и эволюция звезд и планет
- •Строение и эволюция звезд
- •Солнечная система и ее происхождение
- •Строение и эволюция Земли
- •Тема 6 Релятивистская физика: теория относительности
- •Физика и редукционизм
- •Физика и наглядность
- •Теория относительности
- •Тема 7 Вероятностный подход: квантовая механика
- •Квантовая механика
- •Вглубь материи
- •Физические взаимодействия
- •Тема 8 Науки о сложных системах: кибернетика
- •Понятие сложной системы
- •Понятие обратной связи
- •Понятие целесообразности
- •Кибернетика
- •Эвм и персональные компьютеры
- •Модели мира
- •Тема 9 Науки о сложных системах: синергетика
- •Сложные системы в химии
- •Неравновесные системы
- •Эволюция и ее особенности
- •От термодинамики закрытых систем к синергетике
- •Гипотеза рождения материи
- •Тема 10 Происхождение и эволюция жизни
- •Отличие живого от неживого
- •Концепции возникновения жизни
- •Вещественная основа жизни
- •Земля в период возникновения жизни
- •Начало жизни на Земле
- •Эволюция форм жизни.
- •Тема 11 Генетика и самовоспроизводство жизни
- •Значение клетки
- •Воспроизводство жизни
- •Генетика.
- •Тема 12 Экология и учение о биосфере
- •Отличия растений от животных
- •Учение Вернадского о биосфере
- •Эмпирические обобщения Вернадского
- •Экология
- •Закономерности развития экосистем
- •Синтетическая теория эволюции
- •Концепция коэволюции
- •Тема 13 Происхождение и эволюция человека
- •Человек как предмет естественнонаучного познания
- •Проблема появления человека на Земле
- •Сходства и отличия человека от животных
- •Антропология
- •Эволюция культуры
- •Тема 14 Поведение и высшая нервная деятельность
- •Раздражимость и нервная система
- •Типы поведения
- •Рефлексы и бихевиоризм.
- •Тема 15 Этология и социобиология
- •Инстинкт и научение
- •Формы сообществ
- •Поведение и гены
- •Тема 16 Вклад естествознания в изучение человека
- •Вклад социобиологии в изучение человека
- •Этология и человек
- •Этнология
- •Социальная экология
- •Ноосфера
- •Тема 17 Мозг, сознание, бессознательное
- •Изучение мозга человека
- •Психоанализ Фрейда
- •Аналитическая психология Юнга
- •Сознание и бессознательное
- •Парапсихология
- •Особенности психологии мужчин и женщин
- •Тема 18 Расширяющееся сознание и углубляющаяся нравственность
- •Классическая и холотропная модели сознания
- •Естественнонаучное обоснование нравственности
- •Тема 19. Современная естественнонаучная картина мира и будущее науки
- •Общие закономерности современного естествознания
- •Современная естественнонаучная картина мира
- •Трудности и парадоксы в развитии науки
- •Наука как эволюционный процесс
- •Приложения
- •Высказывания выдающихся ученых
- •Вопросы к семинарам
- •Темы для докладов на семинарах и контрольных работ
- •Вопросы к зачету и экзамену
- •Список литературы по всему курсу
- •Словарь терминов
- •Персоналии
- •Тема 1 наука и ее роль в жизни общества проблема определения науки
- •Соотношение науки, философии и религии
- •Структура науки и ее функции
- •Критерии научности знания
- •3. Наука и философия.
- •4. Наука и религия.
- •Тема 2 научная теория. Структура и основания теории
- •Теория как форма научного знания. Теория и научные программы
- •Структура научной теории
- •Гносеологические предпосылки науки
- •Классификация научных теорий
- •Научные понятия и способ их образования
- •Введение и исключение научных абстракций
- •Тема 3 методы научного познания. Развитие научного знания
- •Методы научного познания
- •Законы науки
- •Развитие научного знания
- •Специфика научных революций
- •Тема 4 возникновение науки. Появление первых научных программ проблема начала науки
- •Научные знания на древнем востоке
- •Начало науки. Античная наука
- •Первые научные программы античности
- •Тема 5 формирование основ естествознания в эпоху средневековья и возрождения
- •Основные черты средневекового мировоззрения
- •Наука и научное познание в средние века
- •Революция в мировоззрении в эпоху возрождения
- •Тема 6 научная революция XVI-xvh вв. И становление классической науки
- •Галилей и его роль в возникновении современной науки
- •Основные аспекты научной революции
- •Исаак ньютон и завершение научной революции
- •Тема 7 специфика и природа современной науки
- •Особенности классической науки
- •Наука XIX века
- •Новейшая революция в науке
- •Основные черты современной науки
- •Кризис современной науки. Постнеклассическая наука
- •Тема 8 физическая картина мира
- •Механическая картина мира
- •Электромагнитная картина мира
- •Становление современной физической картины мира
- •Тема 9 структурные уровни организации материи структурность и системность материи
- •Поле и вещество
- •Классификация элементарных частиц
- •Тема 10 физическое взаимодействие проблемы учения о взаимодействии и движении
- •Общая характеристика физических взаимодействий
- •Гравитационное взаимодействие
- •Электромагнитное взаимодействие
- •Слабое взаимодействие
- •Сильное взаимодействие
- •Теории большого объединения и суперобъединения
- •Тема 11 концепции пространства и времени в современном естествознании
- •Развитие представлений о пространстве и времени
- •Теория относительности
- •Единство и многообразие свойств пространства и времени
- •Тема 12 детерминизм и причинность в современной физике. Динамические и статистические законы
- •Динамические законы и теории и механический, детерминизм
- •Статистические законы и теории и вероятностный детерминизм
- •Соотношение динамических и статистических законов
- •Тема 13 принципы современной физики
- •Принцип симметрии и законы сохранения
- •Принцип соответствия
- •Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей
- •Принцип суперпозиции
- •Основы термодинамики
- •Тема 14 космологические модели вселенной что такое космология?
- •Начало научной космологии
- •Космологические парадоксы
- •Неевклидовы геометрии
- •Модель расширяющейся вселенной
- •Некоторые трудности гипотезы расширяющейся вселенной
- •Тема 15 эволюция вселенной рождение вселенной
- •Ранний этап эволюции вселенной
- •Структурная самоорганизация вселенной
- •Образование солнечной системы
- •Тема 16 проблемы самоорганизации материи формирование идеи самоорганизации
- •Понятие самоорганизации
- •Основы синергетики
- •Неравновесная термодинамика и. Пригожина
- •Тема 17 становление и развитие химической картины мира возникновение химии
- •Алхимия
- •Арабская алхимия
- •Западноевропейская алхимия
- •Период зарождения научной химии
- •Теория флогистона
- •Закон сохранения массы лавуазье
- •Открытие основных законов химии
- •Химия как наука
- •Тема 18 современные концепции химии структура химии
- •Взаимосвязь химии с физикой
- •Проблема химического элемента
- •Концепции структуры химических соединений
- •Учение о химических процессах
- •Эволюционная химия
- •Взаимосвязь химии с биологией
- •Тема 19 происхождение и сущность жизни история проблемы
- •Концепция происхождения жизни а.И. Опарина
- •Современные концепции происхождения и сущности жизни
- •Сущность и определение жизни
- •Появление жизни на земле
- •Формирование биосферы земли
- •Тема 20 эволюция органического мира
- •Становление идеи развития в биологии
- •Концепция развития ж.-б.Ламарка
- •Теория катастроф ж. Кювье
- •Эволюционная теория ч.Дарвина
- •Антидарвинизм конца XIX-начала XX века
- •Тема 21 современные теории эволюции
- •Основы генетики
- •Синтетическая теория эволюции (стэ)
- •Тема 22 человек как предмет естествознания
- •Происхождение человека
- •Сущность человека
- •Телесность и здоровье человека
- •Тема 23 человек, биосфера и космос
- •Человек и космос
- •Космизация современной науки и философии
- •Антропный принцип
- •Тема 24 на пути к ноосфере
- •Современные концепции экологии
- •Концепция ноосферы и устойчивого развития
- •Введение
- •Раздел I естествознание в системе науки и культуры
- •Глава 1
- •Наука как форма знания и как социальный институт
- •1. Наука как высшая форма знания
- •2. Объективная истина — вечный идеал науки
- •3. Эмпирический и теоретический уровни научного познания
- •4. Наука как социальный институт
- •Глава 2 формы и методы научного познания
- •1. Формы научного знания
- •2. Методы научного познания
- •Глава 3 происхождение науки
- •1. Возникновение науки как отрицание, преодоление мифологии
- •2. Зарождение эмпирического научного знания
- •3. Античная философия как первая форма собственно теоретической науки
- •Глава 4 развитие естествознания от античности до начала XX в. Революции в науке
- •1. Античный и средневековый периоды развития естествознания
- •2. Становление естествознания в современном его понимании. Революция в механике
- •3. Развитие естествознания в XVIII—XIX вв. Процесс теоретизации наук о природе
- •4. Укрепление взаимосвязи науки и техники, науки и материального производства
- •Глава 5 естествознание и научная картина мира
- •1. Понятие научной картины мира
- •2. Историческая смена физических картин мира
- •3. Современная научная картина мира
- •Глава 6 общая панорама современного естествознания
- •1. Естествознание в аспекте научно-технической революции
- •2. Соотношение дифференциации и интеграции научного знания
- •3. Проблема классификации наук
- •Глава 7 естествознание в системе материальной и духовной культуры человечества
- •1. Общее понятие культуры
- •2. Наука — ведущая форма культуры XX века
- •3. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
- •4. Субъективно-ценностные аспекты научного познания. Социальная ответственность ученых
- •Глава 8 современная наука и мистицизм
- •1. Общее понятие мистики
- •2. Социально-мировоззренческие истоки и аспекты мистицизма
- •3. Гносеологические, познавательные корни мистики. Современная научная картина мира и мистическое миропонимание
- •Раздел II современное естествознание о микро-, макро- и мегамирах
- •Глава 9
- •Научное познание мира «вглубь» и «вширь». Специальная и общая теории относительности
- •1. Научное познание мира «вглубь» и «вширь»
- •2. Специальная и общая теории относительности: физическое содержание и мировоззренческое значение
- •3. Развитие принципа относительности при переходе от механики Галилея—Ньютона к релятивистской картине мира
- •Глава 10 квантовая физика: становление, эволюция, принципы
- •1. Формирование квантовой физики. Специфика ее законов и принципов
- •2. Об особом смысле понятий «элементарность», «простое—сложное», «деление», «состоит из»
- •3. Многообразие и единство элементарных частиц. Проблема их классификации
- •Глава 11 от микро- к макромиру. От физики и химии к геологии и биологии
- •1. Мир атомов, молекул и химизма
- •2. От физики и химии к геологии и биологии
- •Глава 12 мегамир в его многообразии и единстве
- •1. Мегамир, его состав и строение
- •2. Эволюция Метагалактики, галактик и отдельных звезд
- •Глава 13 проблема «начала» и «конца» вселенной
- •1. Принцип несотворимости и неучтожимости материи
- •2. Проблема «тепловой смерти» Вселенной
- •3. Возможна ли единая физическая теория мира в целом?
- •Глава 14 влияние космоса на земные процессы. Человек во вселенной
- •1. Земля как элемент Солнечной системы
- •2. Космизм как особая форма мировоззрения
- •3. Солнечная активность и исторические события
- •Глава 15
- •2. Синергетика как общая наука о самоорганизации систем
- •Раздел III современное естествознание о живой природе
- •Глава 16 проблема сущности жизни
- •1. Жизнь как особая материальная система, особая форма движения материи
- •2. Клетка — структурная и функциональная единица живого
- •Глава 17 проблема происхождения жизни на земле
- •1. Основные подходы к проблеме происхождения жизни
- •2. Гипотеза а.И. Опарина о коацерватной стадии в процессе возникновения жизни
- •3. Этапы химической и предбиологической эволюции на пути к жизни
- •4. Новая гипотеза об особой роли малых молекул в первичном зарождении белково-нуклеиновых систем
- •Глава 18 эволюция жизни и ее отражение в учениях ж.Б. Ламарка и ч. Дарвина
- •1. Исторические этапы развития жизни
- •2. Ламаркистская эволюционная гипотеза
- •3. Сущность дарвиновской эволюционной теории
- •Глава 19 проблема прогресса в живой природе
- •1. Общее понятие прогресса и его проявление в живой природе
- •2. Четыре толкования прогресса в живой природе
- •3. Развитие дарвинистской концепции биологического прогресса
- •4. Общие черты, присущие прогрессивному развитию на главной магистрали
- •Глава 20 генетика и эволюционное учение
- •1. Генетика как наука, ее основные понятия
- •2. Движение генетики от антидарвинизма к союзу с дарвинизмом. Роль генетики популяций
- •3. Генетическая (генная) и клеточная инженерия
- •Глава 21 экология как наука. Структура и эволюция биосферы в целом
- •1. Дарвинизм и экология
- •2. Структура биосферы и закономерности эволюционного процесса
- •3. Современная синтетическая теория эволюции
- •Раздел IV современная наука о природных началах бытия человека
- •Глава 22
- •Естественное происхождение человека. Ступени антропосоциогенеза
- •1. Место человека в научной классификации живых существ. Отличительные признаки человека
- •2. Отряд приматов и человек как его высший представитель
- •3. Этапы становления и эволюции человека
- •4. Роль естественного отбора и социальных факторов в эволюции человека как комплексном процессе антропосоциогенеза
- •Глава 23 современная наука о сущности и истоках человеческого сознания
- •1. Обострение проблемы сознания в современной науке и философии
- •2. Отражение и информация в неживой и живой природе. Понятие психики
- •3. От психики животных к сознанию и речи человека
- •Глава 24 структура субъективного мира человека, его психической и мыслительной деятельности
- •1. Эмоции, чувства и интеллект
- •2. Сознание и самосознание
- •3. Сознательное и бессознательное
- •Глава 25 мозг и сознание, телесное и психическое
- •1. Неразрывность мозга (органа мышления) и сознания (функции мозга)
- •2. Асимметрия мозга и психические особенности правшей и левшей
- •3. Психическое управление телесными, соматическими процессами
- •4. Смерть мозга и морально-этические и правовые проблемы
- •Глава 26 генетика человека. Биологическое и социальное в человеке
- •1. Генетика человека
- •2. Сотношение биологического и социального в человеке
- •Глава 27 проблема здоровья, здорового образа жизни людей в ряду глобальных проблем современности
- •1. Здоровье
- •2. Здоровый образ жизни
- •3. Демографические и другие глобальные проблемы современности
- •Заключение
Тема 7 Вероятностный подход: квантовая механика
Квантовая механика. Вглубь материи. Физические взаимодействия.
Квантовая механика
Квантовая механика — это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне. Ее начало совпало с началом века. М. Планк в 1900 году предположил, что свет испускается неделимыми порциями энергии — квантами, и математически представил это в виде формулы E=hv, где ν — частота света, а h — универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение. В атомную теорию вошли таким образом прерывистые физические величины, которые могут изменяться только скачками.
Последующее изучение явлений микромира привело к результатам, которые резко расходились с общепринятыми в классической физике и даже теории относительности представлениями. Классическая физика видела свою цель в описании объектов, существующих в пространстве и в формулировке законов, управляющих их изменениями во времени. Но для таких явлений, как радиоактивный распад, дифракция, испускание спектральных линий можно утверждать лишь, что имеется некоторая вероятность того, что индивидуальный объект таков и что он имеет такое-то свойство. В квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями индивидуального объекта во времени.
Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения и скоростей и зависимости этих величин от времени. В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному. Эксперимент с двумя отверстиями, через которые проходит электрон, позволяет и требует применения вероятностных представлений. Нельзя сказать, через какое отверстие пройдет данный электрон, но если их много, то можно предположить, что часть их проходит через одно отверстие, часть — через другое. Законы квантовой механики — законы статистического характера. «Мы можем предсказать, сколько приблизительно атомов (радиоактивного вещества — А. Г.) распадутся в следующие полчаса, но мы не можем сказать... почему именно эти отдельные атомы обречены на гибель» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит. соч.- С. 232).
В микромире господствует статистика, а не уравнения Максвелла или законы Ньютона. «Вместо этого мы имеем законы, управляющие изменениями во времени» (Там же.- С. 237). Статистические законы можно применить только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам. Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы. На базе квантовой механики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать ее будущий путь. Волны вероятности говорят нам о вероятности встретить электрон в том или ином месте.
В. Гейзенберг делает такой вывод: «В экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов» (Гейзенберг. Цит. соч.- С. 117).
В первой модели атома, построенной на основе экспериментального обнаружения квантования света, Н. Бор (1913 год) объяснил это явление тем, что излучение происходит при переходе электрона с одной орбиты на другую, при этом рождается квант света с энергией, равной разности энергий уровней, между которыми осуществлялся переход. Так возникает линейчатый спектр — основная особенность атомных спектров (в спектрах оказываются лишь определенные длины волн).
Важная особенность явлений микромира заключается в том, что электрон ведет себя подобно частице, когда движется во внешнем электрическом или магнитном поле, и подобно волне, когда дифрагирует, проходя сквозь кристалл. Поведение потока частиц—электронов, атомов, молекул — при встрече с препятствиями или отверстиями атомных размеров подчиняется волновым законам: наблюдаются явления дифракции, интерференции, отражения, преломления и т. п. Луи де Бройль предположил, что электрон — это волна определенной длины.
Дифракция подтверждает волновую гипотезу, отсутствие увеличения энергии выбиваемых светом частиц — квантовую. Это и получило название корпускулярно-волнового дуализма. Как же описывать процессы в микромире, если «нет никаких шансов последовательно описать световые явления, выбрав только какую-либо одну из двух возможных теорий — волновую или квантовую» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит. соч.- С. 215)?
Некоторые эффекты объясняются волновой теорией, некоторые другие — квантовой. Поэтому следует использовать разные формулы и из волновой и из квантовой теории для более полного описания процессов — таков смысл принципа дополнительности H. Бора. «Усилия Бора были направлены на то, чтобы сохранить за обоими наглядными представлениями, корпускулярным и волновым, одинаковое право на существование, причем он пытался показать, что хотя эти представления возможно исключают друг друга, однако они лишь вместе делают возможным полное описание процессов в атоме» (Гейзенберг В. Цит. соч.- С. 203).
С принципом дополнительности связано и так называемое «соотношение неопределенностей», сформулированное в 1927 году Вернером Гейзенбергом, в соответствии с которым в квантовой механике не существует состояний, в которых и местоположение, и количество движения (произведение массы на скорость) имели бы вполне определенное значение. Частица со строго определенным импульсом совершенно не локализована. Чем более определенным становится импульс, тем менее определенно ее положение.
Соотношение неопределенностей гласит, что для абсолютно точной локализации микрочастицы необходимы бесконечно большие импульсы, что физически не может быть осуществлено. Более того, современная физика элементарных частиц показывает, что при очень сильных воздействиях на частицу, она вообще не сохраняется, а происходит даже множественное рождение частиц.
В более общем плане можно сказать, что только часть относящихся к квантовой системе физических величин может иметь одновременно точные значения, остальные величины оказываются неопределенными. Поэтому во всякой квантовой системе не могут одновременно равняться нулю все физические величины.
Энергию системы также можно измерить с точностью, не превышающей определенной величины. Причина этого — во взаимодействии системы с измерительным прибором, который препятствует точному измерению энергии. Из соотношения неопределенностей вытекает, что энергии возбужденных состояний атомов, молекул, ядер не могут быть строго определенными. На этом выводе и основана гипотеза происхождения Вселенной из «возбужденного вакуума».
Значение эксперимента возросло в квантовой механике до такой степени, что, как пишет Гейзенберг, «наблюдение играет решающую роль в атомном событии, и что реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет» (Гейзенберг В. Цит. соч.- С. 24). Из данного обстоятельства, заключающегося в том, что сам измерительный прибор влияет на результаты измерения и участвует в формировании изучаемого явления, следовало, во-первых, представление об особой «физической реальности», которой присущ данный феномен, а, во-вторых, представление о субъектобъектном единстве как единстве измерительного прибора и изучаемой реальности. «Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы» (Там же. - С. 61). Человек перешел на тот уровень исследования, где его влияние оказывается неустранимым в ходе эксперимента и фиксируемым результатом является взаимодействие изучаемого объекта и измерительного прибора.
Итак, принципиально новыми моментами в исследовании микромира стали: 1) каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами; 2) вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т. е. квант света); 3) можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью; 4) прибор, исследующий реальность, влияет на нее; 5) точное измерение возможно только при потоке частиц, но не одной частицы.
По существу, относительность восторжествовала и в квантовой механике, так как ученые признали, что нельзя: 1) найти объективную истину безотносительно от измерительного прибора; 2) знать одновременно и положение и скорость частиц; 3) установить, имеем ли мы в микромире дело с частицами или волнами. Это и есть торжество относительности в физике XX века.