Основы естествознания

Основы естествознания

Естественно - научная картина мира. 

Научная картина мира это – множество теорий в совокупности описывающих   известный человеку природный мир, целостная система представлений об общих принципах и законах устройства мироздания. Специальные картины мира как особая форма теоретических знаний являются продуктом длительного исторического развития науки. Они возникли в качестве относительно самостоятельных фрагментов общенаучной картины мира на этапе формирования дисциплинарно организованной науки (конец XVIII — первая половина XIX в.). 

Механическая картина мира.

Важнейшую роль в построении механической картины мира сыграли: принцип материального единства мира, исключающий схоластическое разделение на земной и небесный мир; принцип причинности и закономерности природных процессов, принципы экспериментального обоснования знания и установка на соединение экспериментального исследования природы с описанием ее законов на языке математики. Обеспечив построение механической картины мира, эти принципы превратились в ее философское обоснование. Механическая картина мира. Многие поколения поражала и продолжает поражать величественная и цельная картина мира, которая была создана на основе механики Ньютона. Согласно Ньютону, весь мир состоит "из твердых, невесомых, непроницаемых, подвижных частиц". Эти "первичные частицы абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем тела, которые из них состоят, настолько тверды, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются вдребезги." Отличаются они друг от друга главным образом количественно, своими массами. Все богатство, все качественное многообразие мира - это результат различий в движении частиц. Внутренняя сущность частиц остается на втором плане. Основанием для такой единой картины мира послужил всеобъемлющий характер открытых Ньютоном законов движения тел. Этим законам с удивительной точностью подчиняются как громадные небесные тела, так и мельчайшие песчинки, гонимые ветром и даже ветер - движение невидимых глазом частиц воздуха - подчиняется тем же законам. Однако простая механическая картина мира оказалась не состоятельной. выяснилось, что электромагнитные процессы не подчиняются законам механики Ньютона.

Электромагнитная картина мира.

Эта модель природы возникла в конце XIX в. Идеи, которые легли в ее основу, начали формироваться в физике задолго до ее утверждения. В то время еще господствовал механистический способ мышления. Но он уже не был в состоянии объяснить новые эмпирические факты, полученные в различных «не механических» областях исследования. Закон сохранения энергии сыграл большую роль в открытиях, связанных с электрическими и магнитными явлениями. «Беря на себя задачу отыскать законы электричества, мы видим, что не обладаем никаким другим доступным вспомогательным средством исследования, кроме как единственно и исключительно принципом сохранения энергии»,- говорил Макс Планк. Первые исследования по электричеству и магнетизму начались еще задолго до открытия закона сохранения и превращения энергии.

До Фарадея никто не говорил о том, что силовое поле - это не результат механических перемещений тел, не формальная схема, которая необходима для объяснения явлений, что оно само по себе является материальной субстанцией. Дальнейшее развитие представлений о поле связано с Максвеллом. Все законы природы сводились к законам электромагнетизма, которые математически выражались уравнениями Максвелла. Вещество представлялось состоящим из электрически заряженных частиц. Ставилась задача «построить модель атома, составленного из определенных сочетаний положительного и отрицательного электричества».

Революция в естествознании и смена прежней картины мира.

Эйнштейновская революция (рубеж XIX-XX веков). Ее обусловила серия открытий (открытие сложной структуры атома, явление радиоактивности, дискретного характера электромагнитного излучения и т.д.). В итоге была подорвана, важнейшая предпосылка механистической картины мира – убежденность в том, что с помощью простых сил действующих между неизменными объектами можно объяснить все явления природы.  

Фундаментальные основы новой картины мира:   общая и специальная теория относительности (новая теория пространства и времени привела к тому, что все системы отсчета стали равноправными, поэтому все наши представления имеют смысл только в определенной системе отсчета. Картина мира приобрела релятивный, относительный характер, видоизменились ключевые представления о пространстве, времени, причинности, непрерывности, отвергнуто однозначное противопоставление субъекта и объекта, восприятие оказалось зависимым от системы отсчета, в которую входят и субъект и объект, способа наблюдения и т.д.) квантовая механика (она выявила вероятностный характер законов микромира и неустранимый корпускулярно-волновой дуализм в самых основах материи). 

Стало ясно, что абсолютно полную и достоверную научную картину мира не   удастся создать никогда, любая из них обладает лишь относительной истинностью. Позднее в рамках новой картины мира произошли революции в частных науках в космологии (концепция не стационарной Вселенной), в биологии (развитие генетики), и т.д. Таким образом, на протяжении XX века естествознание очень сильно изменило свой облик, во всех своих разделах. Три глобальных революции предопределили три длительных периода развития науки, они являются ключевыми этапами в развитии естествознания. Это не означает, что лежащие между ними периоды эволюционного развития науки были периодами застоя.

Концепция необратимости и термодинамики.

Понятие времени в классической термодинамике.

Классическую термодинамику Клаузиуса издавна называют королевой наук. Это замечательная научная система, детали которой ни по красоте, ни по блестящей законченности не уступают всей системе в целом. Последние слова принадлежат М. Планку. Такую славу она снискала благодаря предельной широте и универсальности своего фундамента - первого и второго , начал, которым призвано подчиняться все сущее. Именно поэтому термодинамике было суждено сыграть роль стартовой площадки при разработке общей теории природы.

Открытые системы и новая термодинамика.

Но классическая термодинамика не знакома со временем и пространством: она признает только такие понятия, как покой (равновесие), для которого не существует времени, и однородность, для которой безразлична протяженность в пространстве. Этот недостаток особенно ощутим для инженера, сильно стесненного рамками времени и пространства.
Чтобы справиться с указанной трудностью, Онзагером была предложена термодинамика необратимых процессов, уже содержавшая и время, и пространство, и эффекты выделения теплоты трения в необратимых (неравновесных) процессах. Это был революционный шаг принципиальной важности. Однако теория Онзагера по-прежнему имеет в своей основе второй закон классической термодинамики, с помощью которого вводится понятие энтропии, справедливой только для состояния равновесия. Поэтому, строго говоря, применение термодинамики Онзагера ограничивается лишь процессами, бесконечно мало отклоняющимися от состояний равновесия. Это направление получило широкое развитие, особенно в рамках нидерландско-бельгийской школы; термодинамика необратимых процессов стала именоваться термодинамикой неравновесных процессов, но фундамент ее не претерпел, изменений.

Открытые системы и неравновесная термодинамика.

Неравновесная термодинамика открытых систем изучает существенно неравновесные процессы. В их описании ключевую роль играет понятие возрастания энтропии системы за счет процессов, происходящих внутри нее. Такой подход привел к новому взгляду на привычные понятия. Выдающаяся роль в развитии данного научного направления принадлежит И.Р. Пригожину, удостоенному за свои работы Нобелевской премии в 1977 году. Большой вклад внесли также Л.Берталанфи, Л.Онзагер, Л.И.Мандельштам, М.А.Леонтович, М.Эйген, Г.Хакен . Открытые системы, в которых наблюдается прирост энтропии, получили название диссипативных. В таких системах энергия упорядоченного движения переходит в энергию неупорядоченного хаотического движения, т.е. в тепло. Если замкнутую систему вывести из состояния равновесия, то в ней начнутся процессы, возвращающие ее к состоянию термодинамического равновесия, в котором ее энтропия достигает максимального значения. Со временем степень неравновесности будет уменьшаться, однако, в любой момент времени ситуация будет неравновесной. В случае открытых систем отток энтропии наружу может уравновесить ее рост в самой системе. В этих условиях может возникнуть и поддерживаться стационарное состояние. Такое состояние Берталанфи назвал текущим равновесием. По своим характеристикам текущее равновесие может быть близко к равновесным состояниям. В этом случае производство энтропии минимально (теорема Пригожина). Если же отток энтропии превышает ее внутреннее производство, то возникают и разрастаются до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации. При определенных условиях в системе начинает происходить самоорганизация - создание упорядоченных структур из хаоса. Эти структуры могут последовательно переходить во все более сложные состояния. Такие образования в диссипативных системах Пригожин назвал диссипативными структурами. 

Самоорганизация в открытых системах.

Одним из результатов внедрения принципа универсального эволюционизма было   возникновение синергетики. В классической науке господствовало убеждение, что материи свойственна тенденции к понижению степени ее упорядоченности, стремление к равновесию, что в энергетическом смысле означает хаотичность. Когда принцип эволюционизма, был распространен на другие уровни организации материи, противоречие стало еще заметнее. Стало очевидно, что для сохранения целостной не противоречивой картины мира нужно признать, что в природе действует не только разрушительный, но и созидательный принцип. Что материя способна самоорганизовываться и самоусложняться. На волне этих проблем возникла синергетика – теория самоорганизации. В настоящее время она развивается по нескольким направлениям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И. Пригожин) и др. Общими положениями для всех для них являются следующие: процессы разрушения и созидания во Вселенной по меньшей мере равноправны. процессы созидания нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем в которых они осуществляются. Таким образом, синергетика ставит перед собой задачу выявление некого универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так в неживой природе. Под самоорганизацией в данном случае понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложного к более сложным и упорядоченным формам организации. Объектами синергетики являются системы, которые 1. открытые, то есть, способны обмениваться веществом с окружающей внешней средой; 2. неравновесные, то есть находящиеся в состоянии далеком от термодинамического равновесия. Развитие таких систем, приводящее к постепенному нарастанию сложности, протекает следующим образом первая фаза – период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, приводящими в итоге к некому неустойчивому критическому состоянию. Вторая фаза – выход из критического состояния одномоментно скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности. Особенно важно учесть, что переход в новое устойчивое состояние не является однозначным. Система достигшая, критического состояния находится как бы на развилке, оба варианта в момент выбора являются одинаково возможными. Но как только выбор сделан, и система достигла нового состояния равновесия, обратного пути нет, развитие систем такого рода всегда необратимо и непредсказуемо, точнее любые прогнозы ее развития могут носить лишь вероятностный характер. Синергетическая интерпретация явлений открывает новые возможности их изучения. 

Концепция эволюции в биологии.

Чарльз Дарвин - основоположник теории эволюции.

Учение Дарвина - "Происхождения видов путем естественного отбора". Причины эволюции - борьба за существование и естественный отбор. Инструмент эволюции - изменчивость. При этом на первое место по значению для эволюции видов Дарвин поставил индивидуальную (неопределенную) изменчивость. Три вида борьбы за существование: 

1. Внутривидовая 

2. Межвидовая 

З. Борьба с неблагоприятными условиями неживой природы.  

Цель эволюции по Дарвину - видообразование. Слабым местом в учении Дарвина были представления о наследственности. Дженкин: "Если отбор оставляет в живых те особи, которые лишь незначительно отличаются от других, то уже при следующем скрещивании наступает "поглощение" новых признаков, т.к. партнер по скрещиванию вероятнее всего не имеет этого нового свойства - произойдет растворение признаков в потомстве". 

Основные факторы и движущие силы эволюции.

Современная теория эволюции (СТЭ) выявляет следующие механизмы эволюции: 

1. СТЭ выделяет элементарную структуру, с которой   начинается эволюция. Это популяция (т.е. совокупность индивидов одного вида, способных скрещиваться между собой), а не отдельная особь или вид, который включает в свой состав несколько популяций; 

2. В качестве элементарного явления или процесса эволюции современная теория рассматривает устойчивое изменение генотипа популяции; 

3. СТЭ шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции, выделяя среди них основные и неосновные. Сами основные факторы теперь понимаются по-новому и соответственно этому к ведущим факторам относят сейчас мутационные процессы, популяционные волны численности и изоляцию. Важнейшим из них является мутационный процесс, который исходит из признания того неоспоримого теперь факта, что основную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций (т.е. изменений наследственных свойств организмов, возникающих естественным путем или вызванных искусственными средствами). 

Систематическая теория эволюции.

Систематическая теория эволюции основывается на принципах синергетики, в частности на принципе самоорганизации и саморазвитии сложных систем. Такой моделью является концепция глобального эволюционизма. В этой концепции Вселенная предстает как развивающееся во времени природное целое, а вся история Вселенной от Большого Взрыва до возникновения человечества рассматривается как единый процесс, в котором космический, химический, биологический и социальный типы эволюции преемственно и генетически связаны между собой. Космохимия, геохимия, биохимия отражают здесь фундаментальные переходы в эволюции молекулярных систем и неизбежности их превращения в органическую материю. В концепции глобального эволюционизма подчеркивается важнейшая закономерность — направленность развития мирового целого на повышение своей структурной организации. Вся история Вселенной — от момента сингулярности до возникновения человека — предстает как единый процесс материальной эволюции, самоорганизации, саморазвития материи.

Философские проблемы эволюционной теории.

Основной философской проблемой эволюционной теории является проблема антропосоциогенеза. Существует большое количество подходов к пониманию этой проблемы. Всех исследователей – философов этой проблемы можно условно разделить на три группы:

1. считают. Что эту проблему разрешить невозможно по ряду объективных причин;

2. считают, что эту проблему и теоретически и практически разрешить можно;

3. марксизм, считается, что ответ на этот вопрос уже дан. 

К философским проблема эволюции можно отнести вопрос о дальнейшем развитии мира и Земли, ведь синергетика предполагает, что сложная самооргнаизующаяся система может вновь вернутся к хаосу.

Список литературы

Вейник А. И. «Термодинамика реальных процессов»

Герценштейн М.Е. О двух вариантах сценария эволюции Вселенной // Изв. ВУЗов. Физика. 1987. № 6. 

Голин Г. М., С.Р. Филонович. Классики физической науки (с древнейших времен до начала ХХ в.). Справочное пособие. - М.: Высшая школа, 1989. - 576 с. 

Карпенков С. Х. Основные концепции естествознания. Учебное пособие для вузов. - М.: Культура и спорт ЮНИТИ, 1998. - 208 с.

Концепции современного естествознания для студентов вузов. Коллектив авторов под рук. С.И.Самыгина. - Ростов н/Д: "Феникс", 1997. - 444 с.

Максвелл и развитие физики XIX — XX веков. Под ред. Полак Л.С. Наука. 1985. 

Найдыш В.М.. Концепции современного естествознания. М., 1999.

Новоженов В.А. Естествознание: Учебное пособие. Барнаул: Изд-во АГУ, 1998.

Рузавин. Г. И. Концепции современного естествознания. - М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. - 287 с.