25. Постнеклассическое естествознание XXI века
В конце XX в. естествознание вступило в новую фазу развития – постнеклассическую.
Особенности современного этапа развития наук о природе: НТР, информационная революция, системный подход в исследованиях.
Научно-техническая революция (НТР) — коренное качественное преобразование производительных сил, начавшееся в середине XX в., качественный скачок в структуре и динамике развития производительных сил, коренная перестройка технических основ материального производства на основе превращения науки в ведущий фактор производства.
Черты НТР:
- универсальность, всеохватность: задействование всех сфер человеческой деятельности;
- чрезвычайное ускорение научно-технических преобразований: сокращение времени между открытием и внедрением в производство, постоянное устаревание и обновление;
- повышение требований к уровню квалификации трудовых ресурсов: рост наукоемкости производства;
- военно-техническая революция: совершенствование видов вооружения и экипировки.
Направления НТР:
- развитие электроники (телевидение, радиосвязь и др.);
- появление ЭВМ и компьютеров;
- робототехника;
- атомная энергетика;
- лазерная техника;
- авиационная, ракетно-космическая техника;
- биотехнологии и генная инженерия;
- нанотехнологии и др.
Информационная революция, начавшаяся во второй половине XX в., связана с изобретением микропроцессорной технологии и появлением персонального компьютера. На микропроцессорах и интегральных схемах создаются компьютеры, компьютерные сети, системы передачи данных (информационные коммуникации). Этот период характеризуют три фундаментальные инновации:
•переход от механических и электрических средств преобразования информации к электронным;
•миниатюризация всех узлов, устройств, приборов, машин;
•создание программно-управляемых устройств и процессов.
Последняя информационная революция выдвигает на передний план новую отрасль - информационную индустрию, связанную с производством технических средств и технологий для производства новых знаний, использованием универсальных систем «электронных денег»; массовым распространением высокотехнологичных информационных услуг (высшей фазой считается создание и расширение всемирной электронной паутины – Интернета).
Системный подход в исследованиях.
Системный подход: любой объект материального мира может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целое.
Основные принципы системного подхода:
- целостность – несводимость свойств системы к сумме свойств ее элементов;
- структурность – позволяет анализировать элементы и их взаимосвязи;
- иерархичность - наличие множества элементов
- множественность описания каждой системы.
Система - упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, проявляющее себя как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям.
Элемент - минимальный, далее уже неделимый компонент в рамках системы. Элемент является таковым лишь по отношению к данной системе, при других отношениях он сам может представлять сложную систему.
Совокупность связей между элементами образует структуру системы. Существует два типа связей между элементами системы:
-горизонтальные - связи координации между однопорядковыми элементами системы; ни одна часть системы не может измениться без того, чтобы не изменились другие ее части;
-вертикальные - связи субординации, т.е. соподчинения элементов. Они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей значимости могут уступать другим, подчиняться им.
Синергетика – теория самоорганизации (Хакен, Пригожин и другие).
Классическое естествознание изучало в основном простые замкнутые системы, но большинство реальных природных систем – открытые (обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией). Например, живые организмы – это сложные открытые системы (сложная система – система, состоящая из тысяч, миллионов, миллиардов элементов, которые взаимодействуют между собой); человеческий мозг – открытая система.
Синергетика (от греч. synergia – сотрудничество) – понятие ввел Гельмут Хакен. Большой вклад внес Илья Пригожин (бельгийский ученый российского происхождения). В нашей стране синергетическими исследованиями занимаются академик Александр Самарский и член-корреспондент РАН Сергей Курдюмов. Синергетика - это математическое моделирование процессов развития сложных систем на основе законов вероятности.
Основными положениями теории самоорганизации являются:
1) такие системы состоят из большого числа одинаковых или разнородных элементов, которые взаимодействую друг с другом;
2) эти системы являются нелинейными, т.е. они описываются уравнениями второй-третьей степени либо там используются коэффициенты, которые зависят от условий внешней среды;
3) эти системы являются открытыми, т.е. далекими от состояния равновесия (имеет место приток/отток энергии, вещества и энергии);
4) эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниям (могут перейти в нестабильное состояние);
5) как следствие нестабильности – в этих системах происходят качественные изменения, при которых возникают пространственные, временные или функциональные структуры. Часто причиной этого выступают бифуркации – небольшое внешнее возмущение, выводящее систему из состояния равновесия, а дальше происходят качественные изменения.
Синергетика указывает на принципиальную возможность возникновения порядка из хаоса, что собственно и есть процесс самоорганизации.
Процессы самоорганизации в природе.
Впервые процессы самоорганизации были обнаружены в некоторых химических реакциях.
1.Реакция Белоусова-Жаботинского – явление оптокатализа, т.е. окислительно-восстановительная реакция, которая протекает в смеси серной и малоновой кислот, сульфата церия и бромида калия. В процессе этой реакции ионы Се4+, находящиеся в растворе, периодически превращаются в ионы Се3+ и затем обратно. Внешне это проявляется в периодическом изменении цвета раствора. В зависимости от концентрации растворенных веществ период колебаний варьируется от 2 до 100 с.
2.Ячейки Бенара – упорядоченная конвекция в тонком слое масла при нагревании, т.е. в плоский широкий сосуд наливается силиконовое масло, подогревается снизу, и в определенный момент времени весь слой масла распадается на одинаковые шестигранники (гексагональные ячейки). Причина этого – согласованное кооперативное движение молекул.
3.Процессы кристаллизации: например, снежинки – это результат самоорганизации молекул из раствора жидкости. Бифуркационным моментом является некоторая неоднородность (для того чтобы началась кристаллизация, необходим твердый центр, которым, например, может стать пылинка).
4.Все живые системы – самоорганизующиеся системы.
5.Вселенная – самоорганизующаяся система (от момента Большого Взрыва до момента образования галактик).
6.Современные ученые пытаются использовать синергетические принципы для объяснения возникновения общества, сознания человека.
Возможно, с помощью синергетики удастся объяснить возникновение жизни.
История развития природы, с точки зрения синергетики, - это процесс образования всё более сложных нелинейных систем.
Глобальный эволюционизм и антропный принцип
Глобальный эволюционизм – это не теория, а методологический принцип, согласно которому материя создаёт всё более сложные структуры.
Этапы:
1) космическая эволюция: период от Большого Взрыва Вселенной до образования первых звезд; на физическом уровне это выражается в дифференциации фундаментальных взаимодействий (фундаментальная единая суперсила вследствие нарушения симметрии разделяется на 4 фундаментальных взаимодействия), дифференциация элементарных частиц, кварки нуклоны ядра атомы;
2) химическая эволюция: связана со звездами (термоядерные реакции, которые приводят к появлению около сотни химических элементов, появлению сложных неорганических веществ: воды, окислов кремния, алюминия, железа); водород и гелий образовались в 1-ый млн. лет, а химические элементы не раньше, когда умерли первые звезды;
3) биологическая эволюция: период от появления биополимеров и простейшей жизни вплоть до разумной жизни спустя 10 млрд. лет после Большого Взрыва;
4) социальная эволюция: связана с появлением разумных существ (от гоминид до современных цивилизаций), материя достигает такой степени самоорганизации, что приводит к появлению разумных существ.
Закономерности глобального эволюционизма:
1) направленность развития материи на повышение структурной организации;
2) глобальное ускорение развития: каждый следующий уровень организации материи требует меньше времени (химические элементы – через 1 млрд. лет после Большого Взрыва, жизнь – через 10 млрд., разум – через 13 млрд. лет);
3) антропный принцип: фундаментальные законы Вселенной таковы, что в ней на определенной ступени эволюции должен был появиться наблюдатель, т.е. человек. Если бы эти законы были иными, то ничего бы не получилось. Фундаментальные постоянные: G, ħ, c, e- и др. - если бы эти константы отличались от своих значений, то самоорганизация была бы невозможна.
Антропный принцип отражает очень тонкую постройку различных физических констант, без которой были бы невозможны жизнь и разум. Вселенная на всех своих уровнях подчиняется строгим закономерностям (имеет системный характер). Некоторые ученые считают этот принцип философским, а не научным, т.к. его нельзя экспериментально доказать
Виды симметрий и законы сохранения в макро- и микромире.
Симметрия – это инвариантность (неизменность) структуры объекта относительного его преобразований.
Виды:
1) внешние симметрии (геометрические).
Их следствием являются законы сохранения:
а) закон сохранения энергии: энергия сохраняется в изолированной системе (если тело движется по инерции без внешних воздействий); следствие симметрии относительно изменения начала отсчета времени (однородность времени).
Δt – переменная величина.
Временна́я симметрия: все промежутки времени абсолютно равноправны между собой.
б) закон сохранения импульса: независимо от того, в каком направлении перемещается тело, его импульс остается неизменным (при инерциальном движении); следствие симметрии относительно сдвига (однородность пространства).
ΔX, ΔY, ΔZ (координаты) – переменные величины.
в) закон сохранения момента импульса: при любых поворотах момент импульса остается неизменным; следствие симметрии относительно поворотов в пространстве (изотропность пространства).
,
где r
– радиус поворота.
Δφ (угол) – переменная величина
2) внутренние симметрии – симметрии, связанные со свойствами элементарных частиц (симметрии в микромире, они были открыты в XX в.)
а) калибровочные – связаны с фундаментальными полями (сильное, электромагнитное, слабое, сильное);
б) дискретные:
- пространственная симметрия;
- симметрия зарядового сопряжения: e- и e+ (позитрон), p+ и p- (антипротон). Все элементарные частицы, имеющие заряд, имеют антиподов. Очень многие законы сохранения являются следствием данной симметрии:
♦ закон сохранения электрического заряда (Q);
♦ закон сохранения барионного заряда (B);
♦ закон сохранения лептонного заряда (L);
♦ закон сохранения странности (S);
♦ закон сохранения спина (J).
НО в слабых взаимодействиях не все законы выполняются.
Современный этап развития науки позволил свести все внутренние симметрии к геометрическим (т.е. свойствам пространства). В XX в. появились новые теории пространства: пространство может иметь несколько измерений (не 3), в микромире может быть 9 (или даже 11); дополнительные измерения пространства позволяют объяснить внутреннюю симметрию элементарных частиц.
Следствием нарушения симметрии является необычайное многообразие окружающего нас мира.