Тип 3. Естествознание и глобальные проблемы цивилизации

Тип 2. Проблемы естествознания, поставленные развитием техники и технологии.

Многие фундаментальные исследования в современном естествознании стимулированы очевидной перспективностью будущего практического использования ожидаемых результатов:

· исследования, посвященные различным вопросам физики лазеров (квантовой электроники), физики высоких температур, явлению сверхпроводимости и др.;

· потребность в новых материалах привела к развитию фундаментальных научных направлений в химии – химии катализа;

· практическая ценность методов, позволяющих создавать в короткие сроки новые модификации микроорганизмов, пород животных, сортов растений, обусловила ряд исследований в области генетики и генной инженерии.

Свидетельство нового характера взаимосвязи техники и естествознания – поддержка крупными производителями не только прикладных разработок, но и фундаментальных научных исследований. «Заказ» науке со стороны ВПК ведущих держав мира – таким образом были инициированы исследования научно-технических проблем ядерной физики, возникновение и развитие радиационной биологии, разработка химических основ технологий создания принципиально новых материалов и другие.

Из существующих или появляющихся глобальных проблем вытекают важные научные проблемы и задачи, в том числе в области естественных наук.

1. Глобальная энергетическая проблема – перспектива энергетического голода. Задачи перед естественными науками:

· науки о Земле – прогнозирование, поиск, оценка малодоступных пока резервов полезных ископаемых;

· физика – разработка принципов эффективного использования возобновляемых источников энергии (солнце, ветер, гидротермальные источники); разработка эффективных и надежных ядерных реакторов; поиск альтернативных источников энергии (например, овладение практически неисчерпаемым источником энергии – управление реакцией термоядерного синтеза).

2. Проблема общепланетарного потепления:

· придает актуальность исследованиям в области метеорологии и других наук о Земле с целью подтверждения или опровержения существования проблемы, ее техногенного происхождения; исследованиям закономерностей и темпов изменения климата;

· в области экологии становится актуальной проблема построения крупномасштабных эколого-математических моделей, прогнозирующих последствия климатических изменений.

3. Проблема «озоновых дыр»:

· в последние 20 лет распространилось представление о катастрофическом обеднении так называемого озонового слоя на высоте 20-25 км от поверхности Земли;

· озоновый слой – «зонтик», защищающий земную поверхность от жесткого УФ-излучения (радиационная опасность для живых организмов);

· пока нет однозначных данных ни об устойчивом характере обеднения озонового слоя, ни о техногенной природе такого обеднения.

Перед естественными науками (химией, физикой ионосферы, географией, экологией) стоят задачи установления достоверности самой «озоновой» проблемы, техногенного ее происхождения и оценки возможных последствий.

Экономический аспект, связанный с финансовыми интересами крупных корпораций, производящих хлор- и фторсодержащие вещества, широко используемые в современной технике и являющиеся (по некоторым данным) разрушителями озона:

· эта проблема уже стала поводом для международного правового регулирования в области химических технологий - промышленно развитые страны подписали протокол об ограничении производства озон-разрушающих веществ (Монреальское соглашение);

· многие специалисты считают, что выполнение соглашения наносит ущерб российской экономике; не исключено, что сама «озоновая» проблема надумана и стала инструментом в недобросовестной конкурентной борьбе.

4. Проблема астероидной опасности - астероиды (малые планеты), орбиты которых проходят в опасной близости к орбите Земли – вероятность катастрофического столкновения:

· задачи для астрономии и других естественных наук - прогнозирование и оценка последствий возможного столкновения Земли с астероидом, корректировка траектории астероидов.

3.3. Гуманитарные и юридические проблемы, связанные с развитием естествознания и его приложений.

Масштабность современного естествознания, проникновение его приложений во все новые, порой деликатные сферы жизни общества обусловливают его способность создавать в обществе новые морально-этические ситуации, а вслед за этим – новые правовые коллизии.

Результаты некоторых исследований в области естествознания приводят к появлению проблем морально-этического свойства (ряд исследований в области физики, химии, биологии). По своему характеру эти проблемы непосредственно не входят в сферу естествознания, а являются гуманитарными и важны в общечеловеческом плане:

· в связи с разработками в области термоядерного взрыва велись дискуссии о целесообразности и допустимости продолжения таких исследований;

· аналогичные вопросы возникали в связи с исследованиями в области химии отравляющих веществ и бактериологического оружия;

· биологические и медицинские разработки, делающие реальностью зарождение и развитие человеческого организма «в пробирке».

Таким образом, некоторые исследования естественных наук могут иметь следствием разработку новых правовых документов, регламентирующих либо сами исследования, либо использование их результатов. Естествознание всегда оказывало косвенное влияние на юриспруденцию, в конце 20 века это влияние стало более заметным и непосредственным. В промышленно развитых странах действует целая система законодательных актов, регулирующих научные исследования и использование их результатов в биотехнологии и генной инженерии:

· законотворчество в области биологии и ее приложений обусловлено тем, что при создании новых модификаций живых организмов нельзя предсказать все отдаленные последствия генных экспериментов;

· разработана «Конвенция о биологическом разнообразии», в которой отмечается необходимость «безопасной передачи, использования и применения любых живых организмов, являющихся результатом биотехнологии и способных оказать неблагоприятное воздействие на сохранение и устойчивое использование биологического разнообразия».

В будущем можно ожидать появления крупномасштабных проблем философского, мировоззренческого, этического и юридического характера в связи с развитием естественнонаучной по своему происхождению концепции гармонизированной совместной эволюции биосферы и человеческой цивилизации (концепция ноосферы). Такие проблемы не получают быстрого решения и являются предметом осмысления многими поколениями ученых.

3.4. Общая структура взаимосвязей естествознания в техногенном обществе.

Мы рассмотрели:

· основные направления естествознания,

· специализацию естественных наук,

· роль естественных наук в техногенном обществе,

· тенденцию к интеграции двух культур,

· наличие междисциплинарных связей,

· роль трансдисциплинарных идей.

Все аспекты отображает схема:

В ней представлены отдельные естественные науки, в каждой из них можно выделить совокупность направлений (частных наук):

· в современной физике сложились направления, целью которых является изучение атомного ядра, твердого тела, плазмы и других объектов и явлений природы;

· специализация в каждой из наук к настоящему времени достигла высокой стадии;

· но различные направления и разделы науки не замкнуты – они взаимно обогащаются путем обмена информацией, методами работы, идеями; например, ядерное взаимодействие изучается в ядерной физике на уровне объяснения свойств и превращений отдельных атомных ядер; в космологии – оно же определяет эволюцию звезд, и данные ядерной физики используются при объяснении этой эволюции; астрономия без физики свелась бы к перечислению и классификации наблюдаемых фактов; физика без астрономии также оказалась бы намного беднее.

На схеме показаны междисциплинарные взаимосвязи и обозначено действие трансдисциплинарных идей и фундаментальных концепций. В определенной мере трансдисциплинарные идеи и концепции, истоком которых является естествознание, проявляются и в социогуманитарном знании:

· концепция моделирования природы вполне полезна для осмысления истории как области сосуществования различных моделей событий прошлого;

· эволюционно-синергетический подход позволяет глубоко проанализировать роль исторических личностей;

· методологический инструментарий, информация и отдельные частные идеи естествознания могут быть непосредственно использованы социально-гуманитарными науками; например, плодотворным оказалось привлечение географических данных в истории и этнографии.

На схеме показана взаимная связь естествознания с новейшей техникой и прогрессивными технологиями. Схема иллюстрирует наличие опосредованных связей естествознания с социогуманитарным знанием и областью социальных отношений в техногенном обществе, осуществляемых, например, через образование.

Таким образом, естествознание играет значимую цивилизационную роль в техногенном обществе.

Раздел II. Образ природы в классическом естествознании.

Тема 6. Фундаментальные модели и концепции классической физики.

План:

1. Идея экспериментальной достоверности и концепция измерения в классическом естествознании.

1.1. Экспериментальный характер естествознания.

1.2. Понятие измерения и его погрешности. Роль приборов.

1.3. Экстраполяция в естествознании и социогуманитарном знании.

1.4. Проблема интерпретации эксперимента.

2. Концепция моделирования объектов. Естествознание как искусство моделирования.

2.1. Моделирование. Типы моделирования.

2.2. Математическая модель как основа естественнонаучной теории.

2.3. Компьютерное моделирование природных и техногенных процессов.

2.4. Естественнонаучная картина мира как система моделей.

2.5. Концепции моделирования объектов и моделирования состояний.

2.6. Фундаментальные модели в естествознании.

3. Корпускулярная концепция. Модель частицы. Динамические закономерности в природе.

3.1. Частица и ее универсальные характеристики. Концепция контролируемого воздействия. Концепция Ньютона.

3.2. Модель механического процесса. Закономерности динамического типа. Классический детерминизм.

4. Континуальная концепция и модель континуума.

4.1. Возрождение континуальной концепции. Понятие силового поля.

4.2. Модель сплошной среды и модель поля.

4.3. Волны в сплошной среде. Периодические процессы в природе.

4.4. Физическое поле. Электромагнитные волны. Электромагнитная картина мира.

4.5. Волновые явления.

4.6. Концепции дальнодействия и близкодействия.

4.7. Двойственный характер классической физической картины мира.

5. Концепция единства пространственно-временных отношений в природе.

5.1. Эволюция представлений о пространстве и времени.

5.2. Свойства пространства и времени.

5.2.1. Трехмерность пространства.

5.2.2. Симметрия предметов.

5.2.3. Симметрия явлений.

5.3. Принципы симметрии и законы сохранения.

5.4. Концепция единого пространства-времени в теории относительности.

6. Теория относительности – вершина классического этапа в развитии естествознания.

1. Идея экспериментальной достоверности и концепция измерения в классическом естествознании.

1.1. Экспериментальный характер естествознания.

Для научного метода типично стремление количественно описать исследуемые объекты и процессы. Истоки идеи экспериментальной достоверности – окончательный отказ от умозрительного подхода к познанию мира провозглашен Ньютоном: «гипотез не измышляю». Первичную количественную информацию получают эмпирически (наблюдения и эксперимент).

Идея экспериментальной достоверности получила наиболее простое воплощение в классической физике:

· достоверность эмпирических данных подразумевает их соответствие объективной реальности

· в рамках КСП предполагается, что природные объекты и процессы характеризуются набором некоторых величин, всегда имеющих конкретные значения, которые подлежат определению в ходе наблюдений и экспериментов

Наблюдательный подход – основной в ряде естественных (астрономия, география, ботаника) и социальных (экономика, история социология) наук. При этом предполагается: в ходе наблюдения исследователь не воздействует на изучаемое явление или объект, а лишь получает информацию о них (абсолютная отстраненность наблюдателя от явления). Часто это допущение оправдано, но есть ситуации, когда исследователь меняет состояние объекта. Представление о полной независимости объекта и субъекта познания – классическая идеализация (в наибольшей мере относится к эксперименту).

Эксперимент – изучение явления при его воспроизведении в строго контролируемых условиях:

· экспериментатор не только воздействует на объект, но сам организует исследуемое явление

· цель эксперимента в естествознании – поиск функциональных взаимосвязеймежду величинами, характеризующими явление, и условиями его наблюдения; требуется предварительное теоретическое осмысление изучаемого явления

· в наблюдении точно сформулированной цели может и не быть, часто ее заменяет общая установка, весьма широко сформулированная задача исследования

· эксперимент должен обладать качеством воспроизводимости – по описанию эксперимента можно воспроизвести его столько раз, сколько будет необходимо для получения надежного (достоверного) эмпирического материала

· возможность многократно повторить эксперимент и свойство воспроизводимости резко ускоряют изучение природных процессов естественными науками за счет быстрого получения достоверной и достаточно полной информации

· принцип воспроизводимости эксперимента требует строгой контролируемости его условий:

ü но реальная контролируемость условий ограничена, абсолютная воспроизводимость явления недостижима, а представление о теоретической возможности таковой связано с классической интерпретацией идеи экспериментальной достоверности

ü с практической точки зрения важно, чтобы неопределенность в задании главных условий не повлияла заметным образом на состояние изучаемого объекта

Понятие эксперимента, верное представление о нем играет очень большую роль не только в естествознании. Эксперимент может выполняться не обязательно с целью получения информации научного характера, но и в практических целях:

· в сфере экономической деятельности

· в социальной сфере

· в юриспруденции – «следственный эксперимент»

· в исторической науке

Корректный эксперимент в социогуманитарных науках или в области социальной практики осуществить достаточно проблематично из-за большой сложности социальных явлений (множественность взаимосвязей, трудность их реального контролирования).

В любом случае главные требования к эксперименту – определенность цели и контролируемость условий – остаются неизменными. Только при соблюдении этого принципа эксперимент может служить базой для получения новой достоверной информации.

Большая часть множества заблуждений, которые присутствуют в псевдонаучных изысканиях и соприкасающихся с ними областях практической деятельности, обусловлена непониманием сути эксперимента и несоблюдением самых элементарных, предъявляемых естествознанием к строгости эксперимента, к методике проведения наблюдений.

1.2. Понятие измерения и его погрешности. Роль приборов.

Измерение – любая эмпирическая процедура получения количественных данных об объекте исследования:

· к измерениям, в принципе, можно отнести:

ü социологический опрос

ü датирование события, исследуемого исторической наукой

ü подведение экономических итогов деятельности предприятия

· выполняют методом сопоставления измеряемой величины с некоторой другой, неизменной, - эталоном

виды измерений	прямые	косвенные
получение данных	непосредственно в ходе наблюдения или эксперимента с использованием измерительных приборов и установок	путем расчетов, выполненных на основе результатов прямых измерений
пример	определение длины ребра куба	вычисление объема куба

· с помощью приборов определяют значение некоторой физической величины, т.к. действие всех реальных измерительных приборов основано на каком-либо физическом эффекте – в этом смысле физика является принципиальной основой измерительных методов естествознания и техники

· измерительный прибор – макроскопический объект, который служит посредником между явлением и органами чувств человека:

ü в случае исследований явления микромира существует проблема «деликатности» воздействия на исследуемый объект – решается в области неклассической физики

ü сходная проблема может возникать при использовании специфических «приборов» и средств наблюдения в исследовании социальных объектов

ü при исследованиях в области макромира правильно подобранный прибор чаще всего нейтрален по отношению к изучаемому объекту – создает идеальный канал «объект – прибор – исследователь», без искажений передающий информацию о наблюдаемом объекте – классическое понимание роли прибора в измерении

· приборный метод измерений:

ü уменьшает вероятность искаженного восприятия явления из-за несовершенства чувств человека

ü выполняет своеобразную стандартизирующую роль, делая результат измерения менее зависящим от субъективных качеств измеряющего

Рис. Оптическая иллюзия, связанная с несовершенством зрения человека.

Приборы расширяют познавательные возможности человека за пределы «зоны жизни»; с появлением новых приборов и измерительных методик с большими возможностями обычно не ставится под сомнение достоверность информации, полученной ранее с помощью не столь совершенных приборов – картина реальности становится лишь более полной.

В этом заключен еще один аспект идеи экспериментальной достоверности, он напрямую связан с проблемой адекватной интерпретации эмпирических данных:

· видимое движение Солнца по небосводу представляли как результат вращения Солнца вокруг Земли

· позже, приняв во внимание и другие не менее достоверные данные, интерпретировали всю их совокупность как следствие вращения Земли вокруг своей оси

Таким образом, надежность эмпирических данных, накапливаемых в естествознании, как правило, не подвергается сомнению, но ихобъяснение может изменяться и уточняться.

В развитых науках теоретическое осмысление действительности и процедуры получения эмпирической информации тесно взаимосвязаны друг с другом и стимулируют развитие друг друга. Однако первичным основа нием науки и решающим критерием истинноститеоретических представлений остается опыт.

Проблема оценки точности эмпирических данных, полученных в результате измерений:

· в процессе измерений всегда действует множество факторов, приводящих к искажению результата измерения; степень искажения характеризует погрешность измерения:

Систематические погрешности	Случайные погрешности
· вызваны неизменными, повторяющимися причинами · повторяются по величине и по знаку · если нельзя выявить и устранить фактор, вызывающий погрешность, то рассчитывают величину искажения и вносят в результат измерения поправку	· обусловлены действием непредсказуемых, неповторяющихся факторов · различны по величине и знаку · многократно повторяется одно и то же измерение и находится среднее значение измеряемой величины · чем больше число измерений, тем ближе результат усреднения к истинному значению измеряемой величины

Представление о наличии некоего «истинного» значения:

· вытекает из принципиальной возможности полного устранения неконтролируемых факторов

· характерно для КСП

· оправдано только в частном случае.

· в общем случае в серии «одинаковых» измерений можно получить набор значений измеряемой величины, а также распределение вероятностей измеряемых значений.

В физике:

· измеряемая величина называется наблюдаемой

· условия проведения эксперимента называются состоянием физической системы

· полные данные о результатах измерений обязательно должны включать и сведения о погрешностях измерений:

абсолютная погрешность а = а – а_ср

относительная погрешность = а/а_ср.

Измерения в социальных науках (легче всего иллюстрировать примером из социологии):

· процедура опроса общественного мнения играет роль прямых измерений

· опросные листы – своеобразный инструмент измерения – «прибор»

· источник системной погрешности – недостаточно корректная формулировка вопроса опросного листа

· источники случайных погрешностей – непредсказуемые обстоятельства, возникающие во время опроса

· точность современных социологических опросов весьма высока (относительная погрешность – несколько %).

В естествознании и технике правила учета погрешности измерений обычно соблюдаются. В социально-гуманитарной области нередко наличием погрешности измерений пренебрегают, забывая, что выводы, построенные на результатах измерений без учета их точности, могут оказаться безосновательными и даже ошибочными. Вопрос о погрешности измерений приобретает все большее значение из-за возрастающей роли количественных методов.

В классическом естествознании:

· имеют дело с такими объектами и процессами, в отношении которых возможно значительное уменьшение неконтролируемого влияния окружения (в т.ч. самих измерительных приборов)

· представляется возможным (хотя бы теоретически) уменьшить погрешность до нуля, выявив все влияющие на измерение факторы и тем самым полностью исключить случайность

Неклассическое естествознание показало – такой идеал недостижим.

Тем не менее, многие естественнонаучные эксперименты выполняются настолько тщательно, что относительная погрешность составляет исчезающее малую долю % (с = 299792456,2 ± 0,8 м/с).

В большинстве случаев надежность представлений классического естествознания обусловлена соответствующей точностью эмпирических данных, лежащих в их основе. Эта надежность исчезает в случае неоправданного распространения представлений классического естествознания на те сферы природы, для которых непосредственная эмпирическая проверка классических законов не проводилась. Здесь затрагивается важное понятие экстраполяции и проблема корректности экстраполяции.

1.3. Экстраполяция в естествознании и социогуманитарном знании.

Анализ экспериментальных результатов в естественных науках часто сопровождается процедурой получения дополнительных данных о переменных величинах, характеризующих объект, в тех областях, для которых прямые измерения не проводились.

у

у_i

у₂

у₁

х₁ х₂ х_i х

Рис. Эмпирическая функциональная зависимость между величинами х и у и ее графическое представление. Черная линия иллюстрирует процедуру экстраполирования: если х_i лежит в диапазоне измерения, то процедура определения функции у_i – интерполяция; если х_i лежит за пределами диапазона измерения – экстраполяция.

Экстраполяция:

· опирается на предположение (может оказаться ошибочным), что за пределами изученного диапазона поведение объекта остается прежним

· позволяет «предугадать» поведение исследуемого объекта за пределами области, в которой эти данные были получены

· таким предположением пользуются не только в естествознании

· в широком смысле – расширение границ применимости научного представления или практического опыта за пределы той области, в которой их справедливость была непосредственно установлена

· так были предсказаны многие эффекты и обоснованы многие гипотезы:

ü благодаря экстраполяции поведения газов в области низких температур возникло понятие абсолютного нуля температуры

ü космологический принцип – физические процессы, происходящие в отдаленных друг от друга областях космоса идентичны; взаимодействия и законы, их описывающие, оказываются универсальными; ближний космос, включающий нашу Галактику, является типичным образцом Вселенной в целом – экстраполяция законов природы, установленных на основе лабораторных экспериментов в земных условиях и наблюдений в ближнем космосе, на всю наблюдаемую Вселенную

ü составление государственного бюджета страны со стабильной экономикой – экстраполяция бюджетов предшествующих лет

ü теоретические модели экономического возрождения, апробированные и давшие хороший практический результат в одних странах, пытаются иногда применить и в других

Проблема корректности экстраполяции:

· в науке неограниченная экстраполяция всегда ведет к ошибкам

· в практической деятельности она приводит к неверному выбору управленческих решений, неоправданной политической или экономической стратегии и другим просчетам (неизменную ставку на экстенсивные методы развития промышленности и сельского хозяйства в СССР)

· Андре Моруа, французский мыслитель и писатель 20 века, имея ввиду неадекватность социально-экономической стратегии социалистических государств во второй половине 20 века, разрабатываемой на догматически понимаемой марксистской теории, писал: «Педантично следовать той или иной доктрине, не считаясь с фактами, - это уже не бескомпромиссность, а упрямство. Маркс, человек могучего ума, построил свою систему на экономических данных современного ему общества. Живи он сегодня, он первым внес бы в нее изменения».

1.4. Проблема интерпретации эксперимента. Эксперимент и теория.

Первоначальная интерпретация экспериментальных данных содержится в предположениях о природе явлений – гипотезах.

Из гипотезы должны вытекать выводы, которые можно проверить опытным путем.

Подтвержденная дополнительно полученными фактамигипотеза дорабатывается втеорию:

· теория– система достоверных и обобщенных знаний о какой-либо группе родственных явлений

· описывает некоторую совокупность явлений с единой точки зрения, укладывает их в определенную систему, опирается на факты и объединяет их

· описывая эмпирические факты, теория вскрывает связь, объективно существующую между ними, и дает конкретную формулировку этой природной связи

· теория способна не только объяснить ранее установленные факты, но и предсказывать новые:

ü открытия Нептуна и Плутона сделаны теоретически, а целенаправленные последующие наблюдения подтвердили правильность расчетов, обнаружив эти планеты

ü предсказание Дираком неизвестной до этого элементарной частицы – позитрона (антиэлектрон) впоследствии экспериментально подтверждено и привело к представлению об античастицах

· теория наряду с экспериментом и наблюдением поставляет дополнительную информацию, указывает наиболее перспективные направления новых экспериментальных исследований

В рамках научной теории может вырабатываться утверждение, именуемое законом.

Закон – утверждение, обобщающее рассматриваемое явление и выражающее его сущность в краткой формулировке:

· основа закона – наблюдательная, экспериментальная

· закон часто получает воплощение в математической форме

· проявляется в рамках определенных условий: например, классический закон сложения скоростей теряет свою справедливость, если скорости сопоставимы со скоростью света; закон сохранения энергии сформулирован только для изолированных систем

· фундаментальные законы – законы, рамки действия которых предельно широки (охватывают множество явлений природы)

· в социальных науках говорят о законах как о тенденциях каких-либо процессов: если какие-то условия имеют место, то в таком-то социальном процессе проявляется та или иная тенденция.

2. Концепция моделирования объектов. Естествознание как искусство моделирования.

Моделирование – наиболее общий способ познания человеком окружающей действительности. Понимание того, что такое модель, каковы существенные черты и приемы моделирования, важно для формирования научного мировоззрения.

Концепция моделирования – совокупность выработанных современным естествознанием представлений о возможностях, особенностях и методах научного моделирования. Концепция моделирования выполняет функцию универсального трансдисциплинарного методологического ориентира.

2.1. Моделирование. Типы моделирования.

Модель – некий материальный или мысленный образ изучаемого объекта или же прообраз некоторого объекта, создаваемого человеком.

В естественных и технических науках моделями называют искусственные вспомогательные объекты исследования, применяемые для анализа реальных объектов.

Дата добавления: 2014-01-11