Основные идеи и понятия общего естествознания

Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии в постнеклассическом естествознании

Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии в классическом и неклассическом естествознании

Становление классического, а в значительной мере и неклассического естествознания явно связано с процессом становления, развития и смены физических картин мира. В современном естествознании принято выделять механистическую, электромагнитную и квантово-полевую картины мира, которые задали классическую и неклассическую стратегии естественнонаучного мышления (см. схему 16) и определили физический идеал научности классического и неклассического естествознания.

Становление эпохи механистического естествознания связывают с гелиоцентрической картиной мира (Н. Коперник). Важную роль сыграл научный метод теоретической физики, выдвинутый Г. Галилеем, «который состоит в том, чтобы с помощью идеализаций выразить сущностную основу физических процессов и взаимодействий, используя конструктивные теоретические модели, изобразить в теории структуру сущностных связей и отношений природы»; способ действия самой природы.

Идея о том, что мир- это движущая материя, была господствующей в то время. Французский ученый Р.Декарт говорил: «Дайте мне материю и движение, и я построю весь мир».

Первый рабочий чертеж новой картины мира выполнил И. Кеплер. В книге «Новая астрономия» в 1607 г. он привел два своих закона движения планет:

1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.

2. Радиус-вектор планеты за равные промежутки времени описывает равные площади..

3. В 1618 г. Кеплер обнародовал третий закон планетных движений: Квадраты периодов обращения любых двух планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей их эллиптических орбит.

Решающий же шаг в понимании причин этого порядка сделал И. Ньютон. В основном своём труде «Математические начала натуральной философии», опубликованном в 1687г., И. Ньютон в чрезвычайно лаконичной форме обобщил весь предшествующий опыт человечества в изучении движений в понятии механического движения. Оформилась механистическая картина мира (см. схему 18), вклад в которую вносили многие ученые, создав как аналитическую (Л. Эйлер, Ж. Лагранж, У. Гамильтон и др.), так и небесную (П. Лаплас и др.) механику. В рамках просветительско-понятийной парадигмы движения механистическая картина мира стала ядром научно-исследовательской программы классического естествознания.

Схема 19. Механистическая картина мира. (XVII-XVIII вв.)

Основные представления о материи, движении и взаимодействии

Основные идеи, принципы и законы

v Корпускулярная (атомистическая) концепция описания природы оформляется в научную парадигму движения И. Ньютона; v Материя - вещественная субстанция, состоящая из атомов или корпускул; v Движение - простое механическое перемещение корпускул (частиц) и тел друг относительно друга; v Пространство и время абсолютны и независимы друг от друга; физическое поле (эфир) - вспомогательное понятие; v Масса - мера инертности и гравитации; v Сила как характеристика «контролируемого» воздействия на тело (частицу) и «контролируемого» взаимодействия между телами. v Оформляются классические представления о гравитационном и электромагнитном взаимодействиях на основе закона всемирного тяготения И. Ньютона и основного закона электростатического взаимодействия Ш. Кулона; v Детерминизм Лапласа, охвативший однозначную определенность выводов всего классического естествознания: «Ум, которому были бы известны для какого-либо момента времени все силы, одушевляющие природу, обнял бы в одной формуле движение величайших тел Вселенной наравне с движением атомов. И будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором» v Закон всемирного тяготения: «Любые два точечных тела притягиваются друг к другу с силой F, прямо пропорциональной произведению их масс

и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

v Принцип относительности Галилея: «Все механические явления в инерциальных системах отсчета (ИСО) протекают одинаково»; v Принцип дальнодействия: считалось, что физические воздействия в принципе могут распространяться из одного места пространства в другие места мгновенно, т.е. с бесконечно большой скоростью; v Принцип механического редукционизма - тенденция сведения закономерностей всех форм движения к законам механики; v 1-й закон Ньютона: «Тело (частица) сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие других тел не выведет его из этого состояния; система отсчета, в которой выполняются законы Ньютона, называется инерциальной»; v 2-й закон Ньютона: «Равнодействующая всех сил (т.е. векторная сумма всех сил), приложенная к данной частице (телу) равна производной от её импульса по времени»:

; v 3-й закон Ньютона: «Взаимодействующие тела (частицы) действуют друг на друга с одинаковыми по величине, но противоположными по направлению силами»:

; v Закон Кулона: «Сила взаимодействия между двумя точечными заряженными телами прямо пропорциональна произведению их зарядов

и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Следующим этапом в познании материи, движения и взаимодействия явилась электродинамика М. Фарадея и Дж. Максвелла, на создание которой повлияли идеи взаимодействия континуализма и динамизма. Классическая электродинамика- это теория электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрическими зарядами, как неподвижными, так и равномерно и ускоренно движущимися. Электромагнитные волны, т.е. распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью (скоростью света) электромагнитные колебания, обусловили реализацию информационно-коммуникативного взаимодействия всего человечества. Оформилась электромагнитная картина мира (см. схему 20), которая способствовала становлению релятивистской исследовательской программы и зарождению неклассического естествознания.

Схема 20. Электромагнитная картина мира. (XIX в.- начало XX в.)

Основные представления о материи, движении и взаимодействии

Основные идеи, принципы и законы

v Материя - единое непрерывное поле с точечными силовыми - электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Континуальность материального физического поля и корпускулярность вещественной субстанции; v Движение - распространение колебаний в поле, которое описывается законами электродинамики. Одновременно сохраняется и понятие классического механического движения тел и частиц, в том числе и имеющих электрический заряд; v Объединение электрических и магнитных сил в единое электромагнитное взаимодействие; v Непрерывность детерминированных причинно-следственных связей; v Масса - мера инертности, гравитации и полной энергии тела; v Электрический заряд - скалярная физическая величина, характеризующая способность тел к электромагнитному взаимодействию; v Электромагнитные волны - это поперечные по отношению к направлению распространения волны электромагнитные колебания векторов

. Их материальность и объективность лежит в основе всех радио-, теле- и интернет-коммуникаций. v В электромагнитную картину мира было введено понятие вероятности. v Электронная теория Х. Лоренца восстанавливает атомистичность через дискретные электрические заряды, при этом она сохраняет и поле как объективную реальность.

v Принцип относительности А. Эйнштейна в специальной теории относительности (СТО): «Все физические явления в инерциальных системах отсчета (ИСО) протекают одинаково»; v Принцип инвариантности скорости света в вакууме: «Скорость света в вакууме одинакова во всех ИСО, т.е. является универсальной постоянной передачи взаимодействия (информации); v Принцип соответствия между механикой и электродинамикой в рамках динамических закономерностей (теорий). Становление статистических закономерностей (теорий) равновесного теплового макросостояния; v Обобщенная сила Лоренца:

, т.е. сила, которой оценивают механическое «контролируемое» воздействие электромагнитного поля на помещенные в него заряженные частицы; v Уравнения Максвелла: «Математическая формулировка единой теории электромагнитного поля, связанного с произвольной системой зарядов и токов, а также со способностью распространяться в форме электромагнитных волн, как в среде, так и в вакууме». v Электромагнитное поле - единая объективная реальность, а электричество и магнетизм – не более чем удачный приём описания этой реальности; v Концепция близкодействия: «Электромагнитное поле - переносчик электромагнитного взаимодействия».

Механическая и электромагнитная картины Мира, как мы уже отмечали, взаимосвязаны с классической стратегией естественнонаучного мышления (см. схему 16) и предопределили мозаичность образа Мира в классическом естествознании.

Однако, уже в электромагнитной картине мира наблюдается кризис классического естествознания и появляются ростки неклассического естествознания в статистических законах макросостояния, в трактовке различных форм движения на основе концепции близкодействия, т.е. наличия переносчиков различных форм взаимодействия, а также в теории относительности. Теория относительности пересмотрела концепцию абсолютного пространства и времени, а понятие относительности стало одним из основных в современном естествознании.

Неклассическая стратегия естественнонаучного мышления (см. схему 16) и соответственно новые представления о материи, движении и взаимодействии окончательно оформились в квантово-полевой картине Мира (см. схему 21), которая стала рассматривать в единстве корпускулярные и волновые свойства материи, все физико-химические формы движений и фундаментальные физические взаимодействия.

Схема 21. Квантово-полевая картина Мира. (XXв.)

Основные представления о материи, движении и взаимодействии

Основные идеи, принципы и законы

v Корпускулярно-волновой дуализм: «Каждый элемент материи имеет свойства волны и частицы». При этом исследователи различают следующие виды материи: вещество, физическое поле и физический вакуум. Выделяют фундаментальные микрочастицы: кварки, лептоны, кванты (переносчики) полей взаимодействия. Характерной особенностью является взаимопревращаемость квантовых частиц, виртуальные частицы и античастицы; v Движение - частный случай физического взаимодействия. Закономерности и причинности квантово-механического движения выступают в вероятностной форме, в виде статистических закономерностей (теорий); v Выделяют четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое, сильное; v «Всё: материя, энергия, квантовые характеристики выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив её».

v Принцип соответствия Н. Бора, согласно которому теория квантово-механического движения включает в себя как частный, предельный случай классическую механику и электродинамику; v Принцип (соотношения) неопределенности В. Гейзенберга:

, приведший к формулировке принципа дополнительности Н. Бора; v Принцип дополнительности: «Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих состояние микрообъекта, неизбежно приводит к потере информации о других физических величинах, дополнительных к первым»; v Две фундаментальные модели состояния объектов: квантово-динамическая или микросостояние и термодинамическая или макросостояние. v Абстрактно-математическим выражением корпускулярно-волнового дуализма материи являются формулы М. Планка (

) и де Бройля (

); v Принцип квантования энергии сформулирован в постулатах Н. Бора. Квантово-механическое описание микросостояния задаётся в понятии волновой функции ψ и рассматривается обычно с помощью уравнения Э. Шредингера.

Несмотря на то, что классическое и в значительной мере неклассическое естествознание опираются на методологический рационализм физики и физический стандарт доказал свою эвристичность при создании многих теорий современной науки, стремление придать ему всеобщий характер вызывает законные возражения. Так, возникают серьёзные трудности при распространении этого стандарта на биологическое знание. Ещё более серьёзные трудности возникают при распространении этого стандарта на социально-гуманитарное знание. Материалистическая диалектика в лице Ф. Энгельса (1820-1895) даёт классификацию форм движения материи (механическое, физическое, химическое, биологическое, социальное). Эти формы движения являются предметом изучения разных наук. Сами же науки Энгельс подразделяет на три группы: науки о неживой природе, науки, изучающие живые организмы, и исторические науки.

Классификацию форм движения материи существенно модифицировал Б.М. Кедров с учетом научных открытий XX века. В его классификации механическое движение не представляет собой особой формы движения (как у Энгельса), а выступает одним из видов физического движения в макромире. В микромире действуют другие процессы: квантово-механические. Квантово-механическое движение действует не только в физической, но и в химической форме движения материи. Кроме того, Б.М. Кедров выдвинул идею о наличии геологической формы движения, действующей на уровне космических процессов.

В настоящее время возникает вопрос о возможности использования методологического рационализма, оформившегося в современной физике, для науки в целом и прежде всего в постнеклассическом естествознании.

Главную идею постнеклассического естествознания, задавшую и постнеклассическую стратегию естественнонаучного мышления (см. схему 16), в яркой образной форме выразил «наставник преподавателей физики» американский физик – теоретик Р. Фейнман. Он писал, что «…если наш ограниченный ум ради некоторого удобства, разделяет этот стакан вина, эту Вселенную на части – физику, биологию, геологию, астрономию, психологию и т.д. – помните, что природа об этом не знает! Так что давайте сольём всё это воедино (например, в постнеклассическом естествознании – вставка наша), не забывая о его предназначении». Итак, на первый план выходит синтетический метод основоположника кибернетики Н. Винера и системный подход к сложно структурированным объектам на основе инновационной трансдисциплинарности современной физики.

Именно на фундаментальной основе инновационной трансдисциплинарности физики было создано междисциплинарное направление в современном естествознании – синергетика как совокупность наук о взаимопроникновении Порядка и Хаоса и изучении общих закономерностей процессов самоорганизации в открытых неравновесных системах. Оформляется современная физическая исследовательская программа – единая теория поля в рамках объединения всех известных взаимодействий. Происходит синтез всех форм движения материи в единой эволюционной форме на основе принципа глобального эволюционизма. Эволюцию представлений о материи, движении и взаимодействии в современной постнеклассической картине Мира мы представили в схеме 22.

Особо хотелось бы подчеркнуть социопрактическую направленность постнеклассического естествознания в рамках эколого-социально-экономической синергетики природопользования.

Схема 22. Постнеклассическая картина Мира (XXI в.)

Основные представления о материи, движении и взаимодействии

Основные идеи, принципы и законы

v «Мир – это окружающая нас природа на всех её уровнях, включая и общество. Это то материально – всеобщее (вспомним чувственно-материальный Космос у древних греков), что противостоит Человеку и частью чего он одновременно является в качестве одухотворённого существа… Поэтому противопоставление мира и человека, духа и материи является условным, так как они слиты в едином бытии»; v Тем не менее исследователи условно выделяют вещественную форму материи, состоящую из элементарных частиц – фермионов, полевую форму материи, состоящую из бозонов (причем последние являются переносчиками фундаментального физического взаимодействия) и физический вакуум. К этим формам материи астрофизики добавляют «темную материю и энергию», приписывая им 95% массы и энергии всех форм материи. При этом важно помнить о взаимосвязи массы и энергии в формуле Эйнштейна: W= mc². v Все формы движения материи объединяются в одну эволюционную форму движения, которая задает принцип глобального эволюционизма в рамках «стрел времени» различных структурных организаций материи; v Принцип глобального эволюционизма положен и в основу единой теории поля, согласно которой все известные фундаментальные взаимодействия считаются проявлением единого фундаментального взаимодействия. Уже имеются отдельные фрагменты единой теории, в частности, объединения электромагнитного и слабого, и Великого объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. v Постнеклассический поворот от науки «существующего» к науке «возникающего». По выражению И. Пригожина, происходит стратегический переход от физики существующего, опирающейся на один тип движения – локального перемещения (motus localis) тела в пространстве с течением времени к физике возникающего, опирающейся на другой тип движения – изменение (mutation) или смена форм. Происходит качественное развитие системы, однозначно связанное с направленность времени из прошлого в будущее («стрелой времени»).

v Принцип универсализма: «Независимо от предмета отдельных систем или метода, все они, в отличие от отдельных наук, основываются на всей совокупности эмпирического сознания – жизни, опыта, опытных науках – и стремятся таким путем к решению своей задачи… Этому соответствует стремление объединить разрозненное, создать связь и распространить её, не считаясь с границами отдельных наук». v В философии науки на первый план выходит надпредметность метафизики – учения о сущности бытия, как системе категорий (универсалий). Диалектика, рассматривающая бытие как систему связей и отношений, дополняет метафизику понятием двусторонности. «Мир всегда раздвоен, но не всегда противоречив. Двусторонность, а не противоречивость – суть бытия». В этой диалектической сути одно вытекает из другого: двусторонность предполагает связь, связь – взаимодействие, взаимодействие – развитие. v Обобщенный (универсальный) принцип относительности А. Эйнштейна: «Все физические явления во всех системах отсчета протекают одинаково». v Принцип эквивалентности масс: «Масса инертная и гравитационная эквивалентны». v В эволюционное естествознание включаются практически все естественные науки, и, несмотря на все сложности и трудности рассмотрения эволюции природы как целостного процесса, принцип глобального эволюционизма двусторонне объединяется с антропным принципом в коэволюционной синергетической парадигме современного естествознания. v На первый план вместо познания истины, фундаментальной обоснованности знания выходит способность решать проблемы и социопрактическая ориентированность определенных научных исследований. «Ищи в науке только истину и не пользуйся ею во зло или ради корысти», - говорил академик Д. Лихачев.

Панорама современного естествознания, фрагментарно отраженная в схемах 14, 15, 16, 19-22 явно указывает на взаимодействующие процессы в познании Природы. С одной стороны, происходит дифференциация и специализация естественных наук, которую вряд ли оправданно снижать в утилитарно-прикладном, предметно-производственном плане их взаимосвязи с научно-техническим прогрессом. Более того, специализация, дифференциация знаний служат и интегрирующим фактором в системе наук, создавая «переходные, пограничные науки» (типа физической химии, биохимии, биогеофизики, астрофизики и т.п.).

С другой стороны приходится констатировать, что «время энциклопедистов либо безвозвратно ушло, либо ещё не наступило», и в формировании интеллектуальной культуры личности трансдисциплинарность приобретает принципиальную ценность, что обусловливает, в частности, проблему построения общего естествознания как целостной совокупности основных естественных наук.

И наконец, экологическая стратегия жизнеобеспечения и созидания целостной культуры человеческой цивилизации и коэволюционная синергетическая парадигма современной «понятийной сетки» рассмотрения Мира (Универсума) ставит на повестку дня объединение всех сегментов интеллектуальной сферы культуры. При этом особое значение приобретает понимание, что естественные и гуманитарные науки имеют общую методологию познания, основанную на идеях эволюции, системности и самоорганизации.

В рамках экологической сферы Природа – это совокупность всех взаимодействующих объектов и явлений живой и неживой материи, образующих естественную среду существования человека. В глобальном естественнонаучном понимании Природа – это весь материальный, энергетический и информационный мир Вселенной.

Несмотря на то, что «Природа не знает о том, что наш ограниченный ум ради некоторого удобства разделяет эту Вселенную на части – совокупность естественных наук», мы в дальнейшем упростим познание современного естествознания, задав предметную структуру общего естествознания.

Мы зададим структуру общего естествознания, выделив физику, включая в неё астрофизику и космологию, химию, науки о Земле в обобщённой геологии, и биологию как совокупность наук о живой природе.

Очень часто в структуре общего естествознания пытаются выделить «лидера» среди естественных наук. На наш взгляд, искать в сфере общего естествознания науку – лидера естествознания в общем плане неоправданно в силу как их всё возрастающей междисциплинарности, так и интегрирующей трансдисциплинарности. Изобразив сферу общего естествознания в виде взаимодействия основных естественных наук (см. схему 23), мы подчеркнём их кооперативно-синергетическое взаимодействие в общем естествознании, опирающемся на основополагающую концепцию коэволюции природных систем и человека.

Основополагающая концепция коэволюции природных систем и человека

Интегрирующую функцию, наряду с синергетикой, выполняют и другие отрасли знания: экология, философия, математика, кибернетика и теория информации, а в определённой степени, и современная физика.

Можно также выделить основные понятия и идеи общего естествознания, приведённые ниже:

v Система – множество элементов или объектов, заданных отношениями между ними. Но эти отношения не обязательно имеют характер связи, взаимодействия между ними.

v Структура – множество элементов или объектов с определённым отношением связи, взаимодействия между ними.

v Хаос – состояние, в котором не образуется устойчивых во времени структур, отсутствуют согласованные направленные процессы.

v Порядок – состояние, в котором имеются согласованные (устойчивые) направленные движения и «запоминаемость» определённых конфигураций.

v Беспорядок − состояние, промежуточное между порядком и хаосом, в котором развивается «склероз» в «запоминаемости» определённых конфигураций и(или) хаотизация согласованных (устойчивых) направленных движений.

v Симметрия – свойство объектов сохранять определённые характеристики при преобразованиях.

v Дисимметрия – элементы симметрии, которые отсутствуют как в объекте, так и в его окружение; понижение симметрии при взаимодействии объектов (природных систем) или объекта и его окружения.

v Асимметрия – понятие, противоположное симметрии, т.е. характеризует свойство объектов не сохранять определённые характеристики при своих преобразованиях.

v Все упорядоченные (детерминированные) движения можно описать одним набором механических законов.

v При всех превращениях энергия переходит из более полезных в менее полезные формы. Это приводит в закрытых природных системах к росту энтропии – меры беспорядка, в открытых диссипативных системах возможно как возрастание, так убывание и даже сохранение энтропии, т.е. возникает взаимопроникновение Хаоса и Порядка.

vФундаментальные физические взаимодействия задают развитие природных систем и структур на основе дисимметрии – двусторонности связи симметрии и асимметрии.

vВсе: материя, энергия, квантовые характеристики частиц – выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив её.

В системном подходе к общему естествознанию важную роль играют понятия интегративности, целостности и иерархичности систем и объектов.

v Иерархия – расположение частей объекта или элементов целостной системы в порядке от высшего к низшему (или наоборот)

v Интегративность – образование новых свойств объекта при соединении его частей в целое, или новых свойств системы при определенных отношениях между элементами.

v Целостность – внутреннее единство объекта или элементов системы, независимость от окружающей среды: объективный критерий гармонии, достигается подчинением структурной организации объекта, законам, определяющим образование форм живой природы и форм кристаллов.

В общем случае системный подход оперирует как системными, так и структурными законами, задавая как феноменологический, функциональный, макроскопический, так и механизмический, субстанциональный, микроскопический, фундаментальный подходы при изучении объекта как системы.

1. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. Интернет-тестирование базовых знаний: Учебное пособие/ В.В. Горбачев, Н.П. Калашников, Н.М. Кожевников.-СПб.: Издательство «Лань»,2010, с. 22-41

2. Суханов А.Д. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/А.Д. Суханов, О.Н. Голубева.- М.: Дрофа, 2004, с. 76-93.

3. Кожевников Н.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособие, 4-е изд.. испр./ Н.М. Кожевников.- СПб.: Издательство «Лань», 2009, с. 42-62.

4. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания/ Ю.М.Наследников, А.Я.Шполянский, А.П.Кудря, А.Г.Стибаев.-Ростов-на-Дону: ДГТУ 2008-350с. [электронный ресурс № ГР 15393,2010]. Режим доступа: http://de.dstu.edu.ru/., с.79-84, 87-92.

5. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания: Учеб.-метод. пособие/ Ю.М. Наследников, А.Я. Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев.- Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2007, с.32-36, 38-40.