Методическое пособие
"Концепции современного естествознания"
Введение
Концепция от латинского conceptio означает единый, определяющий замысел, ведущая мысль. Под концепцией естествознания понимают фундаментальные естественнонаучные идеи, модели и положения, которые проявляют себя во всех естественных науках. Естествознание – это совокупность наук о природе и связи между естественнонаучными дисциплинами. В курсе изучаются не только связи между естественнонаучными дисциплинами, но и трансдисциплинарные концепции от (лат. trans – сквозь, через) – более высокий уровень универсализации по сравнению с междисциплинарной концепцией, о которой принято говорить как о признаке единства естественнонаучного знания.
Современные естественнонаучные знания оказывают существенное влияние на культурный потенциал эпохи, определяющий стиль мышления не только ученых, но и государственных деятелей, оказывают воздействие на идеологию и психологию людей, являются условием для восхождения мышления личности на более высокие ступени научной рациональности.
1. Естествознание как особая форма знания. Всеобщий характер законов природы
Все, что окружает человека, есть материя в самых разных формах ее проявления. Совокупность проявлений материи образует единую систему – Вселенную.
Развитие научного знания привело к представлению о глобальном единстве материальных миров. «Земной» атом совершенно не отличим от атома вблизи пределов наблюдаемой Вселенной, физические процессы, происходящие в отдельных друг от друга областях космоса, идентичны, а законы, их описывающие, – универсальны.
Мир един, в нем «все связано со всем», нет изолированных систем со своей «автономной жизнью». Законы материального мира обладают естеством на фундаментальном уровне.
Две культуры как отражение двух типов мышления
Человек, изучая окружающую природу и самого себя, выстраивает систему достоверных и обобщенных знаний об окружающем мире – науку.
Эта система включает в себя две большие подсистемы:
- – естественные науки;
- – гуманитарные и социальные науки.
На ранних этапах эти две отрасли знания развивались совместно. Это был период умозрительных заключений, и носителями этих знаний были одни и те же люди. Затем неизбежная специализирующая интеллектуального труда разделила эти два направления и проявилась в дальнейшей дифференциации наук.
Объектами изучения в естественных науках стали все формы неживой природы и простейшие формы живой. Объектами изучения в гуманитарных и социальных науках являются наиболее сложные формы живой природы, связанные с человеком, – человеческое сознание, творчество, общественные явления, а также идеальные системы, созданные человеком (языки, право, религия).
Эти науки выработали независимые методы, достигли различающихся уровней развития. В связи с этим стали говорить о формировании двух различных культур – естественнонаучной (основанной на фактических знаниях и теориях) и гуманитарной (основанной на разновариантности представлений, оценок и позиций).
Между этими двумя культурами начались противоречия, связанные с различием традиций, целей и методов, которые составляют проблему двух культур, носителями которых является научно-техническая и гуманитарная интеллигенция.
В настоящее время наблюдаются всевозрастающее взаимопроникновение различных направлений научного знания, взаимодействие двух культур (конвергенция – приближение), т. к. сложные современные проблемы человеческой цивилизации требуют комплексного, многостороннего подхода, совместной работы специалистов – естественников и гуманитариев.
Для современной науки характерным становится проблемный подход – для решения конкретных и важных вопросов науки объединяют усилия ученые разных специальностей, создаются смешанные научные коллективы.
Существенные и личностные аспекты взаимодействия двух культур, проявлением которого становится активное участие видных ученых-естественников в решении крупных общечеловеческих проблем.
Таким образом, единство всего материального мира и необходимость решения глобальных проблем человечества является основой сближения двух культур.
Научные методы
Метод (от греч. методос – путь к чему либо) означает совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности. Учение о методе начало развиваться еще в науке Нового времени. Ее представители считали правильный метод ориентиром в движении к надежному, истинному знанию.
Область знания, которая занимается изучением методов, называют методологией
. Методология дословно означает «учение о методах», и изучает происхождение, сущность, эффективность и другие характеристики методов познания.
Методы научного познания подразделяются по степени общности, т.е. по широте применимости в научных исследованиях.
Всеобщие методы: диалектический и метафизический. Это общефилософские методы. Метафизический метод с середины XIX века начал больше и больше вытесняться из естествознания диалектическим.
Вторая группа методов познания – общенаучные методы. Эти методы используются на разных уровнях научного познания – эмпирическом и теоретическом.
Эмпирический уровень
– это непосредственное исследование реально существующих чувственно воспринимаемых предметов.
На этом уровне происходит процесс накопления информации путем наблюдений, применений, постановки экспериментов и проводится первичная систематизация полученных данных в виде таблиц, схем, графиков. На этом уровне результатом является формирование некоторых закономерностей.
Теоретический уровень
– раскрывает наиболее глубокие, существенные стороны, связи, закономерности. Это более высокая степень в научном познании. Результатами этого уровня становятся гипотезы, теории, законы. Оба эти уровня взаимосвязаны.
Эмпирический – это фундамент теоретического осмысления. Теоретический – определяет направление исследований эмпирического уровня.
К общенаучным методам эмпирического познания относятся:
- наблюдение – целенаправленное восприятие внешнего мира, доставляющее первичный материал для научного исследования;
- эксперимент – исследование каких-либо явлений путем активного воздействия на них при помощи создания новых условий, соответствующих целям исследования;
- описание – фиксирование данных эксперимента или наблюдение с помощью определенных систем обозначений;
- изменение – определение характеристик объектов с помощью измерительных приборов.
Общенаучными методами теоретического познания являются:
- абстрагирование – отвлечение от несущественных свойств явления, с выявление более существенных;
- идеализация – особый вид абстрагирования, мысленное внесение изменений в изучаемый объект;
- мысленный эксперимент – оперирование идеализированным объектом;
- формализация – отображение результатов мышления в точных понятиях с использованием специальной символики;
- индукция и дедукция – движение от частного к общему (от единичных фактов к общим положениям), и наоборот – от общего к частному.
К общенаучным методам эмпирического и теоретического познания относятся:
- анализ и синтез – процессы мысленного разложения целого на составные части или воссоединении целого из частей;
- аналогия – прием познания, с помощью которого обнаруживается сходство объектов в некоторых значимых характеристиках;
- моделирование – воспроизведение характеристик некоторого объекта на другом, специально созданном для их изучения.
К третьей группе методов научного познания относятся частно-научные методы, используемые только в рамках какой-то конкретной науки.
Каждая наука имеет свои специфические методы исследования.
2. Из истории естествознания
Первой в истории человечества наукой была философия. Она являлась вместилищем всех человеческих знаний об окружающем мире, а наука о природе была ее составной частью и называлась натурфилософией, т.е. философией природы.
Натурфилософия стала первой формой существования естествознания. Первое понимание природы содержало много вымышленного, фантастического, далекого от действительности.
Недостаток научных фактов, познание причины явлений заменялось придуманными силами и связями (например, жизненная сила вещества), которыми пытались заменить проблемы в естественнонаучном знании.
Многое существовало лишь в воображении философов до тех пор, пока не был накоплен большой фактический материал, систематизация которого привела к возникновению науки.
Впервые наука в истории человечества возникает в Древней Греции в VI веке до н.э., когда появилась система знаний, являющаяся результатом деятельности особой группы людей и научного сообщества.
Древнегреческий ученый и философ Аристотель собрал и систематизировал знания, накопленные в древнем мире, и попытался дать классификацию наук.
Он разделил все науки на 3 группы:
1) науки «умозрительные» – познают предмет только с помощью разума – это философия, физика, математика;
2) науки «практические» – политика, этика, экономика;
3) науки «творческие» – ремесла, врачевание, строительство.
Первая группа – это высшие науки, постигающие самое главное – причину бытия. Древнегреческие мыслители были одновременно и философами и учеными. Каждый ученый стремился представить все мировоззрение в целом. Достижения античных мыслителей в математике и механике нового вошли в историю науки.
В Древней Греции господствовала идея о существовании первоначал, лежащих в основе мироздания. К ним отнесли и стихии – воду, огонь, землю.
Эти представления сменились идеологией атомизма Демокрита и Эпикура.
Основные принципы этих воззрений следующие:
- вся Вселенная состоит из мельчайших материальных частиц – атомов и незаполненного пространства – пустоты;
- атомы вечны, поэтому вся Вселенная существует вечно;
- атомы – мельчайшие неделимые частицы, находящиеся в постоянном движении;
- они различаются по форме, величине, тяжести;
- все предметы материального мира образуются из атомов различных форм и различного порядка их сочетаний (форм, величины, активности).
Эта теория положила начало развитию физики. Величайшим ученым и философом античности был Аристотель. Он создал космологическое учение, которое повлияло на миропонимание многих поколений.
Аристотель считал мироздание конечным состоянием многих сфер. Внешняя соприкасается с Перводвигателем Вселенной, или Богом, которого он понимал в виде разума мирового масштаба, источника энергии. Землю он представлял как шар в центре Вселенной.
Теорию математически оформил Клавдий Птолемей (до 168г. до н.э.) – крупнейший ученый античности. Главный его труд – «Математическая система». Эта эпоха прославилась вкладом в развитие математики древнегреческого ученого Пифагора.
В III веке до н.э. Евклид привел в системе математические достижения того времени и создал метод аксиом, что позволило создать геометрию, которая и сейчас носит его имя («Начало»).
Архимед – ученый, математик и механик. Ему принадлежит решение ряда задач по вычислению площадей поверхностей и объемов, значение числа; он ввел понятие центра тяжести, дал математический вывод законов рычага. Ему приписывают знаменитое выражение: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю».
Широкую известность получил закон Архимеда, касающийся плавучести тел. Ему принадлежит изобретение различных рангов, блоков, винтов для поднятия тяжестей, военные метательные машины.
Изобретения Архимеда опередили время и были оценены по достоинству только через 1,5 тыс. лет, они получили дальнейшее развитие в эпоху Возрождения.
Эпоха средних веков характерна развитием в Европе христианской науки, философии, теологии и прогрессом науки на Востоке. С VIII века научное лидерство переместилось из Европы на Восток. В мусульманском мире получила известность древнегреческая наука, и это способствовало развитию астрономии и математики.
В истории известны такие имена арабских ученых, как:
1. Мухаммед аль-Батани (850–929 гг.).
2. Ибн-Юнас (950–1009 гг.) достигший заметных успехов в тригонометрии и сделавший много наблюдений в лунных и солнечных затмениях.
3. Ибн-али-Хайсам (965–1020 гг.), известный своими работами в оптике.
4. Ибн-Рушд (1126–1198 гг.), философ и естествоиспытатель, последователь Аристотеля.
Научные революции в истории естествознания
Естествознание эпохи Возрождения.
Первая научная революция
С XVI в. характер научного прогресса от количественных изменений переходит к качественными изменениям. Наука выходит на новый уровень знаний в результате меняющегося видения мира. Наука проходит через переломные этапы, получившие название научных революций.
Научная революция эпохи Возрождения характеризовалась возвращением культурных ценностей античности, расцветом искусства, утверждением идей гуманизма.
В науке существенным прогрессом стало появление гелиоцентрического учения великого польского астронома Николая Коперника (1473–1543 гг.) В своем труде «Об обращениях небесных сфер» Коперник утверждал что Земля не является центром мироздания.
На основе большого числа астрономических наблюдений и расчетов Коперник создал новую гелиоцентрическую систему мира, что и являлось первой в истории человечества научной революцией.
Земля – одна из планет, движущихся вокруг Солнца по круговым орбитам. Совершая обращение вокруг Солнца, Земля одновременно вращается и вокруг собственной оси, чем и объясняется смена дня и ночи, видимое нами движение звездного неба.
Коперник высказал мысль о движении как естественном свойстве небесных и земных объектов, подчиненном общим закономерностям единой механики. Этим было разрушено догматизированое представление Аристотеля о неподвижном «перводвигателе», приводящем в движении Вселенную.
Одним из активных сторонников учения Коперника, поплатившимся жизнью за свои убеждения, был знаменитый итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548–1600 гг.)
Но он пошел дальше Коперника, отрицая наличия центра Вселенной вообще и отстаивая тезис о бесконечности Вселенной. Бруно говорил о существовании во Вселенной множества тел, подобных Солнцу, и окружающих его планетах. Причем многие их бесчисленного количества миров, считал он, обитаемы и, по сравнению с Землей, «если не больше и не лучше, то, во всяком случае, не меньше и не хуже».
Он был арестован инквизицией, 8 лет находился в тюрьме и 17 февраля 1600 г. как нераскаявшийся еретик был сожжен на костре в Риме. Но это не остановило прогресс познания человеком мира.
Естествознание Нового Времени. Научная революция
XVII
века.
Классическая механика и экспериментальное естествознание
Эпоха получившая название «Нового времени», охватывает три столетия – XVII, XVIII и XIX века. В этом периоде основную роль сыграл XVII век – век рождения современной науки, у истоков которой стояли такие выдающиеся ученые, как Галилей и Ньютон.
Галилео Галилей заложил основы нового механического естествознания. До него в науке движение понимали по принципу, заложенному Аристотелем: тело движется только при наличии внешнего воздействия на него, и если оно прекращается, то прекращается и движение. Галилей показал, что это ошибочный принцип, и сформулировал совершенно иной принцип инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится какое-либо внешнее воздействие. Большое значение для становления механики как науки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы (как думал Аристотель), а пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Он открыл, что траектория брошенного тела является параболой. Галилей внес вклад в разработку учения о сопротивлении материалов.
Он выработал условие дальнейшего прогресса естествознания, начавшегося в эпоху Нового времени.
Научная революция XVII века завершилась творчеством одного из величайших ученых в истории человечества, каким был Исаак Ньютон (1643–1727 гг.) – создатель дифференцированного и интегрального исчисления, произвел астрономические наблюдения, внес большой вклад в развитие оптики, но самым главным научным достижением Ньютона было завершение дела Галилея по созданию классической механики.
В науке началось господство механических представлений о мире. Ньютон сформулировал три основных закона движения, которые легли в основу механики как науки и дополнили систему законов движения открытием закона всемирного тяготения – универсального закона природы. Это являлось основой для создания науки, изучающей движение тел Солнечной системы.
Ньютон предложил миру научно-исследовательскую программу, которая стала ведущей в Англии и Европе. Он назвал ее «Экспериментальной философией», (Труд «Математические начала натуральной философии», 1687 г.).
Научная революция
XVIII
–
XIX
веков. Диалектизация естествознания
Суть научной революции второй половины XVIII–XIX веков заключалась в процессе стихийной диалектизации естествознания (метафизический метод, при котором объекты и явления рассматривались без взаимосвязи с другими и считались неизменимыми во времени, сменился диалектическим).
Диалектика предполагает изучение объектов, явлений со всем богатством их взаимосвязи с учетом их изменения и развития. Начало этому процессу положила работа немецкого ученого и философа Иммануила Канта (1724–1804 гг.) «Всеобщая естественная история и теория неба» (1755 г.). В этом труде он сделал попытку объяснить происхождение Солнечной системы.
По гипотезе Канта, Солнце, планеты и их спутники возникли из первоначальной бесформенной туманной массы, некогда равномерно заполняющей мировое пространство. Процесс возникновения Солнечной системы он объяснил действием сил притяжения на частицы материи. Его космическая гипотеза изменила метафизический взгляд на мир. Независимо от Канта французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас (1749–1827 гг.) высказал идеи, дополнившие космогоническое учение Канта, и их гипотезы столетия просуществовали в науке как космологическая гипотеза Канта-Лапласа.
В 1859 году вышел главный труд Чарльза Дарвина «Происхождение видов в результате естественного отбора». В нем он изучил факты и причины биологической эволюции, утверждая, что вне саморазвития органический мир не существует.
К числу фундаментальных открытий этого времени принадлежит клеточная теория 30-х гг. XIX в. ботаника Маттиаса Якоба Шлейдена и биологии Теодора Шванна.
Открытие закона сохранения и превращения энергии.
Первооткрывателями были немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814–1878 гг.) и английский исследователь Джеймс Джоуль (1818–1889 гг.). Отстаивал этот закон в научном мире и знаменитый физик XIX ст. Гельмгольц (1821–1894 гг.). Он увязал его с принципом невозможности вечного двигателя.
Доказательство сохранения и превращения энергии утверждало единство материального мира. Вся природа отныне была представлена как непрерывный процесс превращения универсального движения материи из одной формы в другую.
Таким образом, основополагающие принципы диалектики – принцип развития и принцип всеобщей взаимосвязи получили во второй половине XVIII века и особенно в XIX веке мощное естественнонаучное обоснование.
3. Пространство и время. Принципы относительности
Пространство и время являются основными категориями в физике. Большинство физических понятий вводится посредством правил, в которых используется расстояние в пространстве и время.
Большое влияние на формирование понятий «пространство» и «время» сыграла пифагорийская школа. В пустоте (неоформленном) безграничном пространстве зародилась Единица, сыгравшая роль семени, из которого вырос весь космос. Вытягиваясь в длину, она порождает число 2, что в геометрии означает «линия».
Линия, вытягиваясь в ширину порождает число 3 – плоскость. Плоскость, вытягивается в высоту, поражает число 4 – объем. Это трехмерное пространство Пифагора.
Платон вводит понятие геометрического пространства как отдельную категорию и помещает его между идеями и чувственным миром. Платон признавал идею как причину бытия, но соотносил ее с материей (чувственными вещами). Это философия объективного идеализма.
Математика – посредник между идеальными и чувственным (пространство не идеальное и не чувственное). Объемы – результат сращивания идеи с материей. Познать природные элементы по Платону – это значит познать их геометрику или определить их пространственное образование. Атомы Платона соответствуют четырем стихиям и представляют собой геометрические многоугольники. Земля-куб; огонь-четырехгранник; воздух-октаэдр (8); вода икхаэдр (20 граней).
Современная физика повернулась в своем развитии от атомизма Демокрита к философии Платона. Частицы в современной физике представляют математические абстракции фундаментальных симметрий (В. Гейзенберг).
Платоново – пифагорийская научно-исследовательская программа была развита в эллинистический период в работах Птолемея, Архимеда, Евклида. В «Началах» Евклида излагаются основные свойства пространственных фигур. В современной физике «евклидово пространство» – это плоскость в 3-х измерениях. Изучение пространства греками было подчинено цели – исследованию природы, в структуре которой воплощены геометрические принципы. В Древней Греции понятие пустота и эфир были свойствами пространства. Пустота – первоначало всего сущего. Эфир – понятие, противоположное пустоте.
В эпоху Возрождения достигается осознание взаимодействия между механикой и геометрией. Это привело к понятию о геометрическом объекте, движущемся в пространстве с течением времени.
Принципы относительности
Галилей открыл принцип инерции, движения тела в пустоте, где нет сопротивления. Сопротивление среды он считал несущественным.
Он также сформулировал принцип относительности: во всех инерциальных системах отчета все физические явления происходят одинаково. Эти два принципа описывают свойство пространства Вселенной.
Окончательную формулировку эти принципы получили в механике Ньютона. Он соединил идею пустого пространства и прямолинейного инерционного движения.
Пустое пространство – это «абсолютное» пространство – всегда одинаковое и неподвижное. Он определил также абсолютное истинное математическое время: оно протекает равномерно, без отношения к чему-либо внешнему и называется длительностью. Время и пространство представляют собой вместилище самих себя и всего сущего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, а в пространстве – в смысле порядка положения. Это места, перемещения мест составляет абсолютное движение.
Ньютон подчеркивает, что движение имеет относительный характер и зависит от системы отчета. Система отчета должна или покоиться, или двигаться равномерно и прямолинейно к абсолютному пространству.
Абсолютное время – это время, не зависящее от движения. Время одинаково во всех системах отчета.
Теория относительности Эйнштейна
В 1905 году Эйнштейн в работе «К электродинамике движущих сред» сформулировал два предположения, которые в современной науке именуются постулатами теории относительности».
1. Принцип относительности: все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отчета;
2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отчета и не зависит от движения источников и приемников света.
Эйнштейн подвергает критике ньютоновское понятие абсолютного времени и утверждает, что одновременность событий в одной системе отчета не будет верна в другой, движущейся по отношению к первой. Одновременность становится понятием относительным, зависящим от наблюдателя, т.е. в каждой системе отчета собственное время.
Закон сохранения и превращения энергии
XIX век ознаменовался открытием одного из самых великих принципов современной науки, приведшем к объединению самых различных явлений природы. Этот принцип гласит, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Энергия – единая мира различных форм движения материи. Для количественной характеристики различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, химическая, ядерная и др.
Существует два качественно различных способа передачи энергии от одного тела к другому – это работа и теплота. Передача энергии в форме работы производится в процессе силового взаимодействия тел и сопровождается перемещением. Передача путем теплообмена обусловлена различием температур этих тел.
Закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.
Вывод:
пространство и время – это неразрывно связанные с материей формы ее существования. Неразрывность пространства и времени обусловлены движением материи, которое является способом ее существования. Энергия – это мера движения материи и условие существования жизни (все живое потребляет энергию, чтобы жить).
4. Принципы возрастания энергии. Элементы квантовой физики. Энергия, энтропия.
I
и
II
начала термодинамики
В XIX веке появилось понятие «энергия» – единая мера различных форм движения материи. Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает бесследно: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую. Этот универсальный закон называется первым началом термодинамики.
Характер протекания процессов в природе устанавливается вторым началом термодинамики, согласно которому: в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи тепла только от более горячих тел к менее горячим. В термодинамике различается 2 типа процессов: обратимые и необратимые. Обратимым называется процесс, который может идти в прямом и обратном направлении. При этом система возвращается в исходное положение без изменений. Любые другие процессы являются необратимыми (например: диффузия, теплообмен).
Для характеристики обратимых и необратимых процессов было введено понятие «энтропия», с греческого энтропия – поворот, превращение.
Энтропия системы определяется ее начальным и конечным состоянием. В обратимых процессах энтропия изолированной системы постоянна, а при необратимых возрастает ∆ S>0 и стремится к максимальной величине.
Возрастание энтропии было признано самопроизвольной эволюцией системы, в которой система забывает начальные условия и переходит в состояние хаоса. При максимальной энтропии возникает состояние равновесия и наступает полный хаос. Возрастание энтропии, т.е. эволюция системы, или переход от настоящего к будущему – это направление, которое называют «стрела времени». Состояние равновесия или хаоса – считается более вероятным для изолированной системы.
Гипотеза тепловой смерти Вселенной
Этот принцип, распространенный на крупномасштабные процессы, протекающие во Вселенной, привел к гипотезе о тепловой смерти Вселенной. Если все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, это означает что во Вселенной идет выравнивание температуры, что означает тепловую смерть Вселенной и переход в состояние симметрии или полного хаоса. В данном случае Вселенная рассматривается как замкнутая система.
По мнению других Вселенная не должна рассматриваться как замкнутая система. Это система, находится в переменном гравитационном поле, и применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости статического равновесия сил.
Теория поля и вакуума
В 1927 году английский физик Поль Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов квантовой механики и теории относительности Эйнштейна и получил формулу с двумя решениями: электрон с положительной энергией и электрон-двойник с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и античастицах, мирах и антимирах.
Обнаружение античастиц углубило представление об электромагнитном поле, его дискретности (прерывистости). Считалось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов поля – фотонов, и значит, в этой области пространства должна быть пустота, или вакуум.
Открытие античастиц привело к открытию виртуальных частиц, которые то возникают то исчезают, изменяя заряд электрона (без этих частиц заряд электрона равнялся бы бесконечности). Вакуум наполнился виртуальными Гейзенберга античастицами. Такое представление о вакууме привело к открытию принципа неопределенности Гейзенберга, согласно этому принципу квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии. В течение этого времени энергия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рождение короткоживущих частиц, исчезающих при возвращении энергии. Таким образом, вакуум в физике оказывается не пустым, а представляет собой море рождающихся и гасящихся всплесков.
Квантовая теория поля давала представление о физической неразложимости мира, о невозможности свести его к отдельным элементам. Это принцип целостности, который рассматривает взаимодействие микрообъектов с определенным состоянием физического вакуума, а вакуум играет роль микроусловий, в которых элементарные частицы проявляют свои свойства.
В рамках концепции целостности Вселенная рассматривается как целостная система, находящаяся в супер-симметричном состоянии. В процессе эволюции происходят моменты нарушения симметрии, приводящие к многообразию мира.
В определенные исторические моменты происходит спонтанное нарушение симметрии исходного вакуума. Концепция целостности содержит в себе концепцию развития, самовыдвижения, самоорганизации, выраженных в категориях симметрии и ассиметрии.
В рамках этого периода вакуум является прародителем известного нам мира.
5. Химия в системе естественных наук. Место и роль химии в современной цивилизации
Успехи человека в решении больших и малых проблем выживания в значительной мере были достигнуты благодаря развитию химии. Успехи многих отраслей человеческой действительности, таких как энергетика, металлургия, машиностроение, легкая и пищевая промышленность и других, во многом зависит от состояния и развития химии. Огромное значение химия имеет для успешной работы сельскохозяйственного производства, фармацевтической промышленности, обеспечения быта человека. Химическая промышленность производит десятки тысяч наименований продуктов, многие из которых по технологическим и экономическим характеристикам успешно конкурируют с традиционными материалами, а часть является уникальной по своим параметрам. Химия дает материалы с заранее заданными свойствами, в том числе и такими, которые не встречаются в природе.
Химия не только обеспечивает производство многих необходимых продуктов, материалов. Во многих отраслях промышленности широко используются такие химические методы обработки: отбеливание, крашение, печатание, что привело к интенсификации процессов повышения качества.
Химизация позволила человеку решить многие технические, экономические и социальные проблемы, но масштабность этого процесса затронула все компоненты окружающей среды: сушу, атмосферу, воду мирового океана – внедрилась в природные круговороты веществ. В результате нарушилось равновесие природных процессов на планете, химизация стала заметно отражаться на здоровье самого человека. В связи с этим возникла самостоятельная ветвь экологической науки – химическая экология.
Фундаментальные основы современной химии
Фундаментальными основами химии стали квантовая механика, атомная физика, термодинамика, статическая физика, а также физическая кинетика. На основе физики построена теоретическая химия. На химическом уровне мы имеем дело с очень большим числом частиц, участвующих в квантово-механических процессах обмена электронами (химических реакциях).
Базовое понятие химии – валентность – это макроскопическое, химическое отображение квантово-механических взаимодействий.
Развитие современной химии, ее основные концепции оказались тесно связанными не только с физикой, но и с другими естественными науками, особенно с биологией.
Современный этап развития химии связан с использованием в ней принципов химизма живой природы.
Понятие «химический элемент» и «химическое соединение» с точки зрения современности
Химический элемент – это «кирпичик» вещества. Периодический закон Д.И. Менделеева сформулировал зависимость свойств химических элементов от атомной массы, признаком элемента стало его место в периодической системе, определяемое атомной массой. Физика помогла составить представление об атоме, как о сложной квантово-механической системе, раскрыла смысл периодического закона на основе строения электронных орбит всех элементов.
Современное определение химического элемента – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т.е. совокупность изотопов.
А химическое соединение – это вещество, атомы которого за счет химических связей объединены в молекулы, макромолекулы, монокристаллы или иные квантово-механические системы, т.е. главной стала физическая природа сил, соединяющая атомы в молекулы, обусловленная волновыми свойствами валентных электронов.
Учение о химических процессах
Учение о химических процессах является областью глубокого взаимопроникновения физики, химии и биологии. В основе этого учения находится химическая термодинамика и кинетика, которые в равной степени относятся и к химии, и к физике.
Предметом изучения являются условия протекания химических реакций, такие факторы как температура, давление и др.
Живая клетка, исследуемая биологической наукой, представляет собой микроскопический химический реактор, в котором происходят превращения, изучаемые химией.
Изучая эти процессы, современная химия перенимает у живой природы опыт, необходимый для получения новых веществ и материалов.
Основой химии живого являются каталитические химические реакции.
Большинство современных химических технологий реализуется с использованием катализаторов – веществ, которые увеличивают скорость реакции, не расходуясь в ней.
В современной химии получило развитие направление, принципом которого является энергетическая активация реагента (т.е. подача энергии извне) до состояния полного разрыва исходных связей. Это химия экстремальных состояний
, использующая высокие температуры, большие давления, излучения с большой величиной энергии кванта.
Например, плазмохимия – химия на основе плазменного состоянии реагентов, элионные технологии – активация процесса достигается за счет направленных электронных или ионных пучков.
Эффективность технологии на основе химии экспериментальных состояний очень высока. Они характеризуются энергосбережением, высокой производительностью, высокой автоматизацией и простотой управления технологическим процессом, а также небольшим размером технологических установок.
Химия как наука тесно связана с химией как производством. Основная цель современной химии, вокруг которой строится вся исследовательская работа, заключается в исследовании генезиса (происхождения) свойств веществ и разработки на этой основе методов получения веществ с заранее заданными свойствами.
6. Возникновение и эволюция жизни. Концепция происхождения жизни
Эволюция жизни предполагает ее истоки, начало. Проблема происхождения жизни является одной из важнейших не только в биологии, но и во всем естествознании и имеет важное мировоззренческое значение.
В настоящее время существует несколько теорий происхождения жизни:
1. Концепция сверхъестественного
(божественного) происхождения живого креоценизма – основана на вере.
2. Концепция многократного самопроизвольного
зарождения жизни из неживого вещества. Появилась в древности. Ее придерживался еще Аристотель.
В XVII веке биолог Ф. Реди противопоставил ей принцип: живое возникает только из живого (принцип Реди, или концепция биогенеза). В XIX веке ее окончательно опроверг Л. Пастер, доказав, что появление жизни там, где она не существовала, связано с бактериями (пастеризация – избавление от бактерий).
3. Концепция современного состояния предполагает
, что Земля и жизнь на ней существовали всегда, причем в неизменном виде.
4. Концепция панспермии связывает
появление жизни на Земле с ее занесением из космического пространства.
Теоретическая возможность панспермии подтверждается обнаружением следов органических соединений в материальном и кометном веществе. В 1975 г. предшественники аминокислот найдены в лунном грунте. Интерес к этой теории периодически возрастает. Но нужно отметить, что на основе этих взглядов во второй половине ХХ века возникло множество разнообразных псевдонаучных гипотез и примитивных фантазий на тему космических пришельцев.
5. Общепринятой в естествознании в настоящее время можно считать концепцию биохимической эволюции.
Согласно современному варианту концепции жизнь зародилась на Земле естественным путем в результате химических, а затем биологических процессов. Причем это являлось не маловероятной случайностью, а достаточно вероятным результатом самоорганизации. Научная постановка проблемы происхождения жизни принадлежит Ф. Энгельсу, считавшему, что жизнь возникла не внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи.
Свойства живой материи – изменчивость и приспосабливаемость, приводят к самоорганизации. При рассмотрении проблемы возникновения жизни естественным путем, т.е. в рамках концепции биохимической эволюции, можно выделить три основных этапа, предположительно перехода от живого к живому:
1) этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы и состояния поверхности ранней Земли;
2) этап синтеза биополимеров из накопившихся органических соединений;
3) самоорганизация сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществ и воспроизводства органических структур, завершающиеся образованием простейшей клетки.
В связи с этой концепцией возникает естественный вопрос об исключительности условий биохимической эволюции на планете Земля и уникальности известной нам формы жизни.
Многие ученые считают, что в громадной Вселенной должны встречаться формы жизни, сходные с Землей, но, по данным астрономии, в ближайших к ним звездных системах условий для образования цивилизаций не существует.
7. Происхождение человека
Происхождение человека является одной из фундаментальных переменных проблем современного научного познания. Долгое время существовал традиционный подход к проблеме человека в ключе рассуждений о взаимосвязи биологического и социального, понимаемый как «биосоциальный» синтез. Более перспективным является подход, рассматривающий человека как продукт длительной биологической эволюции, воспроизводящей в информационном аспекте развитие нашей Вселенной после Большого взрыва, вместе с социокультурной эволюцией, с которой связана его психическая эволюция.
В.И. Вернадский подчеркивает значимость высказываний американского геолога Д. Дона о том, что «в ходе геологического времени наблюдается (скачками) усовершенствование – рост – центральной нервной системы (мозга), начиная от ракообразных и моллюсков (головоногих) и кончая человеком. Раз достигнутый уровень мозга и эволюции идет не вспять, а только вперед». В таком случае появление человека – это закономерный результат развития биосферы, т.е. эволюция идет в определенном направлении.
Одной из наиболее принятых в научном мире теорий происхождения человека является эволюционная теория происхождения человека от живого предка – гоминид. Эволюция мозга этого предка считается особым процессом по двум причинам: во-первых, в связи с темпами – это был один из наиболее бурно протекающих процессов макроэволюции в истории позвоночных; во-вторых, в связи с феноменальными последствиями этого процесса, т.к. психика человека – явление уникальное.
Речь идет о следующих, связанных между собой, свойствах психики человека:
1) оперирование образами и понятиями, содержание которых свободно от ограничений пространства и времени и может относиться к воображаемым, никогда и нигде не происходившим, событиям;
2) познавательная способность, основанная на проникновении в структуру мира и построении модели мира;
3) способность к соблюдению моральных норм поведения и к разрушению и саморазрушению;
4) самопознание и рефлексия, проявляющаяся в способности созерцать собственное существование и осознавать смерть.
О сложности и многомерности внутреннего мира свидетельствует то, что он включает в себя правополушарное и левополушарное сознание, воображение и грезы, мечтания и память, медитацию и творческое мышление, сферы собственного сознания и бессознательного, интуицию и другие познавательные процессы, ценности и психологические установки.
Бурное развитие науки поставило на повестку дня проблемы связи человеческой психики с глубинами космоса, т.е. «микрокосмоса» с «макрокосмосом». Появилось несколько концепций, идей и гипотез, объясняющих эту связь:
- концепция человека как единство материального образования и неограниченного поля сознания, т.е. концепция корпускулярно-волновой природы человека;
- концепция человека как молекулы, содержащей в себе максимум информаций о Вселенной;
- гипотезы о галактическом разуме, об аналогиях характеристик физического вакуума и человеческого сознания и их возможных связях; о голографической природе Вселенной и сознания.
В настоящее время можно говорить о наступлении нового этапа в развитии науки, определяющим признаком которого становится формулирующаяся в наши дни эвалюционно-синергетическая парадигма.
Важнейшая ее составляющая – принцип глобального эволюционизма, т.е. признание невозможности существования всех рождаемых во Вселенной структур вне общей эволюции. Эта мысль органически связана с концепцией фундаментального единства материального мира; другой составляющей парадигмы является представление об универсальности алгоритма развития как проявление самоорганизации в самых разнообразных и социальных системах, т.е. синергетический подход.
Литература
Основная
1.Бобилов Ю.П. Концепціі сучасного природознавства. – К.: Фенікс, 2003. – 236 с.
2.Садохин «Концепция современного естествознания». – М.: Омега-Л, 2006. – 200 с.
3.Концепции современного естествознания. Под ред. О.С. Самыгина. – Ростов на Дону: Фенікс, 1999. – 570 с.
4.Рузович Г.И. Концепции современного естествознания. – М.: Юнити, 2000.
Дополнительная
1.Потев Н.И. Концепции современного естествознания. – СПб - Питер, 1999.
2.Дубницева Г.Д. Концепции современного естествознания. – Новосибирск, 1997.
3.Косыгин Ю.А. Человек, Земля, Вселенная. – М., 1995.
4.Моисеев Н.И. Человек и ноосфера. – М., 1990.
5.Наука и человечество.Международный ежегодник. –М.: Знание, 1962.
6.Слейбо У. Персоне Т. Общая химия. –М.: Мир, 1975.
|
