Революция в естествознании и смена прежней картины мира

В конце XIX − в начале XX вв. были сделаны открытия, которые коренным образом изменили представления о картине мира. Прежде всего это открытия о строении вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии. Если раньше последними неделимыми частицами материи, из которых состоит природа, считались атомы, то в конце XIX века были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц).

Согласно первой модели атома, построенной английским ученым Эрнестом Резерфордом (1871-1937), атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Такая система была неустойчивой: вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов должны были упасть на ядро. Но опыт показывает, что атомы являются весьма устойчивыми образованиями и для их разрушения требуются огромные силы.

В связи с этим прежняя модель строения атома была усовершенствована датским физиком Нильсом Бором (1885-1962), который предположил, что при вращении по так называемым стационарным орбитам электроны не излучают энергию. Такая энергия излучается или поглощается в виде кванта, или порции энергии, только при переходе электрона с одной орбиты на другую.

И как следствие, изменились взгляды на энергию. Если раньше предполагалось, что энергия излучается непрерывно, то эксперименты убедили физиков, что она может испускаться отдельными квантами. Например, явление фотоэффекта, когда кванты энергии видимого света вызывают электрический ток. Это явление, используется в фотоэкспонометрах, которыми пользуются в фотографии для определения выдержки при экспозиции.

В 1930-е годы было сделано другое открытие, которое показало, что элементарные частицы вещества (электроны) обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Это явление получило название дуализма волны и частицы − представление, которое никак не укладывалось в рамки здравого смысла. До этого физики считали, что вещество, состоящее из разнообразных материальных частиц, может обладать лишь корпускулярными свойствами, а энергия поля − волновыми свойствами. Соединение в одном объекте корпускулярных и волновых свойств исключалось. Но под давлением неопровержимых экспериментальных результатов ученые признали факт, что микрочастицы одновременно обладают свойствами корпускул и волн.

В 1925-1927 гг. для объяснения процессов, происходящих в мире мельчайших частиц материи − микромире, была создана новая волновая, или квантовая механика. Последнее название и утвердилось за новой наукой. Впоследствии возникли и другие квантовые теории: квантовая электродинамика, теория элементарных частиц и др.

Другая фундаментальная теория современной физики − теория относительности, в корне изменившая научные представления о пространстве и времени. В специальной теории относительности получил дальнейшее применение установленный еще Галилеем принцип относительности в механическом движении: во всех инерциальных системах, т.е. системах отсчета, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, все механические процессы происходят одинаковым образом, и поэтому их законы имеют ковариантную, или ту же самую математическую форму. Наблюдатели в таких системах не заметят никакой разницы в протекании механических явлений.

Теория относительности впервые показала, что все движения, в природе, имеют относительный характер. Таким образом, в природе не существует никакой абсолютной системы отсчета и, следовательно, абсолютного движения, которые допускала ньютоновская механика. Еще более радикальные изменения в учении о пространстве и времени произошли в связи с созданием общей теории относительности, которую нередко называют новой теорией тяготения, принципиально отличной от классической ньютоновской теории.

Эта теория впервые четко установила связь между свойствами движущихся материальных тел и их пространственно-временной метрикой. Теоретические выводы из нее были экспериментально подтверждены во время наблюдения солнечного затмения. Согласно предсказаниям теории, луч света, идущий от далекой звезды и проходящий вблизи Солнца, должен отклониться от своего прямолинейного пути и искривиться, что и было подтверждено наблюдениями. Общая теория относительности показала глубокую связь между движением материальных тел, а именно тяготеющих масс и структурой физического пространства − времени.

Научно-техническая революция, развернувшаяся в последние десятилетия, внесла много нового в наши представления о естественно-научной картине мира.

Возникновение системного, подхода позволило взглянуть на окружающий нас мир как единое, целостное образование, состоящее из огромного множества взаимодействующих друг с другом систем.

С другой стороны, появление такого междисциплинарного направления исследований, как синергетика, или учение о самоорганизации, дало возможность, не только раскрыть внутренние механизмы всех эволюционных процессов, которые происходят в природе, но и представить весь мир как мир самоорганизующихся процессов. Заслуга синергетики состоит в том, что она впервые показала, что процессы самоорганизации могут происходить в простейших системах неорганической природы, если для этого имеются определенные условия (открытость системы и ее неравновесность, достаточное удаление от точки равновесия и некоторые другие).

Чем сложнее система, тем более высокий уровень имеют в них процессы самоорганизации. Так, уже на предбиологическом уровне возникают автопоэтические процессы (самообновления), которые в живых системах выступают в виде взаимосвязанных процессов ассимиляции и диссимиляции. Главное достижение синергетики и возникшей на ее основе новой концепции самоорганизации состоит в том, что они помогают взглянуть на природу как на мир, находящийся в процессе непрестанной эволюции и развития.

В каком отношении синергетический подход находится к общесистемному?

Прежде всего подчеркнем, что два этих подхода не исключают, а предполагают и дополняют друг друга. Синергетический подход ориентируется на исследование процессов изменения и развития систем. Он изучает процессы возникновения и формирования новых систем в процессе самоорганизации. Чем сложнее протекают эти процессы, тем выше находятся такие системы на эволюционной лестнице. Таким образом, эволюция систем напрямую связана с механизмами самоорганизации. Синергетика же выявляет и формулирует общие принципы самоорганизации любых систем и в этом отношении она аналогична системному методу, который рассматривает общие принципы функционирования, развития и строения любых систем. В целом же системный подход имеет более общий и широкий характер, поскольку наряду с динамическими, развивающимися системами рассматривает также системы статические.

Эти новые мировоззренческие подходы к исследованию естественно-научной картины мира оказали значительное влияние на характер познания в отраслях естествознания, так и на понимание природы научных революций в естествознании. А ведь именно с революционными преобразованиями в естествознании связано изменение представлений о картине природы.

В наибольшей мере изменения в характере познания коснулись биологических наук. Переход от клеточного уровня исследования к молекулярному ознаменовался крупнейшими открытиями в биологии, связанными с расшифровкой генетического кода, пересмотром прежних взглядов на эволюцию живых организмов, уточнением старых и появлением новых гипотез происхождения жизни и др. Такой переход стал возможен в результате взаимодействия естественных наук, широкого использования в биологии точных методов физики, химии, информатики и вычислительной техники.

В свою очередь живые системы послужили для химии той природной лабораторией, опыт которой ученые стремились воплотить в своих исследованиях по синтезу сложных соединений. В не меньшей степени учения и принципы биологии оказали свое воздействие на физику. Действительно, представление о закрытых системах и их эволюции в сторону беспорядка и разрушения находилось в явном противоречии с эволюционной теорией Дарвина, которая доказывала, что в живой природе происходят возникновение новых видов растений и животных, их совершенствование и адаптация к окружающей среде. Это противоречие было разрешено благодаря возникновению неравновесной термодинамики, опирающейся на новые фундаментальные понятия открытых систем и принцип необратимости.

Выдвижение на передний край естествознания биологических проблем, а также особая специфика живых систем дали повод целому ряду ученых заявить о смене лидера современного естествознания. Если раньше таким лидером считалась физика, то теперь в таком качестве все больше выступает биология. Основой устройства окружающего мира теперь признается не механизм и машина, а живой организм. Однако многочисленные противники такого взгляда не без основания заявляют, что поскольку живой организм состоит из тех же молекул, атомов, элементарных частиц и кварков, то по-прежнему лидером естествознания должна оставаться физика. Биология второй половины XX столетия может рассматриваться как лидер современного естествознания, ибо именно в ее рамках были сделаны наиболее революционные открытия.

Революционные преобразования в естествознании означают коренные, качественные изменения в концептуальном содержании его теорий, учений и научных дисциплин. Развитие науки отнюдь не сводится к простому накоплению и даже обобщению фактов, т. е. к тому, что называют кумулятивным процессом. Факты всегда стремятся объяснить с помощью гипотез и теорий. Среди них в каждый определенный период выдвигается наиболее общая или фундаментальная теория, которая служит парадигмой, или образцом для объяснения фактов известных и предсказания фактов неизвестных.

Такой парадигмой в свое время служила теория движения земных и небесных тел, построенная Ньютоном, поскольку на нее опирались все ученые, изучавшие конкретные механические процессы. Точно так же все исследователи, изучавшие электрические, магнитные, оптические и радиоволновые процессы, основывались на парадигме электромагнитной теории Д.К. Максвелла.

Понятие парадигмы, которое ввел американский ученый Томас Кун (1922-1996) для анализа научных революций, подчеркивает важную их особенность-смену прежней парадигмы новой, предполагает переход к более общей и глубокой теории исследуемых процессов.

Вопросы контроля знаний и к семинару 4.

1. Что представляет собой картина мира?

2. Какая теория лежит в основе механистической картины мира?

3. Что нового вносит механистическая картина в понимание и объяснение природы?

4. В чем состоят преимущества и недостатки механистической картины мира?

5. Какая связь существует между механицизмом и метафизическим способом мышления?

6. Какой новый вклад в картину мира вносит электромагнитная теория?

7. В чем состоят особенности революции естествознания в конце XIX - начале XX вв.?

8. В чем изменились взгляды на природу в связи с исследованием процессов в микромире?

9. Как изменились научные представления о мире после возникновения научно-технической революции?

10. В чем заключается системный взгляд на мир?

11. Что называют парадигмой в науке?

Литература

1. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. − М., 1996. Гл.2. − С.53-73.

2. Диалектический материализм и естественно-научная картина мира. − Киев, 1975. Гл.1. − С.5-86.

3. Философские вопросы естествознания. − М.: МГУ, 1985. − С.21-36, 319-331.

4. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. − М.: Прогресс, 1986. С.69-126.

5. Кун Т. Структура научных революций. − М.: Прогресс, 1975.

6. Дышлевый П.С., Яценко Л.В. Что такое общая картина мира? − М., 1984.

7. Философский энциклопедический словарь. − М.: 1989. − С.396-397.

Лекция 5.

«Концепция относительности пространства и времени»

Введение

В механистической картине мира понятия пространства и времени рассматривались вне связи движущейся материи. Пространство в ней выступает в виде своеобразного вместилища для движущихся тел и не учитывает реальные изменения, происходящие с ними, и поэтому выступает просто как параметр, знак которого можно менять на обратный. Иными словами, в механике рассматриваются лишь обратимые процессы, что упрощает действительность.

Другой недостаток этой картины состоит в том, что в ней пространство и время как формы существования материи изучаются отдельно и обособленно, вследствие чего их связь остается не выявленной. Поэтому начнем с теории пространства − времени в том виде, как она представлена в современной физике. Предварительно, напомним положения классической механики Галилея

Впервые принцип относительности был установлен Галилеем, но окончательную формулировку получил в механике Ньютона. Для его понимания нам потребуется ввести понятие системы отсчета, или координат. Как известно, положение движущегося тела в каждый момент времени определяется по отношению к некоторому другому телу, которое называется системой отсчета. С этим телом связана соответствующая система координат, например, привычная нам декартова система. На плоскости движение тела или материальной точки определяется двумя координатами: абсциссой х, показывающей расстояние точки от начала координат по горизонтальной оси, и ординатой у, измеряющей расстояние точки от начала координат по вертикальной оси. В пространстве к этим координатам добавляется третья координата z.

Среди систем отсчета особо выделяют инерциальные системы, которые находятся друг относительно друга либо в покое, либо в равномерном и прямолинейном движении. Особая роль инерциальных систем заключается в том, что для них выполняется принцип относительности.

Принцип относительности означает, что во всех инерциальных системах все механические процессы происходят одинаковым образом.

В таких системах законы движения тел выражаются той же самой математической формой, или, как принято говорить в науке, они являются ковариантными. Действительно, два разных наблюдателя, находящихся в инерциальных системах, не заметят в них никаких изменений.