Основные черты

Физика

Методологические установки классической биологии

Методологические установки классической биологии развивались медленно, начиная с середины XVIII в. вплоть до начала XX в. В общих чертах содержание методологических установок классической биологии состоит в следующем.

• Признание объективного, не зависящего от сознания и воли человека, существования органических форм - главная мировоззренческая посылка биологического познания. При всем различии мировоззренческих позиций, биологи исходили из того, что органический мир существует независимо от сознания его исследователей; субъективно-идеалистические представления не играли существенной роли в биологическом познании.

Вместе с тем единство в вопросе об объективном существовании органических форм не исключало различий взглядов на роль материальных и идеальных факторов в происхождении и функционировании органических форм. В биологии гораздо дольше, чем в других отраслях естествознания, сосуществовали объективно-идеалистическая и. материалистическая трактовки природы объекта. По мере развития биологии стихийная материалистическая ориентация уче­ных становилась все более весомой; радикальный перелом произо­шел в середине XVIII в., хотя еще вплоть до XX в. появлялись рециди­вы витализма. В XIX в. укреплялось представление о том, что мир органических форм, мир живого образовался естественным обра­зом, порожден материальной природой без прямого либо косвенно­го вмешательства потусторонних сил. Формирование такой установ­ки было важнейшей предпосылкой преобразования биологического дознания в науку.

· Классическая биология исходила из того, что мир живого, орга­нических форм имеет определенные объективные закономерности, порядок, структуру; эти закономерности познаваемы средствами науки. Классическое биологическое познание концентрировалось лишь на одном качественно определенном уровне организации живого (организменном либо клеточном, реже — тканевом), который одновременно считался и первичным. Все надорганизменные уровни (колонии, популяции, вид, биоценоз, биосфера) рассматривались как производные, вторичные, для которых характерны лишь аддитивные, а не интегративные свойства. Это — ориентация на моносистемность.

· Важную методологическую роль играло представление о том, что органический мир есть, с одной стороны, некое многооб­разие форм, явлений, процессов, а с другой стороны, одновре­менно должен представлять собой и некоторое единство. С середины XVIII в. пробивала себе дорогу мысль, что материа­листическое понимание такого единства может лежать только в истории органического мира. Поэтому методологической установкой классической биологии, рубежом, разделявшим донаучный и научный этапы ее развития, выступало представле­ние о том, что органический мир имеет свою историю, его нынешнее состояние есть результат предшествующей исторической естествен­ной эволюции.

Вместе с тем понимание историзма в методологии классической биологии было ограниченным. Это проявлялось, в частности, в том, что историзм, развитие, эволюция рассматривались как полностью обращенные в прошлое, исключительно ретроспективно, не доводи­лись до настоящего, до современности. Такая установка сыграла не­гативную роль в истории дарвинизма, задержав экспериментальное исследование естественного отбора.

Тем не менее важнейшим достижением классической биологии явилось представление о том, что природа живого может быть поня­та и объяснена только через знание его истории. История органичес­кого мира может и должна получить научно-рационалистическое и материалистическое объяснение.

· На основе синтеза представлений о единстве (взаимосвязи) и историзме органического мира формируется принцип систем­ности. Системное воспроизведение объекта предполагает вы­явление единства в предметном многообразии живого. Можно сказать, что научная биология начинается там, где на смену предметоцентризму приходит системоцентризм. Теория Дарвина, по сути, есть результат системного исследования.

· В вопросе о характере познания методологические установки классической биологии формулируют в основном те же пред­ставления, что и методологические установки других естест­венных наук этого периода.

Познание — это обобщение фактов в несколько этапов, уровней (наблюдение, суждение, умозаключение, принципы, теория). Осно­вой познания является наблюдение. Начинаясь с наблюдения, оно продолжается на уровне мыслительных процедур, к ним относятся: описание (как с помощью терминов языка (естественного), так и наглядным образом — с помощью рисунков, схем и др.); систематиза­ция на основе определенных выделенных признаков объектов (высшей формой систематизации является классификация, когда выбор признаков связан с выделением существенных сторон объекта); сравнение, позволяющее выявлять законы объекта путем сопоставления существенных характеристик объекта (высокая эффективность метода сравнения вызвала к жизни такие науки, как сравнительная анатомия, сравнительная морфология, сравнительная физиология, сравнительная систематика и др.).

Содержательным является только первый уровень — уровень наблюдения как формы непосредственного чувственного контакта объекта с объектом. Мыслительные процедуры, акты деятельности разума не вносят в содержание биологического знания новых моментов, лишь перерабатывают то, что получено в процессе наблюдения. Наблюдение как бы «переливает» содержание объекта в сознание субъекта. Таким образом, классическая биология (как и классические физика и астрономия) в своих методологических установках исходили преимущественно из эмпирического обоснования знания (единственной содержательной основой знания признавался чувственный опыт в виде наблюдения). В классической биологии эксперимент еще не рассматривался как важный метод эмпирического познания органических объектов. Классическая биология - это биология по преимуществу наблюдательная. Внедрение метода эксперимента в основные отрасли биологии в том числе и в теопиот эволюции — заслуга XX в.

• Факт нарушения реальной картины объекта в процессе микро­скопического исследования осознавался, но при этом биологи исходили из того, что внесенными в ходе подготовки к наблюдению и самого наблюдения изменениями картины, объекта можно либо прене­бречь, либо внести на них поправку и тем самым свести их к нулю. Методологические установки классической биологии допуска­ли следующие отношения между знанием и объектом позна­ния: однозначное соответствие каждого элемента теории оп­ределенному элементу объекта (органического мира); нагляд­ность биологических образов и представлений, понятий; от­сутствие ссылки на условия познания в результате исследования.

• Одним из важнейших методологических затруднений явля­лось непонимание диалектического пути развития теории, ее взаи­мосвязи с опытом, того обстоятельства, что на ранних этапах своего развития теория может не объяснить все факты ее пред­метной области. Потому господствовало представление, что один-единственный факт, противоречащий теории, может ее полностью опровергнуть. На основании такого методологи­ческого «стандарта» строились почти все попытки «закрыть» теорию эволюции Дарвина и попытаться заменить ее другой концепцией.

• Методологические установки классической биологии в своей основе были метафизическими и поэтому неспособными выра­зить тождество противоположных сторон целостного систем­ного объекта. Это отражалось в том, что всеобщие характерис­тики системной организации воспроизводились в двух проти­воположных методологических регулятивах.

Во-первых, по вопросу о природе целостности и способах ее отра­жения в познании существовали две противоположные методологи­ческие установки — редукционизм и целостный подход, которые в миро­воззренческом плане воплощались в двух противостоящих друг другу позициях — механицизма и витализма. Редукционизм исходил из того, что органическая целостность может быть сведена к простой аддитивной сумме свойств составляющих ее (механических, физи­ческих и химических) частей, а целостный подход (в разных своих вариантах — холизм, органицизм и др.), подчеркивая качественное своеобразие целого по сравнению с его частями, считал таким осно­ванием целостности некую супранатуральную субстанцию.

Во-вторых, в качестве противоположных методологических уста­новок выступали механистический детерминизм и телеология. Первый игнорировал функциональное единство органических систем, а вто­рой усматривал в целесообразности таких систем проявление идеа­листической основы. Материалистическое преодоление телеологизма в биологии началось с учения Ч. Дарвина, который нанес смер­тельный удар телеологии в естествознании и объяснил ее рациональный смысл.

В-третьих, для методологических позиций классической биоло­гии характерно противопоставление структурно-инвариантного и генетическо-исторического подходов, ориентация на неизменность факторов эволюции, господство организмоцентрического мышления (исходной «кле­точкой» рассмотрения органической эволюции выступал отдельный организм; организмоцентризм — конкретная биологическая форма предмстоцентризма).

· И наконец, классическая биология исходила из того, что струк­тура познавательной деятельности в биологии неизменна, методоло­гические принципы биологического познания исторически не развива­ются.

8. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ ВТОРОЙ ПОЛОВИНЫ XIX в.: НА ПУТИ К НОВОЙ НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ

Вторая половина XIX в. в развитии естествознания занимает особое место. Этот период знаменует одновременно и завершение старого, классического естествознания, и зарождение нового, неклассического. С одной стороны, великое научное дости­жение, заложенное гением Ньютона, — классическая механика — получает в это время возможность в полной мере развернуть свои потенциальные возможности, а с другой стороны, в недрах классического естествознания уже зреют предпосылки новой научной революции; механистической (метафизической) методологии недостаточно для объяснения сложных объектов, которые попали в поле зрения науки. Лидером естествознания по-прежнему являлась физика.

Вторая половина XIX в. характеризуется высокими темпами развития всех сложившихся ранее и возникновением новых разделов физики. Особенно быстро развиваются теория теплоты и электродинамика. Теория теплоты развивается в двух направлениях: развитие термодинамики, непосредственно связанной с теплотехникой, и раз­витие кинетической теории газов, которое привело к возникнове­нию статистической физики. В области электродинамики важнейшим событием явилось создание теории электромагнитного поля.

Характерная особенность развития физики этого периода — усиливающиеся противоречия между старыми механистическими, метафизическими методологическими установками и новым содержанием физической науки. Открытие закона сохранения и превращения энергии, развитие теории электромагнитного поля, кинетической теории теплоты требовали нового методологического подхода для их интерпретации. Но физики в основном продолжают оставаться в плену старой (метафизической, механистической) методологии. И теория электромагнитного поля, и кинетическая теория теплоты развиваются на основе механистических представлений. Господству­ет мнение, что до окончательного создания абсолютной механисти­ческой картины мира осталось совсем немного; и в связи с этим у многих физиков крепнет надежда на построение механической тео­рии теплоты, механической теории электрических и магнитных яв­лений и т.п.

Развитие физики во второй половине XIX в. связано с матери­альным производством, промышленностью, индустрией еще более тесно, чем в первой половине XIX в. Результаты физических иссле­дований все чаще становятся условием дальнейшего технического прогресса. Причем не только развитие уже существующих, но и возникновение новых отраслей техники было невозможно без пред­варительных научных исследований, научных открытий. Так, без исследований по термодинамике не могло быть и речи о совершен­ствовании паровой машины или создании новых типов тепловых двигателей — двигателя внутреннего сгорания, паровой турбины. Только на основе результатов научных исследований в области электричества и магнетизма, которые долгое время не имели прак­тического применения в промышленном производстве, возникла электротехника.

8.1.2. От возникновения термодинамики к статистической физике: изучение необратимых систем

Для нас совершенно очевидно представление об однонаправлен­ности из прошлого в будущее, необратимости и невозвратности времени. Это представление формируется на основе отражения большинства процессов, систем живой и неживой природы, с ко­торыми человек повсеместно сталкивается в своей жизненной практике. И только очень небольшое количество механических систем (и то со значительной долей идеализации) относится к обра­тимым системам.

Соотношение обратимых и необратимых процессов можно про­иллюстрировать на примере фильма о движении паровоза. Если мы будем смотреть такой фильм в обратном порядке и увидим, что поезд «пошел назад», то нам это не покажется неправдоподобным. Паровоз просто дал задний ход, и в этом нет ничего необычного: механичес­кие системы обратимы. Но вот в кадре дым паровоза: он образовыва­ется в пространстве и втягивается в паровозную трубу. Такое событие (и совершенно справедливо) кажется абсолютно невозможным — оно равносильно признанию возможности движения времени вспять. В данном случае речь идет о тепловом необратимом процессе, который принципиально отличается от механических обратимых процессов.

Классическая механика долгое время занималась исключительно моделированием обратимых систем. Механические процессы обратимы: уравнения механики, в которые входит время t, симметричны по отношению к этому параметру, т.е. возможна замена t на -t. Только с возникновением термодинамики, с появлением необходимости изу­чения теплоты и молекулярных процессов физика перешла к познанию закономерностей необратимых систем.

В XIX в. термодинамика развивается как теоретическая база теп­лотехники и как важная отрасль теоретической физики, объясняю­щая сущность тепловой энергии. Основы термодинамики закладывались еще в начале XIX в., когда конструкторов паровых машин инте­ресовал важный в теории тепловых двигателей вопрос: существует ли предел последовательного улучшения двигателей? Многочисленные конструкции нужно было сопоставить с идеальным двигателем, эко­номичность которого рассматривалась как максимальная. От чего же зависит экономичность такого идеального двигателя? Ограничена ли она? Эти и ряд других вопросов поставил перед собой французский инженер Сади Карно.

Карно показал, что теплота создает механическую работу только при тепловом «перепаде», т.е. наличии разности температур. Спра­ведлива и обратная теорема: затрачивая механическую энергию, можно создать разность температур, которая определяет коэффици­ент полезного действия тепловых машин. Свои теоретические сооб­ражения Карно в конечном счете обосновывает невозможностью вечного двигателя, рассматривая это положение в качестве исходной аксиомы физики.

В свете закона сохранения и превращения энергии в середине ХIХ в. стало ясно, что теория Карно требует серьезной перестройки и дополнительного экспериментального исследования. На это обратили внимание Р. Клаузиус и В. Томсон (лорд Кельвин). Карно объяснял работу не потреблением теплоты, а ее падением; он считал, что теплота неуничтожаема. Карно сопоставляет работу с теплотой, перешедшей от тела с температурой Т¹ к телу с температурой Т². Клаузиус же сопоставляет работу с пропорциональной ей теплотой, исчезнувшей при таком переходе, т.е. перешедшей в работу. Клаузиус уставит задачу связать переход теплоты от одного тела к другому с превращением теплоты в работу и установить количественные соот­ношения между этими процессами. Решая эту задачу, Клаузиус вводит понятие энтропии — функции состояния системы.

Понятие энтропии является центральным в термодинамике. Оно относится к закрытым системам, находящимся в тепловом равнове­сии, которое можно охарактеризовать температурой Т. Изменение энтропии определяется формулой dE≥ dQ/T, где dQ - количество теплоты, обратимо подведенное к системе или отведенное от нее. Энтропия — это мера способности теплоты к превращению. В обратимых системах энтропия неизменна dE= dQ/T, а в необратимых — постоянно изменяется (dE > dQ/T). Второе начало термодинамики * гласит, что в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума. Иначе говоря, запас энергии во Вселенной иссякает, происходит выравнивание темпера­туры Вселенной, рассеяние энергии, а вся Вселенная неизбежно при­ближается к «тепловой смерти».

* В соответствии с первым началом термодинамики в замкнутой системе энер­гия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы.

Термодинамические процессы необратимы, и ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, чтобы воспрепятствовать возрастанию энтропии. Со временем способность Вселенной под­держивать организованные структуры ослабевает; и такие структу­ры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. С точки зрения классической термодинамики «тепловая смерть» Вселенной неизбежна. Вокруг этой проблемы среди естествоиспытателей и философов разверну­лась горячая дискуссия, которая с перерывами длится уже более сотни лет и не потеряла своего значения вплоть до настоящего времени.

Распространение второго начала термодинамики на необра­тимые процессы было завершающим шагом в установлении основ термодинамики, которая стала одной из важнейших отраслей фи­зики.

Но раз теплота есть движение, то закономерно возникает задача исследовать природу и закономерности этого движения. Решение этой задачи привело к возникновению и развитию кинетической теории газов, которая в дальнейшем преобразовалась в новую от­расль физики — статистическую физику. В рамках кинетической тео­рии газов были получены важные результаты: разработана кинети­ческая модель идеального газа (Р. Клаузиус), закон распределения скоростей молекул газа (Дж.К. Максвелл), теория реальных газов (Я.Д. Ван-дер-Ваальс), определены реальные размеры молекул, най­дено число молекул в единице объема газа при нормальных условиях (число Лошмидта), число молекул в одной грамм-молекуле (число Авогадро) и др.

В кинетической теории газов была еще одна важная проблема — проблема молекулярного обоснования второго начала термодина­мики. Постепенно сложился подход к решению этой задачи — вывести начала термодинамики из некоторого общего положения ме­ханики, ряда ее принципов. Здесь наиболее интересные и значи­тельные результаты были получены Л. Больцманом, который считал, что в качестве такого общего положения можно использовать принцип наименьшего действия в обобщенном виде. В процессе исследований Больцман доказал знаменитую Н-теорему, согласно которой идеальный газ, находящийся первоначально в нестацио­нарном состоянии, с течением времени сам собой должен перехо­дить в состояние статистического равновесия. Эту теорему Больц­ман истолковал как доказательство статистического характера вто­рого начала термодинамики. Из идеи статистической закономер­ности Больцман непосредственно выводит необратимость молекулярных процессов. Энергия переходит из менее вероятной формы в более вероятную. В случае если первоначальное распре­деление энергии в телах было менее вероятным, то в дальнейшем вероятность распределения увеличится. Больцман формулирует и ровую интерпретацию энтропии. В соответствии с ней энтропия (есть логарифм вероятности состояния системы Е = k ln W. Эта фор­мула высечена на памятнике Больцману над его могилой на клад­бище в Вене.

В 90-х гг. XIX в. развернулась полемика вокруг статистического толкования второго начала термодинамики. Больцман энергично защищал свои взгляды, но был одинок. И только в начале XX в. в контексте экспериментальных успехов в изучении броуновского движения теория Больцмана получила признание. Развивая идеи Больцмана, М. Смолуховский разрабатывает теорию флуктуаций и приме­няет ее к анализу явлений, в которых может непосредственно наблю­даться антиэнтропийное поведение. Смолуховский приходит к идее относительности обратимости и необратимости, их зависимости от времени, в течение которого наблюдается процесс.

Статистическая термодинамика находит свое развитие и заверше­ние в работах Дж. Гиббса, в его статистической механике. Гиббс рассматривает статистическую механику как теорию ансамблей (мысленная совокупность невзаимодействующих систем), которые не зависимы от конкретного состава и строения тех систем, из кото­рых они составлены. Статистическая механика Гиббса оказалась спо­собна решать любую задачу относительно равновесной системы, состоящей из произвольного числа независимых компонентов и сосу­ществующих фаз. Но вопрос о противоречии обратимости и необра­тимости Гиббсом был по сути обойден.

Новый этап в развитии исследований необратимых систем насту­пил только в конце XX в., с созданием теории самоорганизации (си­нергетики) (см. 15.1).

Дата добавления: 2014-12-29