Предпосылки и основное содержание новейшей революции в естествознании (XX в.) Становление современной науки

10. Предпосылки и основное содержание новейшей революции в естествознании (XX в.) Становление современной науки

Новейшая революция в естествознании, начавшаяся в 90-х годах XIX века и продолжавшаяся до середины XX века, была глобальной научной революцией, подобной революции XVI-XVII вв. Начавшись в физике, она затем проникла в другие естественные науки, кардинально изменив философские и методологические основания науки, создав феномен современной науки. Первый этап революции, охарактеризованный нами выше, внес значительные изменения в представления о структуре материи, ее свойствах и видах.

Второй этап революции (сер. 20-х гг. – 40-е гг. ХХ в.) был связан с формированием новой квантово-релятивистской картиной мира, основанной на двух фундаментальных теориях этого периода – квантовой механике и теории относительности Эйнштейна. Все предшествующие фундаментальные представления были оспорены и заменены новыми. Вещество больше не рассматривалось как материальная субстанция, время не абсолютно и течет по-разному для объектов, которые движутся с разной скоростью. Вблизи тяготеющих масс время вообще замедляется и при определенных условиях может даже остановиться. Планеты движутся по своим орбитам не потому, что их притягивает некая сила, действующая на расстоянии, но потому, что само пространство, в котором они движутся, искривлено. Субатомные объекты обнаруживали себя и как частицы, и как волны, демонстрируя двойственную природу. Принцип неопределенности в корне подрывал лапласовский механистический детерминизм.

Третий этап (40-е – 70-е гг. ХХ в.) начался с овладения атомной энергией, создания ЭВМ и кибернетики, освоения космоса и развития космонавтики и др. Научная революция соединяется с технической революцией, что приводит к НТР. На лидирующие позиции наряду с физикой начинает претендовать биология. Развитие биосферного подхода привело к новому пониманию феномена жизни. Жизнь перестала восприниматься как случайное явление во Вселенной и превратилась в закономерный этап саморазвития материи. Науки биосферного класса: почвоведение, биогеохимия, биоценология, биогеография изучают системы, в которых происходит взаимопроникновение живой и неживой природы.

Сущность НТР проявляется в превращении науки в непосредственную производительную силу общества, а самого производства – в простое технологическое применение науки. Конкретно этот процесс проявляется во внедрении автоматизации управляемых систем на основе электроники, в использовании новых видов энергии (прежде всего развитие атомной энергетики), в увеличении удельного веса химической технологии, связанной с производством материалов с заранее заданными свойствами, космонавтика.

Начинают формироваться новые представления о Вселенной в целом и обо всех ее проявлениях с точки зрения глобального эволюционизма. Первыми попытались распространить принцип эволюционизма за пределы биологических наук физики. Они выдвинули гипотезу расширения Вселенной, признав несостоятельность предположения о ее стационарности. Вселенная явно развивается, начиная с гипотетического Большого взрыва, давшего энергию для ее формирования и развития. Эта концепция была предложена в 40-е и окончательно утвердилась в 70-е гг. Современный эволюционизм в биологических науках нашел свое проявление в поиске закономерностей и механизмов эволюции сразу на многих уровнях организации живой материи. Основная работа велась (и ведется) на молекулярно-генетическом уровне, в результате чего была создана синтетическая теория эволюции (синтез генетики и дарвинизма). Проникновение принципа эволюционизма в геологию привел к утверждению концепции дрейфа континентов. Возник ряд дисциплин, которые сформировались именно благодаря применению принципов развития и поэтому были эволюционны в самой своей основе: биогеохимия, антропология, экология и т.д.

Одним из важнейших результатов внедрения принципа глобального эволюционизма было возникновение синергетики. Если в классической науке господствовало убеждение, что материи свойственна тенденция к понижению степени ее упорядоченности, стремление к равновесию, т.е. в энергетическом отношении к хаотичности. Однако исследование живых систем давало факты, прямо противоречащие этому. Степень их упорядоченности не только не убывала со временем, а напротив, возрастала. Распространение принципа эволюционизма на все уровни материи сделал это противоречие еще более заметным. Стало очевидным, что для сохранения целостного непротиворечивого представления о мире нужно признать, что в природе, во Вселенной действует не только разрушительный, но и созидательный принцип. Материя способна самоорганизовываться и самоусложняться. Возникла теория самоорганизации, которая стала развиваться по нескольким направлениям – синергетика (Г.Хакен), неравновесная термодинамика (И.Пригожин), теория катастроф (Р.Том). Сформировавшись на базе физических дисциплин – термодинамики, радиофизики и др., в настоящее время синергетика имеет междисциплинарный характер. Ее идеи подводят базу под глобальный эволюционный синтез, осуществляющийся в науке.

В то же время во второй половине ХХ века стала складываться парадоксальная ситуация: с одной стороны, наука предъявила весомые доказательства своей ведущей роли в обществе, с другой стороны, в культуре формировалось и развивалось отрицательное отношение к науке – антисциентизм. Использование научных открытий для создания новых видов оружия и вооружения злодеев средствами массового уничтожения (от ядерного до химического и бактериологического), применение научных достижений для манипулирования сознанием людей, попытки создания в обществе тотального компьютерного контроля, эксперименты с генами животных и людей и др. – все это заставило многих отказаться от своей прежней безоговорочной веры в науку. Все это свидетельствует о кризисе культуры и цивилизации и связанной с ним переоценке ценностей. При этом подвергаются серьезной критике и уточняются место и роль науки, и, прежде всего, естествознания и техники, в жизни общества.

Тема 5. Структурные уровни организации материи

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира, будь то атом, планета и т.д. может быть рассмотрен как система – сложное образование, включающее составные части, элементы и связи между ними. Элемент в данном случае означает минимальную, далее неделимую часть данной системы.

Совокупность связей между элементами образует структуру системы, устойчивые связи определяют упорядоченность системы. Связи по горизонтали – координирующие, обеспечивают корреляцию (согласованность) системы, ни одна часть системы не может измениться без изменения других частей. Связи по вертикали – связи субординации, одни элементы системы подчиняются другим. Система обладает признаком целостности – это означает, что все ее составные части, соединяясь в целое, образуют качество, не сводимое к качествам отдельных элементов. Согласно современным научным взглядам все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы.

В самом общем смысле слова «система» обозначает любой предмет или любое явление окружающего нас мира и представляет собой взаимосвязь и взаимодействие частей (элементов) в рамках целого. Структура - это внутренняя организация системы, которая способствует связи ее элементов в единое целое и придает ей неповторимые особенности. Структура определяет упорядоченность элементов объекта. Элементами являются любые явления, процессы, а также любые свойства и отношения, находящиеся в какой-либо взаимной связи и соотношении друг с другом.

В понимании структурной организации материи большую роль играет понятие «развитие». Понятие развития неживой и живой природы рассматривается как необратимое направленное изменение структуры объектов природы, поскольку структура выражает уровень организации материи. Важнейшее свойство структуры - ее относительная устойчивость. Структура - это общий, качественно определенный и относительно устойчивый порядок внутренних отношений между подсистемами той или иной системы. Понятие "уровень организации" в отличие от понятия "структура" включает представление о смене структур и ее последовательности в ходе исторического развития системы с момента ее возникновения. В то время как изменение структуры может быть случайным и не всегда имеет направленный характер, изменение уровня организации происходит необходимым образом. Системы, достигшие соответствующего уровня организации и имеющие определенную структуру, приобретают способность использовать информацию для того, чтобы посредством управления сохранить неизменным (или повышать) свой уровень организации и способствовать постоянству (или уменьшению) своей энтропии (энтропия – мера беспорядка).

До недавнего времени естествознание, и другие науки могли обходиться без целостного, системного подхода к своим объектам изучения, без учета исследования процессов образования устойчивых структур и самоорганизации.

В настоящее время проблемы самоорганизации, изучаемые в синергетике, приобретают актуальный характер во многих науках, начиная от физики и кончая экологией. Задача синергетики - выяснение законов построения организации, возникновения упорядоченности. В отличие от кибернетики здесь акцент делается не на процессах управления и обмена информацией, а на принципах построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения (Г.Хакен).

Вопрос об оптимальной упорядоченности и организации особенно остро стоит при исследованиях глобальных проблем - энергетических, экологических, многих других, требующих привлечения огромных ресурсов.

Современные взгляды на структурную организацию материи

В классическом естествознании учение о принципах структурной организации материи было представлено классическим атомизмом. Идеи атомизма служили фундаментом для синтеза всех знаний о природе. В XX веке классический атомизм подвергся радикальным преобразованиям.

Современные принципы структурной организации материи связаны с развитием системных представлений и включают некоторые концептуальные знания о системе и ее признаках, характеризующих состояния системы, ее поведение, организацию и самоорганизацию, взаимодействие с окружением, целенаправленность и предсказуемость поведения и др. свойства.

Наиболее простой классификацией систем является деление их на статические и динамические, которое, несмотря на его удобство все же условно, т.к. все в мире находится в постоянном изменении. Динамические системы делят на детерминистские и стохастические (вероятностные). Эта классификация основана на характере предсказания динамики поведения систем. В первом случае предсказания носят однозначный и достоверный характер. Такие системы исследуются в механике и астрономии. В отличие от них стохастические системы, которые обычно называют вероятностно – статистическими, имеют дело с массовыми или повторяющимися случайными событиями и явлениями. Поэтому предсказания в них имеют не достоверный, а лишь вероятностный характер.

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы открытые и закрытые (изолированные), а иногда выделяют также частично открытые системы. Такая классификация носит в основном условный характер, т.к. представление о закрытых системах возникло в классической термодинамике как определенная абстракция. Подавляющее большинство, если не все системы, являются открытыми.

Многие сложноорганизованные системы, встречающиеся в социальном мире, являются целенаправленными, т.е. ориентированными на достижение одной или нескольких целей, причем в разных подсистемах и на разных уровнях организации эти цели могут быть различными и даже придти в конфликт друг с другом.

Классификация и изучение систем позволили выработать новый метод познания, который получил название системного подхода. Применение системных идей к анализу экономических и социальных процессов способствовало возникновению теории игр и теории принятия решений. Самым значительным шагом в развитии системного метода было появление кибернетики как общей теории управления в технических системах, живых организмах и обществе. Хотя отдельные теории управления существовали и до кибернетики, создание единого междисциплинарного подхода дало возможность раскрыть более глубокие и общие закономерности управления как процесса накопления, передачи и преобразования информации. Само же управление осуществляется с помощью алгоритмов, для обработки которых служат компьютеры.

Универсальная теория систем, обусловившая фундаментальную роль системного метода, выражает с одной стороны, единство материального мира, а с другой стороны, единство научного знания. Важным следствием такого рассмотрения материальных процессов стало ограничение роли редукции в познании систем. Стало ясно, что чем больше одни процессы отличаются от других, чем они качественно разнороднее, тем труднее поддаются редукции. Поэтому закономерности более сложных систем нельзя полностью сводить к законам низших форм или более простых систем. Как антипод редукционистского подхода возникает холистический подход (от греч. holos – целый), согласно которому целое всегда предшествует частям и всегда важнее частей.

Всякая система есть целое, образованное взаимосвязанными и взаимодействующими его частями. Поэтому процесс познания природных и социальных систем может быть успешным только тогда, когда в них части и целое будут изучаться не в противопоставлении, а во взаимодействии друг с другом.

Современная наука рассматривает системы как сложные, открытые, обладающие множеством возможностей новых путей развития. Процессы развития и функционирования сложной системы имеют характер самоорганизации, т.е. возникновения внутренне согласованного функционирования за счет внутренних связей и связей с внешней средой. Самоорганизация – это естественнонаучное выражение процесса самодвижения материи. Способностью к самоорганизации обладают системы живой и неживой природы, а также искусственные системы.

В современной научно обоснованной концепции системной организации материи обычно выделяют три структурных уровня материи:

мегамир – мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики); мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние измеряется световыми годами, а время миллионами и миллиардами лет;

макромир – мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин: земных расстояний и скоростей, масс и объемов; размерность макрообъектов соотносима с масштабами человеческого опыта – пространственные величины от долей миллиметра до километров и временные измерения от долей секунды до лет.

микромир – мир атомов и элементарных частиц – предельно малых непосредственно ненаблюдаемых объектов, размерность от 10^-8 см до 10^-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10^-24 с.

Изучение иерархии структурных уровней природы связано с решением сложнейшей проблемы определения границ этой иерархии как в мегамире, так и в микромире. Объекты каждой последующей ступени возникают и развиваются в результате объединения и дифференциации определенных множеств объектов предыдущей ступени. Системы становятся все более многоуровневыми. Сложность системы возрастает не только потому, что возрастает число уровней. Существенное значение приобретает развитие новых взаимосвязей между уровнями и со средой, общей для таких объектов и их объединений.

Микромир, будучи подуровнем макромиров и мегамиров, обладает совершенно уникальными особенностями и поэтому не может быть описан теориями, имеющими отношение к другим уровням природы. В частности, этот мир изначально парадоксален. Для него не применим принцип «состоит из». Так, при соударении двух элементарных частиц никаких меньших частиц не образуется. После столкновения двух протонов возникает много других элементарных частиц – в том числе протонов, мезонов, гиперонов. Феномен «множественного рождения» частиц объяснил Гейзенберг: при соударении большая кинетическая энергия превращается в вещество, и мы наблюдаем множественное рождение частиц. Микромир активно изучается. Если 50 лет назад было известно всего лишь 3 типа элементарных частиц (электрон и протон как мельчайшие частицы вещества и фотон как минимальная порция энергии), то сейчас открыто около 400 частиц. Второе парадоксальное свойство микромира связано с двойственной природой микрочастицы, которая одновременно является волной и корпускулой. Поэтому ее невозможно строго однозначно локализовать в пространстве и времени. Эта особенность отражена в принципе соотношения неопределенностей Гейзенберга.

Наблюдаемые человеком уровни организации материи осваиваются с учетом естественных условий обитания людей, т.е. с учетом наших земных закономерностей. Однако это не исключает предположения о том, что на достаточно удаленных от нас уровнях могут существовать формы и состояния материи, характеризующиеся совсем другими свойствами. В связи с этим ученые стали выделять геоцентрические и негеоцентрические материальные системы.

Геоцентрический мир – эталонный и базисный мир ньютонова времени и эвклидова пространства, описывается совокупностью теорий, относящихся к объектам земного масштаба. Негеоцентрические системы – особый тип объективной реальности, характеризующийся иными типами атрибутов, иным пространством, временем, движением, нежели земные. Существует предположение о том, что микромир и мегамир – это окна в негеоцентрические миры, а значит, их закономерности хотя бы в отдаленной степени позволяют представить иной тип взаимодействий, чем в макромире или геоцентрическом типе реальности.

Еще одна типология материальных систем имеет сегодня достаточно широкое распространение. Это деление природы на неорганическую и органическую, в которой особое место занимает социальная форма материи. Неорганическая материя – это элементарные частицы и поля, атомные ядра, атомы, молекулы, макроскопические тела, геологические образования. Органическая материя также имеет многоуровневую структуру: доклеточный уровень – ДНК, РНК, нуклеиновые кислоты; клеточный уровень – самостоятельно существующие одноклеточные организмы; многоклеточный уровень – ткани, органы, функциональные системы (нервная, кровеносная и др.), организмы (растения, животные); надорганизменные структуры – популяции, биоценозы, биосфера. Социальная материя существует лишь благодаря деятельности людей и включает особые подструктуры: индивид, семья, группа, коллектив, государство, нация и др.

Основные понятия темы:

Развитие – необратимое направленное изменение структуры объектов природы.

Структура - это относительно устойчивый порядок внутренних отношений между подсистемами или элементами системы.

Система – определенная целостность, образованная совокупностью взаимодействующих частей, элементов.

Элементы – явления, свойства и отношения, находящиеся во взаимосвязи и соотношении друг с другом в рамках некоторой целостности.

Уровень организации - определенный этап в последовательной смене структур в ходе исторического развития системы с момента ее возникновения.

Мегамир – структурный уровень материи, включающий мир космоса (планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики).

Макромир – мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин (мир земных расстояний и скоростей, масс и объемов).

Микромир – мир атомов и элементарных частиц.

Геоцентрический мир – эталонный и базисный мир ньютонова времени и эвклидова пространства, описывается совокупностью теорий, относящихся к объектам земного масштаба.

Негеоцентрический мир – особый тип объективной реальности, характеризующийся иными типами атрибутов, иным пространством, временем, движением по сравнению с нашим, земным миром.

Стохастический – случайный.

Самоорганизация – процесс взаимодействия элементов, в результате которого происходит возникновение нового порядка или структуры в системе.

Тема 6. Макромир: вещество и поле. Принципы классической физики