Концепции современного естествознания

УДК 537.8

ББК В33

А 65

кандидат философских наук, доцент НИУ ИТМО

А65 Концепции современного естествознания. Учебное пособие. – СПб. : Издательство СПбГУТ, 2012. –  с.

Содержит основной материал по курсу «Концепции современного естествознания». Предназначается для студентов гуманитарных специальностей всех форм обучения. Рекомендуется при подготовке к тестированию, семинарским занятиям и экзаменам.


УДК 537.8

ББК В33

Ó Зобова М.Р., 2012

Ó Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский университет телекоммуникаций им.проф. М.А.Бонч-Бруевича», 2012
Мария Романовна Зобова
Концепции современного естествознания
Учебное пособие

Ответственный редактор С.А.Чернов

Редактор Л.А. Медведева

План 2012 г., п. 160

Подписано к печати 22.02.2012

Объем 2,0 усл. печ. л. Тираж 300 экз. Заказ 151

Издательство СПбГУТ. 191186 СПб., наб. р. Мойки, 61

Отпечатано в СПбГУТ

развитие в трудах Дж.Бруно, Г.Галилея и И.Кеплера . . . . .

завершающий этап коперниканской революции . . . . . . . . . .

А.Эйнштейна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

синергетики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

синергетическими системами . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Вненаучные формы познания . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Необходимость изучения дисциплины обусловлена рядом негативных тенденций в современном обществе, особенно в России, связанных с падением престижа науки, снижением образовательного уровня населения и агрессивным распространением псевдонаучных «теорий» («эзотерики», астрологии, хиромантии, магии, астрологии, оккультизма и т.п.), которые нередко являются следствием простой естественнонаучной безграмотности. Научное мировоззрение может и должно противодействовать и наивному догматизму, и интеллектуальному хаосу, и разного рода лжеучениям, которые нередко используются для манипулирования общественным сознанием в политических целях или прямого обмана легковерных людей с целью наживы.

Предлагаемое пособие ставит своей главной целью формирование у читателей научного мировоззрения, соответствующего современному уровню развития фундаментальных концепций естествознания. Оно учитывает историю развития естествознания, в том числе взгляды таких классиков мировой науки, как Аристотель, Коперник, Кеплер, Галилей, Ньютон, Дарвин, Лобачевский, Эйнштейн, Фридман, Бор, Гейзенберг, Гамов, Вернадский, Пригожин, Хокинг и многих других.

Автор выражает надежду на то, что его работа будет полезна студентам, преподавателям высшей школы и всем, интересующимся проблемами современного естествознания.

Часто понятие научной картины мира используется как синоним научного мировоззрения. Однако, с точки зрения большинства исследователей науки, научная картина мира не является аналогом научного мировоззрения. Она является его компонентом, который фиксирует в мировоззрении лишь знания об устройстве мира, полученные на том или ином этапе исторического развития науки.

Итак, что же такое научная картина мира? Существует множество определений научной картины мира. Приведем некоторые наиболее распространенные.

Научная картина мира – это целостное представление о мире на данном этапе развития общества и научного знания. В ней синтезированы знания конкретных наук и философские обобщения.

Научная картина мира – это специфическая форма систематизации научного знания, задающая видение предметного мира.

Научная картина мира – это интегративная система представлений о мире, которая вырабатывается в результате синтеза знаний, полученных в разных областях научного исследования.

А.Эйнштейн полагал, что человек стремится создать в себе простую и ясную общую картину мира, которая в известной мере заменяет ему реальный мир созданной им картиной. Этим занимаются и художник, и философ, и естествоиспытатель - каждый по-своему.¹

Научная картина мира является промежуточным звеном между философией и конкретными науками. Она строится как обобщение основных понятий, принципов, гипотез отдельных наук при помощи определенных философских положений и идей.

Научную картину мира следует относить к общенаучному знанию. Отдельные науки играют здесь роль элементов содержания, а средством их обобщения являются философские положения, выполняющие роль формы.

В структуре научной картины мира выделяют два главных компонента:

- концептуально-понятийный

- чувственно-образный.

Концептуальный компонент представлен:

- философскими понятиями, такими, как материя, движение, пространство, время и др.;

- философскими принципами – принципом всеобщей взаимосвязи и взаимообусловленности явлений и процессов, принципом развития, принципом единства мира и др.;

Концептуально-понятийный компонент представлен также:

- общенаучными понятиями, такими, как поле, вещество, энергия, сила, вселенная и др.;

- общенаучными принципами - принципом детерминизма, принципом верификации, принципом фальсификации, принципом соответствия и др.;

- общенаучными законами – законом сохранения и превращения энергии, законом эволюционного развития и др.

Рассмотрим некоторые наиболее важные для научной картины мира общенаучные принципы.

Принцип детерминизма.

Детерминизм (лат. determinare — определять, ограничивать) — это учение, утверждающее, что все явления связаны причинной связью с более ранними явлениями.

В науке принцип детерминизм означает, что:

1. Всё определено предшествующими событиями и определяет последующие события.

2. Случайных, беспричинных вещей и явлений в мире не существует.

На принципе детерминизма построена вся классическая физика, за исключением термодинамики и молекулярной физики (кинетической теории газов), допускающих случайные события. Детерминизм предполагает обратимость времени, то есть материальная частица придёт в исходное состояние, если обратить время. Каждая траектория движения частицы единственным образом определяется начальными условиями.

Согласно принципу верификации, научной значимостью обладают только те знания, содержание которых можно обосновать протокольными предложениями (записями в протоколах наблюдений или экспериментов ученого). Эти предложения, как «факты науки», согласно доктрине неопозитивизма, обладают приматом перед всеми другими элементами научного знания. Иными словами, неопозитивисты полагали, что в науке существует чистый опыт, свободный от деформирующих влияний со стороны познавательной деятельности субъекта, а также адекватный чистому опыту язык. Предложения, выражаемые этим языком, прямо и непосредственно фиксируют содержание опыта, и поэтому не зависят ни от каких теорий.

Поскольку существуют различные уровни систематизации научного знания, постольку можно выделить три основных значения, в которых применяется понятие «научная картина мира».

1. Общая научная картина мира, которая выступает как целостный образ мира, включающий представления и о природе, и об обществе.

2. Научная картина мира как система представлений о природе, складывающихся в результате синтеза достижений естественнонаучных дисциплин.

3. Научная картина мира как систематизация знаний в отдельной науке, фиксирующая целостное видение предмета данной науки, складывающееся на определенном этапе ее истории и меняющееся при переходе от одного этапа развития науки к другому. В этом значении можно выделить следующие научные картины мира:

- физическую картину мира,

- биологическую картину мира,

- астрономическую картину мира,

- химическую картину мира и др.

М.Планк считал, что идеалом естествознания является построение объективной картины мира. Он поставил вопрос: чем является то, что мы называем «физической картиной мира»? Является ли эта картина более или менее произвольным созданием нашего ума или же, наоборот, мы вынуждены признать, что она отражает реальные, совершенно не зависящие от нас, явления природы?

А.Эйнштейн провел анализ понятия «физическая реальность» и выделил два возможных понимания:

1. Это сам объективный мир, существующий независимо от человеческого сознания.

2. Это то, как мы представляем себе этот мир.

Представление о природе в физике со временем изменялось, поэтому можно говорить о различных картинах физического мира, которые лежали в основе научной картины мира. Можно выделить следующие картины мира в истории физики:

- механистическая,

- электромагнитная,

- релятивистская,

- квантово-полевая,

- современная (основанная на понятии физического вакуума).

М.Борн считал, что каждая физическая картина мира имеет свои границы, которые обнаруживаются самим развитием физики, открытием новых фактов, выявлением действия новых законов природы.

Ученые показали, что для создания новой картины мира требуется разработка определенного категориального (понятийного) аппарата. Он выступает базой для создания новой научной картины мира. Так, механистическая картина мира базировалась на таких понятиях, как: неделимая частица или корпускула, абсолютное пространство и время, лапласовская причинность (детерминизм), дальнодействие и др. Электромагнитная картина мира базировалась на понятиях: поле, электромагнитная волна, непрерывное взаимодействие, близкодействие и др.

Все великие революции в науке всегда были связаны с перестройкой научной картины мира. Считается, что создание классической механики явилось первой научной революцией.

Свою гипотезу развития науки как смены научных парадигм (что близко по смыслу сменам картин мира) предложил в 50-х годах ХХ столетия американский ученый Томас Кун в своей работе «Структура научных революций».

Научная картина мира – образование не застывшее, а постоянно изменяющееся. В процессе развития научных и технических знаний в ней происходят качественные преобразования, которые приводят к замене старой картины мира на новую. Смена картин мира зависит от изменения научной парадигмы. Научная парадигма – это совокупность методов, способов, принципов научного познания, а также теорий и гипотез, принятых научным сообществом в определенный исторический период времени. Научная парадигма – это и образец, эталон, шаблон, применяемый для решения стоящих научных проблем и задач. Со временем этот эталон начинает давать сбои, не срабатывает, появляется все больше фактов ему не подвластных, которые получают название аномалии. Этих аномалий становится все больше и больше, и тогда возникает необходимость в замене старой парадигмы на новую. С появлением новой научной парадигмы изменяется и картина мира, происходит научная революция.

В развитии науки Кун выделяет два периода:

- период нормального развития, когда всех устраивает существующая научная парадигма, которая успешно решает поставленные перед ней задачи,

- революционный период, когда перед научным сообществом встает задача перехода к новой научной парадигме.

Возникновение картины мира.

Первые дошедшие до нас естественнонаучные представления об окружающем мире были, сформулированы древнегреческими философами и учеными в 6-5 вв. до нашей эры. Их учения опирались на накопленные ранее знания и религиозный опыт египтян, шумеров, вавилонян, сирийцев, но отличались от последних стремлением проникнуть в суть, в скрытый механизм явлений мира. Основополагающие положения этих учений могут быть сформулированы как основные принципы античной картины мира.

1. 
   Принцип круговых форм, движений и цикличности. Наблюдение круглых дисков Солнца и Луны, закругленной линии горизонта на море, восходы и заходы светил, смена времен года, отдыха и труда и т. д. наводили греков на мысль о круговых формах, движениях, циклах развития.
   
2. 
   Принцип существования начала, лежащего в основе многообразия явлений мира. Первые представления о таком начале сводились к первичным стихиям, таким, как вода, воздух, земля и огонь. В дальнейшем появляются абстрактные представления, не сводимые к чувственному восприятию, такие, как атом Демокрита или материя Платона и Аристотеля.
   
3. 
   Представление о небесном своде. Предполагалось, что Земля находится в центре мира, а твердый небесный свод служит опорой для звезд и отделяет небо от Земли. Звезды неподвижно прикреплены к небесному своду, а планеты (к которым относили Солнце и Луну) перемещаются относительно фона неподвижных звезд. Слово «планета» произошло от древнегреческого слова «блуждающий». Двигаясь вокруг Земли, планеты совершали сложные, петлеобразные движения. Причина в том, что каждая планета, как считалось, прикреплена к прозрачной твердой сфере. Сфера обращалась равномерно вокруг Земли по правильной круговой орбите, а сама планета перемещалась еще и по сфере. Представление о небесном своде (сфере неподвижных звезд) сохранялось даже в системе Н.Коперника, хотя он и перенес центр мира с Земли на Солнце.
   
4. 
   Принцип одухотворенности небесных тел. Платон считал, что планеты, как и другие движущиеся без видимых причин тела, обладают душой. Ученик Платона Аристотель первопричиной движения тел считал перводвигатель, являющийся нематериальным, неподвижным, вечным, совершенным.
   
5. 
   Принцип небесного совершенства. Платон, Аристотель и другие философы верили, что небеса идеальны во всех отношениях. Исходя из этого они считали, что небесные тела, их сферы и орбиты, по которым они движутся, должны состоять из нерушимой вечной субстанции – эфира. Форма небесных тел должна быть сферической, поскольку сфера – это единственное геометрическое тело, все точки поверхности которого равноудалены от центра. Сфера (круг) считалась у греков идеальной, совершенной фигурой.
   
6. 
   Принцип музыки небесных сфер. Для пифагорейцев музыкальная гармония и движение планет были обусловлены одними и теми же математическими законами. Пифагор открыл замечательную связь между числами и законами музыкальной гармонии. Он обнаружил, что высота тона колеблющейся струны, концы которой закреплены, прямым образом зависит от ее длины. Уменьшение длины колеблющейся части скрипичной струны вдвое приводит к повышению тона рождаемого ей звука на октаву. Уменьшение длины струны на одну треть повышает тон звука на квинту, на одну четверть – на кварту, на одну пятую – на терцию. Пифагорейцы также обнаружили закономерность изменения высоты звука от величины вращающегося объекта и от расстояния от объекта до наблюдателя. Так, камень, привязанный к веревке и вращаемый над головой, будет издавать звук определенной высоты. Если изменять величину камня и длину веревки, то и высота издаваемого камнем звука будет меняться. Следуя этой логике рассуждений, Пифагор предполагал музыкально-числовую структуру космоса и музыку небесных сфер.
   
7. 
   Принцип пустоты или заполненности космоса. По этому вопросу древнегреческие философы разделились на две противоборствующие школы. Глава одной из них – Демокрит - считал, что вещество космоса состоит из крошечных, невидимых, неделимых частиц – атомов, движущихся в окружающем пустом пространстве. По мнению же их противников (например, Парменида) мир заполнен одной или несколькими субстанциями, образующими сплошную среду.
   
8. 
   Принцип центризма или однородности. Находимся ли мы в центре Вселенной или у Вселенной центра в принципе не существует, и существовать не может? Мир Платона и Аристотеля напоминал луковицу, в середине которой находилась Земля, тогда как сфера неподвижных звезд составляла ее внешнюю оболочку. Атомисты считали по-другому. В частности Лукреций Кар писал, что Вселенная не имеет центра и содержит бесконечное множество обитаемых миров.
   

Под Вселенной Аристотель понимал всю существующую материю, состоящую из 4-х обычных элементов: земли, воды, воздуха и огня, а также 5-го элемента – эфира, в отличие от других не имеющего ни легкости, ни тяжести.

Все телам присуще движение. Движение есть переход возможного в действительное (потенциального в актуальное). Но не всякая возможность переходит в действительность, а только такая возможность, которая соответствует конечной цели данной вещи (энтелехии). У каждой вещи, согласно Аристотелю, есть конечная, высшая цель, являющаяся законом для данной вещи. Мы можем не знать всех целей, но они обязательно есть. Аристотель – основоположник концепции о всеобщей целесообразности – телеологии. Движение вообще определяется через его дюнамис, энергию и энтелехию. Аристотель подчеркивал, что знание движения – ключ к познанию природы, ведь природа есть начало движения и изменения. Движение вечно, потому, что вечно время.

Вселенная – это конечная ограниченная сфера, за границами которой нет ничего материального.

Там нет и пространства, которое мыслится как место; это означает, что пространства без тел не бывает, следовательно, в природе нет пустоты. Аристотель отрицает пустоту на том основании, что ее признание влечет за собой массу трудностей для понимания Космоса. Многие философы считали необходимым допустить существование пустоты, раз есть движение (атомисты), с другой стороны, отрицание пустоты приводит к отрицанию движения (элеаты). Те и другие неправы: движение есть, но пустоты нет.

Согласно Аристотелю, пространство состоит из мест, занимаемых телами. Но что такое место? Бесконечное существует, потому что всякая граница предполагает выход за ее пределы и т.д. до бесконечности. В понятии границы тела он различает границу самого тела и границу объемлющего тела. Последняя и будет «местом». Поэтому место связано с движущимся телом, но оно с ним не перемещается. Если объемлющего тела нет, то вопрос о месте бессмыслен.

За пределами Вселенной не существует и времени. В каком смысле существует время? Парадоксально взаимоотношение времени и движения. Время не существует без движения, но оно не есть движение, потому что время равномерно, движения же неравномерны. Поэтому время – мера движения. Но парадокс в том, что само время измеряется движением, которое есть мера времени. Итак, время – мера движения, а движение – мера времени. Выход из этого парадокса в том, что мерой времени является не всякое движение, а движение небесной сферы. Это равномерное круговое движение есть «круг времени».

За пределами Вселенной помещался нематериальный, вечный, неподвижный, совершенный перводвигатель (божество), который сообщал миру, в частности и космическим телам, совершенное равномерное круговое движение.

Так как шарообразность Вселенной была видна невооруженным глазом в форме небосвода, в круговом суточном движении небесных светил (Солнца, Луны и др.), в наблюдении лунных затмений, когда круглая тень Земли наползала на диск Луны (что подтверждало и шарообразность нашей Земли), то в такой ограниченной Вселенной должен был существовать центр, как особая точка, равноудаленная от периферии. Таким образом, центральное положение Земли следовало из общих свойств Вселенной: самый тяжелый элемент – земля, составляющий в основном земной шар, не мог не быть всегда в центре мира. Менее тяжелым элементом, тяготеющим к земле, была вода, а легкими - огонь и воздух. В надлунном мире единственный элемент – эфир - находился в вечном круговом движении в мировом пространстве. Из эфира, согласно Аристотелю, состояли все небесные тела, идеальной сферической формы, скрепленные каждое со свое сферой, твердой и кристально-прозрачной, с которой они вместе двигались по небу. Точнее говоря, двигались сферы, а с ними и планеты. Движение небесных тел с востока на запад Аристотель считал естественным и наилучшим (природа всегда осуществляет наилучшую из возможностей). Аристотель выделял 8 сфер во Вселенной. Он считал, что для небесных тел естественным, совершенным, является именно круговое, вечное, равномерное движение, которое постулировалось как признак совершенства небесных тел. Все это соответствует концепции Аристотеля о том, что все тела стремятся к своему «естественному месту».

Неподвижность Земли в центре мира Аристотель просто постулировал, чтобы обосновать суточное вращение всего небосвода. Согласно ученому, Вселенная не возникла и принципиально неуничтожима, она вечна, поскольку единственна и объемлет всю возможную материю, ей не из чего возникнуть и не во что превратиться. Возникает и уничтожается не Космос, а его состояния.

Космическая система Аристотеля была теорией, опиравшейся на опыт, как его тогда понимали, то есть на полное доверие повседневным наблюдениям (видимые круговые движения планет, Солнца, Луны, закругленная линия горизонта на море и т. п.). Аристотель считал, что Земля свободно парит в пространстве, а не уходит корнями в бесконечность (Ксенофан), и не плавает на воде (Фалес). Но вместе с ошибочными представлениями своих предшественников Аристотель отбросил и правильные догадки пифагорейцев о вращении Земли вокруг свое воображаемой геометрической оси, так как это вращение не ощущалось в повседневном опыте.

Аристотель стремился очистить картину мира от донаучного мифологического элемента. Он резко критиковал древние учения, согласно которым небо и небесные тела, чтобы не упасть на Землю, должны опираться на плечи могучих героев – Атлантов.

Модель Вселенной Аристотеля можно назвать телеологической, опирающейся на высшие конечные цели и причины (перводвигатель, идеальные божественные круговые формы, наилучшая возможность и т.п.). Тем не менее, эта модель стала первым организующим фактором на пути дальнейшего развития науки. В ее рамках на протяжении 1,5 тыс. лет формировались конкретные научные представления. Будучи догматизированной в средневековой Европе и на арабском Востоке, картина мира Аристотеля дожила до 16 века.

Она была математически разработана несколько веков спустя александрийским астрономом Клавдием Птолемеем (87 – 165 гг. н. э.)

Созданию первой математической теории видимого движения планет, «Математической системы», было посвящено 5 из 13 книг Птолемея под общим названием «Альмагест» (в переводе с арабского – «величайшее»). Труд Птолемея стал известен под арабским названием потому, что греческий оригинал был утрачен, и до нас дошел лишь арабский перевод.

В основу своей теории Птолемей положил несколько постулатов: шарообразность Земли, ее неподвижность и центральное положение во Вселенной, равномерное круговое движение небесных тел, колоссальная удаленность Земли от сферы неподвижных звезд.

Птолемей считал, что чем быстрее планета движется, тем ближе к Земле она расположена. Отсюда вытекало и расположение планет относительно Земли: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн.

Птолемей не просто следовал утверждениям Аристотеля, но пытался их обосновать, исходя из известных представлений и наблюдений. Так, он считал, что с поверхности вращающейся Земли (если таковое имело бы место) все свободно лежащие на ней тела должны были бы быть сорваны и отброшены в мировое пространство в сторону, обратную направлению вращения Земли (облака, птицы, люди, дома и т. д.). Отчасти Птолемей был прав. Однако он не учел колоссальную массу Земли по сравнению со всеми живыми и неживыми объектами на ее поверхности. Но никого даже сегодня не удивляет тот факт, что на экваторе вес одних и тех же предметов за счет центробежной силы меньше, чем на полюсе.

Теория Птолемея была грандиозным успехом человеческой мысли в математическом анализе явлений природы. Так, запутанные видимые движения планет были представлены как результат сложения простых элементов – равномерных движений по окружности. В схеме Птолемея движение каждой планеты описывалось следующим образом. Предполагалось, что вокруг неподвижной Земли находится окружность, центр которой помещен несколько в стороне от центра Земли (деферент). По деференту движется центр меньшей окружности – эпицикла – с угловой скоростью, которая постоянна по отношению не к собственному центру деферента и не к самой Земле, а к точке, расположенной симметрично центру деферента относительно Земли. Эту вспомогательную точку, из которой движение планеты будет казаться равномерным (выровненным), как и соответствующую ей окружность, Птолемей ввел для более точного описания наблюдаемых неравномерностей в видимых движениях планет и назвал эквантом (выравнивающим). Сама планета в системе Птолемея равномерно двигалась по эпициклу. Для описания вновь открываемых неравномерностей в движениях Луны или планет вводились новые дополнительные эпициклы – вторые, третьи и т.д. Введением экванта Птолемей нарушал принцип структуры и свойства Вселенной в физической картине мира Аристотеля. Но это понял и на это обратил внимание лишь спустя полторы тысячи лет Коперник.

Теория Птолемея произвела огромное впечатление не только на его современников. Вплоть до 16 века его геоцентрическая система безраздельно властвовала над умами людей. Однако сам Птолемей считал свою теорию лишь способом описания явлений, не претендуя на то, что его сложная конструкция выражала истинное существо вещей (строение Вселенной). Лишь церковь и схоластическая наука средневековья превратили геоцентрическую картину мира в истину в последней инстанции, возвели ее в официальную доктрину, в ранг непререкаемой религиозной догмы.

Справедливости ради следует отметить, что греческих мыслителей, создававших модели движения небесных сфер, можно было разделить на два соперничающих между собой лагеря. Они расходились во взглядах на роль математики и математических моделей.

Представители первого лагеря, возглавляемого Аристотелем, считали математику служанкой философии и здравого смысла. Они полагали, что математика может быть полезной в описании явлений, но она не способна отразить их глубину и сущность.

Представители другого лагеря, пифагорейцы, считали, что в основе всех явлений лежат математические закономерности. Они полагали, что законы математической гармонии – более подходящее руководство к постижению небесных тайн, чем опыт и здравый смысл. Пифагорейцы считали, что более естественным было бы предположить, что наблюдаемое нами движение звезд есть следствие неощущаемого нами же движения Земли по окружности, но в противоположном к движению звезд направлении. В центре этой окружности находится «центральный огонь». Также предполагалось, что Земля вращается вокруг оси, проходящей через ее геометрический центр, подобно тому, как колесо повозки поворачивается на своей оси.

Наивысшем достижением пифагорейцев стала гелиоцентрическая модель мира, предложенная Аристархом Самосским (III в. до н. э.). Он считал Солнце неподвижным, расположенным в центре мира, а Землю - обращающейся вокруг Солнца и вокруг своей оси. Аристарх так же предполагал, что вся орбита Земли по сравнению со сферой звезд представляет собой не более чем точку.

Однако всем этим идеям суждено было оставаться в стороне от основного русла развития представлений о мире. Возрождение гелиоцентризма произошло лишь в 16 веке.