2. ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА
1. Представить естественнонаучную картину мира как совокупность взаимосвязанных частнонаучных картин - физики , химии , биоло - гии и др .
2. Познакомить с некоторыми основополагающими принципами естествознания .
3. Отработать понятия : материя , пространство , время , отражение , вещество , поле , заряд , энергия , энтропия и др .
1. Составляющие естественнонаучной картины мира
2. Фундаментальные понятия естествознания
∙ Материя и формы ее существования : вещество и поле
∙ Атрибуты материи : отражение и движение
∙ Пространство и время
3. Основополагающие принципы естествознания
∙ Основополагающие принципы естествознания
∙ Фундаментальные законы природы
2.1.1 СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА
Естественнонаучная картина мира ( ЕНКМ ) является всего лишь частью научной картины мира . Она позволяет более или менее непротиворечиво описать свойства материального мира . В процессе дифференциации и систе - матизации естественных наук были выработаны общие идеи и принципы , от - ражающие закономерности развития той стороны природы , которую изучает отдельная естественнонаучная дисциплина .
Естественнонаучная картина мира
Рис .3 Естественнонаучная картина мира
Сформировалась определенная система понятий , специфический язык , методы исследования , были построены научные теории , на базе которых соз -
даны частнонаучные картины мира - физическая , химическая , биологическая , космологическая , геологическая , экологическая и др . ( рис .3)
ЕНКМ - это определенная система научных знаний и представлений о мире , познавательных моделей и методов , которые сформировались на том или ином этапе культурно - исторического развития общества .
Сравнительно продолжительное время ЕНКМ остается неизменной , но открытие новых фактов и закономерностей , появление новых методов иссле - дования , расширение понятийного аппарата , углубление и расширение сферы познания существенно изменяет ее . Как показывает социально - культурная практика , каждый новый этап развития ЕНКМ начинается со смены физиче - ских представлений . Именно они создают предпосылки для появления нового в других областях познания , позволяют дать более глубокое и полное описа - ние накопленных ими эмпирических фактов . Те глубокие диалектические связи , которые вскрывает и обосновывает физика в дальнейшем получают отражение в других науках и философии . Например , только благодаря дос -
тижениям физики стало возможным теоретически обосновать периодический закон химических элементов , открыть строение молекулы ДНК , поставить на более высокий уровень исследования в геологии и метеорологии , развивать космонавтику и . т . д . Вместе с тем , даже в рамках отдельной науки одновре - менно сосуществует множество научных концепций , теорий и картин .
Как правило , смена ЕНКМ происходит на фоне глубоких социальных преобразований общества . С одной стороны потребности общества мотиви - руют развитие естественных наук , а с другой - развивающееся естествознание
создает условия для перехода общества на более высокий уровень развития социальной жизни , который в свою очередь обеспечивает развитие экспери - ментальной базы науки и подготавливает ее к переходу на новую ступень . В единой и непрерывной цепи эволюции общества их взаимное влияние высту - пает как благоприятный фактор , роль которого в эволюции научного позна - ния трудно переоценить .
Исторически самым первым началось построение физической картины мира . И это было закономерно . Физика как основа научно - технического про - гресса была востребована обществом значительно раньше других естествен - ных наук . С XYII по ХХ век она занимала лидирующую позицию и последо - вательно прошла через этапы становления механической , тепловой , электро - магнитной и квантово - релятивистской картин мира . Другие естественные науки только в XX веке смогли поставить перед собой задачу построения на - учной картины . Поэтому в методологии науки наиболее детально изучены закономерности процесса смены физических картин мира ( ФКМ ). Хотя место
лидера в естествознании физика сегодня передает синтетической химии и молекулярной биологии .
Смена научных картин влечет за собой и изменение представлений о на - учной рациональности . Выделение естественных наук в самостоятельную об - ласть , бурное их развитие накануне промышленной революции XYIII века и
становление техносферы способствовали формированию классического рационализма. Классический рационализм - это относительно устойчивая со -
вокупность правил , норм , стандартов , алгоритмов и эталонов материальной и духовной деятельности , базирующихся на жестких логических и причинно - следственных связях и отношениях . Категория истины в этом подходе един - ственна и однозначна , ее относительность обусловлена лишь динамикой раз - вития самой науки , сменой аксиоматического аппарата , теоретических моде - лей и картин мира . Исследователь в этой системе является как бы наблюда - телем со стороны , от него ничто не зависит . Он выделяет исследуемый объ - ект , отсекая , на его взгляд , « несущественные » связи объекта с окружающим миром и самим исследователем , строит такое его « усеченное » подобие в сво - ем воображении и изучает его внутреннюю структуру . Эти представления
были заложены в фундамент классического детерминизма в виде учения о жесткой причинной обусловленности всех явлений , в основе которой лежат линейность и однозначность . Классический тип научной рациональности , сформированный в условиях механической картины мира , базируется на иде - ях механики И . Ньютона .
В наиболее ярком виде научный рационализм и классический детерми - низм проявились в осмыслении законов механики и стали основой механи - цизма , который в XYIII веке проник во все сферы жизни общества , стал ми - ровоззрением эпохи и почти триста лет господствовал в умах человечества . Классический рационализм , как образец мышления , и все его проявления , несмотря на успехи естественных и технических наук , с самого начала под - вергались жесткой критике и в теории познания , и в философии . В процессе развития науки представления о научной рациональности видоизменялись , появлялись новые течения , пытавшиеся выявить новые качества рационализ - ма , обосновать его важнейшие признаки , увязать их с природой мышления человека .
В конце XIX века классическая физика оказалась в состоянии кризиса , суть которого заключалась в том , что классическая наука не смогла обосно - вать и построить непротиворечивую теорию таких явлений , как излучение нагретых тел , фотоэффект , радиоактивный распад и другие . Его исходом ста - ло рождение квантово - релятивистской картины мира , разработанной в трудах А . Эйнштейна , М . Планка , Н . Бора и др . в начале ХХ в . Она стала основой тео - рии строения вещества и ядерной энергетики , космологии и космонавтики , стимулировала развитие молекулярной биологии и генетики . Именно ее кон - цепции стали основой неклассического типа научной рациональности . В нем познающий субъект и познаваемый объект представляются как единая систе - ма , при этом результаты исследования зависят и от исследователя , и от ха - рактера используемых средств , и совершаемых операций . Происходят прин - ципиальные изменения взглядов на причинно - следственные отношения . Бла - годаря исследованиям в квантовой механике обосновывается их вероятност - ный характер . Этот тип рациональности лежит в основе неклассической нау - ки . К ним относятся такие разделы физики как теория относительности и квантовая механика .
Однако неклассическая физика , несмотря на колоссальные открытия , на пороге XXI века оказалась в состоянии кризиса , связанного с пределом
делимости материи и поиском первокирпичиков Мироздания ( атомы , эле - ментарные частицы , кварки ) и пределами познаваемости мира . Сегодня в науке вызревает новый подход , связанный с переходом от изучения строения объектов к изучению их взаимосвязей и взаимодействий , ибо различные формы собираются не только из частей , но и из их отношений . Истоки его лежат в идеях синергетики .
Становление новых познавательных моделей в ХХ веке , главным обра - зом квантово - релятивистской и синергетической , привело к переосмыслению идей и постулатов классического рационализма , и прежде всего , пониманию неоднозначности , многовариантности , нелинейности и стохастичности разви - тия мира и всех его подсистем .
Современная синергетическая картина мира основывается на идеях универсального эволюционизма и рисует мир как иерархию взаимосвязанных развивающихся систем . В рамках этой картины , возможно , описать механиз - мы развития природных , социальных , культурных , научных , абстрактных и других систем , исходя из единых позиций . Ее идеи составляют базис пост-
Новые понятия и термины: классический , неклассический , постне - классический .
- естественнонаучная картина мира как система научных знаний и пред - ставлений о мире , познавательных моделей и методов , которые сформи - ровались на том или ином этапе культурно - исторического развития об - щества ;
- физическая картина мира как базис ЕНКМ ;
- эволюция ФКМ и ее влияние на другие области естествознания .
2.1.2 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
В процессе развития естествознания и взаимодействия его с философией
и иными областями познания сложился ряд понятий , которые считаются фундаментальными : материя , отражение , взаимодействие , движение , про - странство , время и другие .
1. Материя и формы ее существования: вещество и поле
В рамках современных научных представлений материя ( лат . materia),
есть основа всего множества существующих в мире объектов и систем , всех их свойств , связей и форм . Через нее проявляется родство всего сущего . В философии - это одна из основополагающих категорий , которая используется для обозначения « объективной реальности , которая . отображается нашими ощущениями , существует независимо от них » ( В . Ленин )
Материя - это объективная реальность , данная нам в ощущениях и существующая независимо от нашего сознания .
Важнейшими свойствами материи , которые появились на определен - ном этапе ее эволюции и которые проявляется лишь у самой высокооргани - зованной ее части - человека являются разум и сознание . На протяжении все -
го культурно - исторического развития не утихают споры о том , что первично : материя или сознание . Наука считает первичной материю , как первопричину всего суще c твующего .
Материя пребывает в виде прерывных ( вещества ) и непрерывных ( полей разной природы ) объектов . Из вещества сложены все тела природы . Оно представляет совокупность дискретных ( лат . discretus - разделенный , преры - вистый ) образований , сосредоточенных в определенной области пространст - ва . Их элементарными структурными единицами являются атомы и молеку - лы , которые представляют системы взаимодействующих электронов , прото - нов , нейтронов и других элементарных частиц .
Современной наукой достаточно хорошо изучены три агрегатных со - стояния ( фазы ) вещества - твердое , жидкое и газообразное . При определен - ных условиях ( температура , давление , напряженность электрического поля ) одно состояние может переходить в другое . В результате фазового перехода изменяются механические , тепловые , электрические , магнитные , оптические и другие свойства вещества . Это связано с изменением характера взаимодей - ствия и движения атомов , молекул и других частиц , из которых состоит ве - щество . Особое состояние вещества представляет плазма - ионизованный газ , в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны . В плазменном состоянии находится бо ′ льшая часть вещества Вселенной ( звез - ды , туманности , межзвездная среда ).
Сами тела или их части являются источником фундаментальных полей - непрерывных и безграничных объектов , которые пронизывают все про - странство Вселенной и способны воздействовать на другие , идентичные им объекты ( или передавать взаимодействие тел на расстоянии ). Слово « поле » широко используется в разных отраслях знаний и понимается как совокуп - ность точек реального или воображаемого пространства , объединенных в це - лое на основе какого - либо их общего свойства . Например , поле рациональ - ных чисел в математике , семантические поля в языке , поля температур , де - формаций , скоростей - в физике . К фундаментальным физическим полям , проявляющимся в той или иной степени во всех явлениях и процессах приро - ды , относят гравитационное , электромагнитное , сильное ( ядерное ) и слабое ( распадное ).
Наличие поля связывают со свойством материи , которое называют заряд . Каждый носитель материи в общем случае является обладателем ( источ - ником ) нескольких типов зарядов . В качестве таковых выступают хорошо из - вестные из школьного курса физики масса и электрический заряд . Масса яв - ляется эквивалентом ( лат . aequivalens - равноценный ) гравитационного заря - да . С одной стороны она проявляется в способности тел создавать вокруг се - бя гравитационное поле и через него воздействовать на другие тела , притяги - вать их к себе , а с другой - проявляется в инерции - стремлении тел сохранять свое состояние . Электрический заряд создает вокруг себя электромагнитное поле и через него взаимодействует с другими электрическими зарядами , при - тягивая или отталкивая их в зависимости от знака последних . Каждый из ви - дов заряда является источником соответствующего поля . Но при этом взаи -
модействуют между собой только однотипные заряды . Поля имеют волновую природу . Их носителями являются элементарные кванты энергии и соответ - ствующие им элементарные частицы . Само взаимодействие материальных объектов представляет собой процесс обмена элементарными квантами .
Гравитационное поле является определяющим во всех явлениях мегами - ра . Его носителем является гравитон ( который ввиду его малости и несовер - шенства измерительной аппаратуры пока не удалось обнаружить ). Благодаря гравитации Вселенная , галактики , планетарные системы существуют как единое целое , планеты Солнечной системы удерживаются на своих орбитах , воздушная оболочка Земли сосредотачивается вблизи ее поверхности . Грави - тационное сжатие звезд обеспечивает повышение температуры их поверхно - сти до нескольких тысяч градусов и выше . При таких температурах активно протекают термоядерные реакции , благодаря которым в околозвездное про - странство поступают огромные потоки энергии .
Электромагнитное поле является определяющим в молекулярных и атомных системах , обеспечивая их целостность , химические и физические свойства . Это поле является основным переносчиком энергии и информации в мега - и макромире . Его носителем является фотон . Сильное поле удержива - ет нуклоны в ядрах атомов и обеспечивает целостность этих систем , а также протекание сильных внутриядерных процессов , которые могут сопровож - даться выделением огромных энергий . Слабые поля проявляются на микро - уровне при протекании таких слабых процессов , как β- распад . Их носителя - ми являются глюоны , которые в свободном виде пока не удалось обнаружить ,
однако есть косвенные доказательства их существования на промежуточных стадиях превращения тяжелых элементарных частиц .
Деление материи на вещество и поле чрезвычайно важно . Это помогает
при изучении одной из форм абстрагироваться от другой и более детально изучить их свойства по отдельности . Но это деление весьма условно , особен - но , если это касается мира элементарных частиц , где наиболее ярко проявля - ется их взаимопревращаемость , а разделение вещества и поля вообще теряет смысл . Кроме того , во всем пространстве существования материи на долю поля приходится гораздо больший объем , чем на собственно вещество . Сего - дня ученые выдвигают гипотезу о существовании физического ( или динами - ческого ) вакуума - как некой праматерии , в которой вещество и поле состав - ляют единство , из которого рождаются как частицы , так и поля .
2. Атрибуты материи: отражение и движение
Важнейшим свойством материи является отражение . Это ее атрибут ( лат . atributio - придаю , наделяю ) неотъемлемое и всеобщее свойство .
Отражение проявляется в способности материальных явлений , пред - метов и систем взаимодействовать друг с другом , каким - то образом проявлять себя по отношению к другим , вступать с ними в определен - ные отношения , воспроизводить в себе особенности объектов , с кото - рыми осуществляется взаимодействие и сохранять их « следы ».
Объекты разной структурной организации по - разному отражают явления окружающего мира . Неживым объектам присуще простое отражение . Напри -
мер , при столкновении пластилиновых шариков происходит их деформация , исследуя которую можно сделать вывод о параметрах ( греч . parametron - от - меривающий ) столкновения . Живые объекты обладают « опережающим » от - ражением , то есть способны запоминать следы былых взаимодействий и при
аналогично складывающихся обстоятельствах как бы заранее готовится к ожидаемым воздействиям и адаптироваться ( лат . adaptatio - приспособле - ние ) к ним . Например , деревья и животные заранее готовятся к холодному времени года . В мышлении человека опережающее отражение проявляется в способности моделировать ситуацию , прогнозировать возможные ее исходы
и принимать оптимальные решения .
В окружающем мире все взаимодействует со всем . Классическая наука акцентирует внимание на двух механизмах взаимодействия : дальнодействие , которое осуществляется мгновенно посредством некой упругой среды - эфи - ра между удаленными телами ( Ньютон ); близкодействие , которое передается полем от точки к точке , непрерывно , с конечной скоростью ( Фарадей ).
Современной науке известно четыре типа фундаментальных взаимодей - ствий : сильное , электромагнитное , слабое и гравитационное . Для двух прото -
нов в ядре атома интенсивности этих взаимодействий относятся соответст -
венно как : 1: 10 -2 : 10 -10 : 10 -38 .
Сила гравитационного взаимодействия определяется законом всемирно - го тяготения . Оно является универсальным , ему подвержены все без исклю - чения тела природы , в том числе и микрочастицы . Но , так как последние имеют ничтожно малые массы , гравитационные взаимодействия в микромире существенной роли не играют . Несмотря на то , что это взаимодействие изу - чается давно , до сих пор нет однозначного ответа на вопрос , какова природа гравитации ? Каков « передаточный » механизм тяготения .
Электромагнитное взаимодействие описывают закон Кулона , закон взаимодействия токов , закон электромагнитной индукции . В электромагнит - ных взаимодействиях участвуют все объекты , имеющие электрический заряд . Переносчиком этих взаимодействий являются фотоны - кванты электромаг - нитного поля . Это взаимодействие в 10 36 раз мощнее гравитационных и в явлениях микромира уже играет существенную роль . Радиус действия как гравитационных так и электромагнитных взаимодействий бесконечно боль - шой , силы взаимодействия обратнопропорциональны квадратам расстояний между взаимодействующими объектами .
Сильное или ядерное взаимодействие обуславливает связь нуклонов в ядре . Это взаимодействие короткоживущее , проявляется на расстояниях 10 -15 м . Энергия его в 137 раз больше энергии кулоновского взаимодействия .
В слабом или распадном взаимодействии участвуют все элементарные частицы кроме фотонов . Радиус действия слабых взаимодействий - 10 -18 м .
Взаимодействие - это процесс взаимного влияния объектов или систем друг на друга путем передачи ( переноса ) вещества , энергии и информации , это то , что заставляет мир и отдельные его объекты изменяться, обуславли - вает взаимосвязь процессов и явлений , определяет существование и струк - турную организацию любой материальной системы , выступает как объектив -
ная и универсальная причина движения материи . Количественной мерой
взаимодействия является сила.
Окружающий нас мир динамичен , в нем нет ничего неизменного . Вся - кий раз во всем мы замечаем что - то новое - неповторимо каждое мгновение нашей жизни , нельзя вернуться в прошлое и точно также повторить свой жизненный путь . Все необратимо . Любое изменение - перемещение ли тел в пространстве , изменение ли внутренней структуры систем , рост или развитие организмов и есть движение . Оно , как и отражение , - атрибут материи . Дви - жение абсолютно ( лат . absolutus- неограниченный , существующий всегда ) и
вечно , покой относителен .
И в то же время в изменяющемся мире наряду с появлением нового по - вторяется что - то старое . В этом большом круговороте событий небесные све - тила периодически занимают отведенные им на небосводе места , чередуются времена года , из года в год весной все живое просыпается от зимней спячки , каждый день , по известному распорядку , восходит и заходит Солнце , на сме - ну ночи приходит день , на смену отмершим деревьям вырастают молодые , дети заменяют своих родителей . Но это постоянство относительно , оно явля - ется лишь частью или каким - то этапом изменения .
Но что движет миром ? Должны же быть причины этих изменений . Что заставляет Землю вращаться вокруг своей оси , планеты - вокруг Солнца , про - текать химические реакции , расти кристаллы или организмы ? - Это энергия ( греч . е nergeia- действие , деятельность ). Источник ее сама материя . Она явля - ется свойством материи , отражает степень воздействия одних тел на другие и проявляется в их способности совершать работу. Переданная телу энергия ,
совершаемая над ним работа или приложенная к нему сила определяют такие важные показатели движения как ускорение и скорость .
Взаимодействие и движение обуславливают изменчивость мира , его подвижность и процессуальность . ( лат . processus- продвижение ).
Следует выделить еще два понятия , которые мы будем использовать в дальнейшем - энтропия и информация .
Исследуя поведение термодинамических систем немецкий физик , один из основателей термодинамики и молекулярно - кинетической теории Р . Клаузиус (1822-1888) для описания протекающих в них процессов ввел специальную функцию , характеризующую состояние системы , и назвал ее энтропией (S) ( греч . entropia- поворот , превращение ). Она является мерой беспорядка в системе . Энтропия всегда положительная величина / Иногда ис - пользуют термин негэнтропия - энтропия , взятая со знаком минус ; она отра - жает степень упорядоченности системы .
Информация в обыденном смысле - это совокупность сведений о чем - либо . Но как оказалось , информация - это всеобщее свойство материи , за -
ключающееся в способности материальных объектов сохранять следы былых взаимодействий . Информация проявляется через отражение и может быть оценена количественно .
К числу фундаментальных свойств материального мира относятся его структурность ( лат . structura - строение , расположение , порядок ) и сис-
темность. Структурность мира проявляется в существовании бесконечного множества иерархических взаимосвязанных систем , начиная от элементарных частиц и заканчивая Вселенной .
3. Пространство и время
Все процессы и события - исторические , геологические , физические , хи - мические , биологические , социальные - протекают в пространстве и времени .
Материя не существует вне пространства и вне времени .
Без пространственных представлений невозможны ориентация и любой вид деятельности . Развитие техники , архитектуры ; воплощение инженерной мысли идет через ее пространственное представление - чертеж . С понятием пространства связаны наши представления о протяженности объектов . Его мы ощущаем как непрерывную совокупность точек - континуум ( лат . continuum - непрерывное ). Пространство трехмерно. Трехмерная система коорди - нат и связанная с ней система отсчета была введена французским математи - ком , физиком и философом Р . Декартом (1596-1650), которому современная наука обязана представлением о переменной величине и функции , формули - ровкой закона сохранения количества движения . Свойства пространства во всех направлениях одинаковы , оно изотропно . При параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел ее физические свойства и законы дви - жения не зависят от выбора начала координат системы отсчета , пространство
Пространство , заряд и взаимодействие - глубоко взаимосвязанные
Эта взаимосвязь отражается в математических выражениях фундамен - тальных законов природы - всемирного тяготения , взаимодействия электри - ческих зарядов и токов :
F (m 1 m 2 )/ r 2 , F (q 1 q 2 )/ r 2 , F I 1 I 2 / r 2
Все их отличие лишь в том , что в одном случае в формуле стоят массы взаимодействующих тел , а в другом - электрические заряды или токи .
То , что характеризует длительность событий называют временем . Время не изучает никакая специальная наука , оно всего лишь один из объектов изу - чения физики . Его невозможно увидеть , но мы его чувствуем по ритмам при - роды ( смена времен года , дня и ночи ), связанным с движением небесных тел в пространстве , по своим собственным ритмам ( ритмы в работе наших орга - нов - сердца , мозга , отдельной клетки ), созвучным природным . Если про - странство можно обозревать полностью и любоваться им по частям , то время мы ощущаем отдельными мгновениями . Если в пространстве мы можем пе - ремещаться в разных направлениях , то во времени это сделать невозможно -
мы не можем совершить путешествие в будущее или прошлое и вернуться обратно в настоящий момент ( если только не пофантазировать , не обратиться к историческому трактату , кинофильму , литературному произведению ).
Время однородно , однонаправленно и необратимо .
Его однонаправленность и необратимость наглядно иллюстрируется хо - дом культурно - исторического развития цивилизации . Еще античные мысли -