3 Неклассический тип научной рациональности

Неклассическая наука - это наука первой половины XX века. Ее исходный пункт связан с разработкой релятивистской и квантовой теорий. Неклассическая наука отвергает объектный стиль мышления классической науки. Она отбрасывает представление о реальности как чего-то независящего от средств ее познания, субъективного фактора. Она осмысливает связи между знаниями субъекта и характером средств и операций деятельности субъекта.

Действительно, уже теория относительности вскрыла количественную относительность таких свойств, как длина, время жизни объекта, масса. Количественная величина этих свойств зависит не только от самого объекта, но и от системы отсчета, которую выбирает субъект. Квантовая теория пошла дальше в этом направлении. Она показала, что существуют две взаимно дополнительные картины при описании объекта: пространственно–временная и импульсно-энергетическая.

Для неклассической рациональности характерно принципиальное изменение понимания роли вероятности в науке. В классической физике для систем с большим числом частиц более употребителен язык вероятностей потому, что количество молекул слишком велико и поэтому детерминистское описание в действительности оказывается недостижимым. Вероятностное описание микрочастиц имеет принципиальный характер. Оно определяется корпускулярно-волновым дуализмом микрочастиц.

Для неклассической рациональности характерно и то, что создание наглядной механической модели изучаемого явления перестает быть синонимом физического объяснения явления. Однако это не означает, что наука отказалась от построения моделей изучаемых явлений. Модели как входили в ткань теории, так и продолжают входить, но это уже, как правило, математические модели. А они не должны обязательно опираться на классические наглядные представления. Оперирование математическим аппаратом производится часто без опоры на наглядные модельные представления изучаемых явлений.

Неклассическая рациональность во взглядах на пространство и время следует за Лейбницем. Естественнонаучной теорией пространства и времени считается теория относительности-специальная (СТО) и общая (ОТО).

Для неклассической рациональности характерно и то, что корпускулярный подход к объяснению физических явлений и процессов практически слился с континуальным. Представление поля как потока определенного рода частиц (квантовая теория поля) и приписывание любому физическому объекту волновых свойств (гипотеза Луи де Бройля) соединили вместе эти два подхода к анализу физических явлений.

Очень существенно то, что остальные положения классической рациональности перешли в неклассическую рациональность.

4 Постнеклассический тип научной рациональности

Постнеклассическая наука – это наука второй половины XX века. Здесь господствует новый тип научной рациональности - универсальный эволюционизм. Он соединяет идеи эволюции с идеями системного подхода и распространяет развитие на все формы бытия.

Определяющее значение в утверждении принципа универсального эволюционизма сыграли три направления в науке XX века: синергетика, теория нестационарной Вселенной, теория биологической эволюции. В науке начинает господствовать идея, что наш мир является нелинейным.

С математической точки зрения нелинейность означает определенный вид математических уравнений, содержащих искомые величины в степени больше 1 или коэффициенты, зависящие от свойств среды. Нелинейные уравнения могут иметь несколько (более одного) качественно различных решений. Отсюда вытекает физический смысл нелинейности: множеству решений нелинейного уравнения соответствует множество путей эволюции системы, которая описывается этими уравнениями. Именно анализ нелинейных систем и привел к возникновению синергетики.

Напомним то, что вами изучено.

Синергетика – направление междисциплинарных исследований, объект которых- процессы самоорганизации в открытых системах различной природы. В таких системах, находящихся вдали от термодинамического равновесия, за счет потока энергии и вещества из внешней среды создается и поддерживается неравновестность. Благодаря этому происходит взаимодействие элементов и подсистем, приводящее к их согласованному кооперативному поведению и в результате - к образованию новых устойчивых структур и упорядочиванию. Синергетика выявляет условия, при которых системы становятся способными к самоорганизации. Под самоорганизацией следует понимать процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Самоорганизующейся называется такая система, которая без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием понимается воздействие, навязывающее системе структуру или функционирование. В случае же самоорганизации система испытывает извне неспецифические воздействия. Установлено, что процессы самоорганизации могут иметь место только в системах, обладающих высоким уровнем сложности и большим количеством элементов, связи между которыми имеют не жесткий, а вероятностный характер. Способностью к самоорганизации могут обладать объекты различной природы - от физической до социальной. В таких системах происходит перестройка существующих и образование новых связей между элементами системы. Процессы самоорганизации имеют целенаправленный характер, но вместе с тем им присуща спонтанность. Эти процессы, протекающие при взаимодействии системы с окружающей средой, в той или иной мере автономны, относительно независимы от среды.

Возникновение организованного поведения может обуславливаться либо внешними воздействиями (вынужденная организация), либо являться результатом развития собственных (внутренних) неустойчивостей в системе (самоорганизация). Синергетика рассматривает также вопросы самодезорганизации – возникновение хаоса в динамических системах. Модели синергетики - это модели нелинейных неравновесных систем, подвергающихся действию флуктуации. В момент перехода упорядоченная и неупорядоченная фазы отличаются друг от друга столь мало, что именно флуктуации переводят одну фазу в другую. Приобретение нового качества движения динамической системы при малом изменении ее параметров называется бифуркацией. Другими словами, бифуркация соответствует перестройке характера движения реальной системы.

Условия образования самоорганизующихся структур такие:

1. Система является термодинамически открытой.

2. Макроскопические процессы происходят согласованно (кооперативно).

3. Отклонения от равновесия превышают некоторое критическое значение, то есть рассматриваются состояния, лежащие вне термодинамической ветви.

4. Процессы происходят в таком режиме, что для их описания необходимы нелинейные математические модели. Нелинейная связь переменных приводит к усилению малых возмущений.

Итак, нелинейность порождает дискретность путей эволюции нелинейных систем. Это означает, что в данной нелинейной среде возможен отнюдь не любой путь эволюции, а лишь определенный спектр этих путей.

Нелинейность процессов делает принципиально ненадежными и недостаточными прогнозы-экстраполяции от наличного, ибо развитие совершается через случайность выбора в момент бифуркации, а сама случайность обычно не повторяется вновь. Картина процесса на первоначальной или промежуточной стадии может быть полностью противоположной его картине на развитой стадии. Например, то, что сначала растекалось и гасло, может со временем разгораться и локализоваться у центра.

За нелинейностью стоит, кроме того, представление о возможности сверхбыстрого развития процессов. В основе механизма такого развития лежит нелинейная положительная обратная связь. Отрицательная обратная связь дает стабилизирующий эффект, заставляет систему вернуться к состоянию равновесия.

В процессах самоорганизации открытых нелинейных систем обнаруживается двойственная природа хаоса. Хаос разрушителен (сложные системы в развитых состояниях могут быть чувствительны к малым хаотическим флуктуациям на микроуровне). И в то же время хаос конструктивен: сам хаос может быть защитой от хаоса, ибо он является механизмом вывода на структуры-аттракторы эволюции, механизмом согласования темпов эволюции при объединении простых структур в сложные, а также механизмом переключения, смены различных режимов развития системы.

Рассмотрим теперь теорию нестационарной Вселенной.

С точки зрения современной науки, Вселенная - место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению.

Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией. Изучение Вселенной зиждется на следующих предпосылках:

1) формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной;

2) производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную;

3) истинным признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования человека (так называемый антропный принцип).

Антропный принцип представляет и самостоятельный интерес. Поэтому рассмотрим его здесь подробно.

Корректным можно считать вопрос: почему так называемые физические: постоянные (например, постоянная Планка, заряд электрона, массы электрона и протона, скорость света в вакууме и др) имеют такие, а не какие-нибудь иные значения, и что случилось бы со Вселенной, если бы эти значения оказались другими? Правомерность вопроса определяется тем, что численные значения физических постоянных теоретически не обоснованы. Они получены экспериментально и независимо друг от друга. Существуют достаточно узкие рамки в выборе подходящих значений физических постоянных. допускающие существование знакомой нам Вселенной. Например, если увеличить массу протона на 30%, то это лишает протон возможности объединиться с нейтроном, то есть делает невозможным протекание нуклеосинтеза. Выход за пределы определенных значений физических постоянных закрывает возможность протекания во Вселенной процессов нарастания сложности и упорядочения вещества.

Бросается в глаза и то, что небольшая ассиметрия между веществом и антивещемтвом позволила на ранней стадии образоваться барионной Вселенной. Без этого она бы выродилась в фотонно- лептонную пустыню. И еще пример: расположение энергетических уровней у ядра кислорода оказалось именно таким, что не позволяет в процессах звездного нуклеосинтеза превратиться всем ядрам углерода в кислород, а ведь углерод - это основа органической химии и, следовательно, жизни.

Совокупность многочисленных случайностей такого рода называется "топкой подстройкой^» Вселенной. Не менее удивительные совпадения встречаются и при рассмотрении процессов, связанных с возникновением и развитием жизни.

В 70-е годы 20 века был выдвинут так называемый антропный принцип. Формулируется в 2-х вариантах: слабый антронный принцип, сильный антропный принцип.

Слабый антропный принцип понимается так: в ходе эволюции Вселенной могли существовать самые различные условия. Однако человек как познающий субъект видит мир только на том этапе на котором реализовались условия, необходимые для его существования. При этом все предшествовавшие появлению человека стадии эволюции Вселенной могли протекать только в мире, где существовала "тонкая подстройка” Это означает, что раз человек есть, то он увидит только вполне определенным образом устроенный мир. Ничего другого увидеть ему просто не дано.

С точки зрения сильного антропного принципа вводится предположение о множественном рождении Вселенных. В каждой из этих Вселенных случайным образом реализуется произвольный набор физических постоянных и соответствующих им физических законов. Случайный перебор всевозможных вариантов создает в одной (или нескольких) из них ситуацию "тонкой подстройки" со всеми вытекающими отсюда следствиями. Есть предположение и о самоорганизации единственной Вселенной, чем предопределяется появление в ней "тонкой подстройки" и познающего субъекта. Согласно этому взгляду появление разума не только заранее запланировано, но и имеет определенное предназначение. Оно должно себя проявить в последующем процессе развития Вселенной. Значит, человек вынужден будет заняться вопросом выяснения своего предназначения во Вселенной.

А теперь вернёмся к космологии.

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной.

Наиболее общепринятой в космологии является модель расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности, созданной А. Эйнштейном.

Петроградский физик и математик А.А. Фридман в 1922 году первым заметил, что искривление пространства, которое по А. Эйнштейну составляет суть тяготения, не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься.

Составною частью модели расширяющейся Вселенной является представление о большом взрыве, произошедшем где-то 12-18 млн. лет назад. “Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы” (Вейнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. – М., 1981. – 30 с.).

Начальное состояние Вселенной (так называется сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре.

Горячесть начального состояния подтверждается открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной. Красное смещение подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка несколько миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет.

Вселенная возникает из ничего. “Ничего” в научном понимании называется вакуумом. Вакуум, который физика 19 века считала пустотой, по современным представлениям науки является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях “рождать” вещественные частицы.

Физический вакуум – основное понятие квантовой теории поля, отвечающее наинизшему энергетическому состоянию квантованного поля. Электрический и барионный заряды, импульс, момент количества движения и другие квантовые числа физического вакуума равны нулю.

Современная квантовая физика допускает, что вакуум может приходить в возбужденное состояние, вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него – вещество.

Рождение Вселенной “из ничего” означает с современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация.

Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но также участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Кстати, благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

До сих пор космологи были убеждены, что сперва материя приняла форму небольших шарообразных газовых облаков, из каждого затем образовалось до миллиона звезд. Протекли миллиарды лет, прежде чем эти первые солнца выгорели. Но на этом их жизнь не закончилась, впереди у них была сложная судьба. Эти уже умершие звезды под действием гравитационных сил "осаживались" к своим центрам и в конце концов превращались в черные дыры. Однако некоторые астрофизики (см., например, Г.Николаев. Черные дыры. Для чего они мирозданию?\\ Наука и жизнь, 1998, № 10) весь этот процесс видят сегодня несколько иначе. Они считают, что вслед за первым взрывом, породившим Вселенную, возник так называемый "плазменный суп", из которого затем образовались сверхзвезды с массой в миллионы наших солнц. Огромный вес и размеры таких образований были причиной их нестабильности. Поэтому еще до того, как смогли "разогреться" их внутренние ядерные печи, гиганты под действием сил тяготения начали спадаться к своим центрам и превратились в черные дыры. Авторы этой модели называют их первыми кирпичами мироздания.

В ту эпоху во Вселенной господствовала темнота. Черные дыры притягивали к себе остатки блуждающей в пространстве материи. Свет появился лишь от звезд, возникших из той же материи, но избежавшей поглощения черными дырами. Вновь образованные солнца разместились вокруг черных дыр - так возникли галактики вроде нашего Млечного Пути. В этом астрономы и видят организующую роль черных дыр на ранней стадии жизни Вселенной.

Примерно десять миллиардов лет назад Вселенная была в восемь раз меньше нынешних ее размеров. Галактики находились много ближе друг к другу. В те времена они в сто раз чаще, чем теперь, сталкивались одна с другой, проникали одна в другую, образуя колоссальные скопления звезд. Так разрастались острова во Вселенной. Звезды тоже сталкивались. Газ и пыль - остатки таких соударений небесных тел - силой тяготения устремлялись к центру галактики, где их ждала черная пасть. В тот период и рождалось рентгеновское излучение, заполнившее собою космос.

Компьютерные модели рисуют более позднюю стадию развития Вселенной, когда ее окрестности уже очистились от измельченной материи, а звезды стали все реже попадать в западни этих монстров: ближние к центру галактик были давно поглощены черными дырами, а оставшиеся находятся далеко и ускользают от полей их тяготения. В теперешние времена черные дыры "голодают": галактики сталкиваются чрезвычайно редко, межзвездной материи осталось немного. И тем не менее прожорливые невидимки не исчезли, они - все еще составная часть космоса.

Астрофизики все чаще сообщают о том, что в центре то одной, то другой галактики они обнаружили огромные невидимые образования. Исследователи жизни небесных тел открыли любопытную закономерность: чем больше материи содержит звездная система, тем большую массу имеет черная дыра, предположительно находящаяся в ее центре. "Это не случайно, -считает доктор Хазингер,- а подчеркивает ту роль, которую сыграли эти образования в становлении галактик"

Поскольку ученым пока не удалось наблюдать акт поглощения черной дырой какой-либо звезды, астрономы ищут косвенные признаки существования этих образований. Первыми, кому это удалось, стали американский астрофизик Джеймс Моран и японский ученый Макото Миоши. С помощью нескольких радиотелескопов они наблюдали галактику № 6С4258, находящуюся от нас на расстоянии в 20 миллионов световых лет. Вокруг темного центра этого звездного острова вращается кольцо из облаков газа и пыли. Скорость его движения огромна – 4 миллиона километров в час, что говорит о сверхмощных полях тяготения. По подсчетам, в центре галактики сосредоточена масса, равная 36 миллионам солнц. Концентрацию столь большой массы, по мнению многих астрофизиков, можно объяснить только присутствием сверхтяжелой черной дыры.

Долгое время среди астрофизиков шел спор: возможно ли вообще существование черных дыр. Сегодня ученые признают: черные дыры есть. Появились они на раннем этапе развития Вселенной и доживут до конца ее. Это следует из теории относительности А. Эйнштейна. А. Эйнштейн утверждал, что любое массивное тело искажает пространство и течение времени в прилегающем к нему пространстве. Если массы особенно много, то давление и температура внутри нее стремятся к бесконечности, время и пространство искажаются все сильнее, и наступает коллапс - масса сжимается и переходит в сингулярное состояние: рождается черная дыра. В ней уже не действуют законы природы и останавливается время.

Еще недавно черные дыры представлялись экзотическим, редким явлением космоса, но теперь они считаются нормальной стадией эволюции мироздания. Уже определено более 30 галактик, заключающих в себе эти образования. И эти открытия продолжаются.

Ученый из института Макса Планка - Рейнхард Генцель сделал замеры черной дыры, которая находится в нашей галактике, в Млечном Пути. 100 миллионов звезд, включая и нашу Солнечную систему, вращаются около центра, который с Земли не виден в телескопы: он заслонен облаками из пыли и газа. Направление на центр известно - это созвездие Стрельца, расстояние тоже - 26000 световых лет. Наша Солнечная система расположена ближе к краю Млечного Пути.

Тепловые лучи не боятся таких преград, как облака пыли и газа. И астрофизик Р.Генцель направил усовершенствованную камеру для улавливания инфракрасных лучей на ось вращения Млечного Пути. Он хотел определить, с какой скоростью вращаются звезды, находящиеся вблизи ядра галактики. Ему удалось установить, что эта скорость - выше 1000 километров в секунду. Зная скорость, он рассчитал, что в центре этой космической карусели находится масса, равная 2,6 миллиона солнц.

Этот гигант, считает Генцель, уже многие миллиарды лет "посажен на диету". Только ничтожные порции пыли и газа может дать ему природа космоса. В неделю он получает "корм" весом в один земной шар. Но "пост" этого гиганта когда-нибудь придет к концу. Со скоростью 400000 километров в час, все более убыстряясь, приближается к Млечному Пути соседняя с ним галактика - туманность Андромеды. Примерно пять миллиардов лет пройдет до того времени, когда две галактики столкнутся и две их черные дыры получат пищу.

Универсальный эволюционизм постнеклассической науки сосуществует с идеями, которые сформировались в результате развития специальной и общей теории относительности и квантовой механики.

Таковы характерные черты трех основных типов научной рациональности.