Методические рекомендации по изучению дисциплины

Дисциплину «Концепции современного естествознания» трудно отнести к «легким» предметам. И, тем не менее, студенту гуманитарного вуза не следует разбрасываться, стремясь охватить как можно больший круг источников для получения максимально точных и объемных знаний по предмету. Специалистом в области естественных наук он в этом случае не станет, а вот время и силы может потерять напрасно. Лучше всего для начала сосредоточиться на самых необходимых текстах, а уж потом переходить к дополнительной литературе. На наш взгляд, знакомство с концепциями современного естествознания наиболее оптимально начинать с чтения книг В. Гейзенберга «Физика и философия. Часть и целое» и М. Борна «Моя жизнь и взгляды». Прекрасной иллюстрацией истории развития науки являются тексты Р. Тарнаса «История западного мышления». Блистательным примером научного синтеза рубежа XX-XXI вв. можно считать книгу П. Дэвиса «Суперсила. Поиски единой теории природы». Из учебников по предмету довольно выигрышно смотрятся: Бондарев В.П. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов гуманитарных специальностей и направлений подготовки – М.: Альфа-М: ИНФРА-М, 2010; Горелов А.А. Концепции современного естествознания: учебное пособие. - М.: Юрайт-Издат, 2009.; Садохин А.П. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям и специальностям экономики и управления. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2009.

“Концепции современного естествознания” в соответствии с требованиями Государственного стандарта является одной из наиболее важных мировоззренческих дисциплин, изучение которой признано необходимым при получении высшего гуманитарного образования. Для понимания этих концепций требуется наличие твердых знаний фактического и исторического материала, связанного с естественнонаучными проблемами (астрономия, физика, химия, биология, психология), и владение понятийным аппаратом. Поэтому обсуждение концепций современного естествознания требует предварительного ознакомления с конкретными явлениями природы и их законами. При этом необходимо ответить на вопросы о том, что эти законы означают и почему именно эти законы считаются справедливыми. Наиболее простой и логичный способ освоения данного предмета основан на последовательном изучении материала в исторической ретроспективе и на основе научного метода – основной методологии естественно-научного исследования. Любой закон природы или принцип рассматривается как следствие наблюдений. Анализ этих законов и принципов приводит к формулировке различных концепций и предсказанию новых, ранее не наблюдавшихся явлений. Экспериментальная проверка этих предсказаний подтверждает справедливость предлагаемых концепций. При таком подходе можно существенно ограничить понятийный аппарат, необходимый для изучения данного предмета, а сформировавшаяся у учащихся общая картина позволяет на более высоком уровне обсуждать всю глубину и значение современных представлений об окружающем мире.

Другой существенный методологический прием в освоении данной дисциплины основан на использовании антропного принципа, позволяющего объединить проблемы естествознания и гуманитарные науки.

Научный метод

Именно научный метод позволяет отделить науку от паранауки. В настоящее время интерес к всевозможным явлениям, не рассматриваемым официальной наукой, значительно выше, чем к открытиям и концепциям, признаваемым научным сообществом. Почему же существует такое неприятие официальной наукой многих сенсационных концепций, обсуждаемых в различных средствах массовой информации? Дело в том, что с точки зрения научного метода, если вы предлагаете какую-либо новую концепцию, то необходимо, чтобы она не противоречила и, даже более того, могла бы объяснить многочисленные явления, наблюдаемые экспериментально и имеющие объяснение в рамках общепринятых в официальной науке взглядов. Следует отметить, что и взаимоотношения в рамках научного сообщества развиваются на основе аналогичных принципов. Любая новая теория принимается только в том случае, если она объясняет наблюдаемые явления, и ее предсказания подтверждаются экспериментально. Хотя могут обсуждаться и различные умозрительные теории. Особое место занимает математика, которую нельзя отнести к естественнонаучным дисциплинам. В математике на основе некоторого набора аксиом можно построить математический мир, не имеющий никакого отношения к реальности. Это напоминает некоторые фантастические произведения, особенно в жанре fantasy, в которых строится некоторая абстрактная внутренне непротиворечивая конструкция мира. Часто происходит так, что при изучении реальных явлений абстрактные математические конструкции становятся необходимыми для их объяснения. Тогда этот раздел математики начинает быстро развиваться и изучаться, как практически необходимый. Примером может служить геометрия Лобачевского.

Антропный принцип

В современном естествознании все возрастающую роль играет другой методологический принцип – антропный или антропоцентристский. Слово antropos означает человек. Таким образом, антропоцентризм отражает предположение о центральном месте человека в чем-либо. Чтобы отметить отличие данного принципа от традиционного антропоцентризма, его часто называют антропным. Его можно сформулировать следующим образом: мы наблюдаем Вселенную такой, какая она существует, потому что присутствуем в ней в качестве наблюдателя. Хотя в такой формулировке выделяется центральное место наблюдателя (человека), он означает на самом деле единство законов природы, объясняющих развитие Вселенной, и существование в ней Человека – наблюдателя, а также единство законов природы для всей Вселенной в целом и ее частей. Как методологический, антропный принцип является принципом, объединяющим различные естественные науки в единое целое, причем объединяющим внутренне непротиворечивым образом. Поскольку человек является разумным существом, объединенным с другими людьми в социальную систему, то антропный принцип, в широком смысле слова, объединяет естественные и гуманитарные науки. Этот принцип возник в результате рассмотрения проблем поиска внеземных цивилизаций, где позволил объединить проблемы микро-, макро- и мегамира, а также соотнести понятия Вселенная, жизнь, разум.

Научная картина мира

Проблема определения понятия “научная картина мира” и ее взаимоотношений с наукой сложна и в настоящее время обсуждается и философами и представителями естественных наук. История естествознания свидетельствует о существовании на протяжении длительных периодов времени определенной устойчивых представлений о свойствах действительности, под влиянием которых развивалась наука данного периода. Эти представления определяют границы приемлемых с точки зрения данной эпохи гипотез, стимулируют постановку одних научных проблем и не способствуют появлению других.

Одновременно с развитием науки, как процесса накопления контролируемых знаний, на базе ее наиболее общих гипотез и концепций формируется гипотетическая, умозрительная единая система представлений – модель общего устройства действительности и ее конкретных аспектов – физических, химических, биологических. Такая модель включает и представление о “правилах поведения” познающего ее разума. Такая целостная система идей и представлений составляет научную картину мира. Научная картина мира возникает как результат экстраполяции более достоверного, но ограниченного знания на всю мыслимую действительность, т.е. на область, где полная проверка идей принципиально недостижима. Построение картины мира - это, по существу постулирование универсальности открываемых законов природы и, в конце концов, общей упорядоченности объективного мира, без чего невозможно никакое суждение о нем, кроме как о полном хаосе, недоступном познанию.

С накоплением сведений о мире объясняющая его картина рано или поздно расходится с наблюдением. Смена научной картины мира происходит в результате научных революций. Кризисная предреволюционная ситуация в науке возникает либо с открытием новых явлений, необъясняемых в рамках традиционной картины мира, либо с обнаружением внутренней противоречивости традиционных теорий, что сказывается в появлении парадоксов, неразрешимых в рамках этих теорий. Но к научной революции могут привести только такие идеи, которые объясняют целую совокупность явлений, реально связанных между собой, но либо не объясненных до сих пор, либо объясненных неудовлетворительно. Отрицая предшествующую картину мира, новая должна, тем не менее, опираться и на те результаты исследований, которые лежали и в основе отвергаемой.

Наиболее важные понятия

Содержание научного метода

Три стадии научного исследования: наблюдение, размышление, опыт.

Наблюдай происходящее; на основании этих наблюдений разработай теорию, которая может дать истинное представление о действительности; проверь теорию дальнейшими наблюдениями и опытами; проследи, сбываются ли предсказания, основанные на этой теории.

Антропный (антропоцентристский) принцип

Единство законов природы, объясняющих развитие Вселенной и существование в ней человека, а также для живой и неживой природы (мы наблюдаем Вселенную такой, какой она существует, потому что присутствуем в ней в качестве наблюдателя). Законы природы одинаковы для всех областей наблюдаемой Вселенной и не зависят от месторасположения наблюдателя.

Основные этапы развития естествознания

Протонаучный период (до начала XVII в.)

Первая научная революция (XVII в.)

Вторая научная революция (конец 19в. - начало 20в.)

Современный период (с 60-х гг. 20в.)

Вклад Аристотеля в естествознание

Разработка 1-ой универсальной физико-космологической картины мира, объединившей непротиворечивым образом учение о структуре материи, о движении и модель Вселенной. Такая методология сохранилась в естествознании при формулировке и обосновании новых картин мира.

Механистическая модель Вселенной

Использование законов механики и закона Всемирного тяготения для объяснения движения планет. Подтверждением этой модели послужило обнаружение предсказанных “на кончике пера” кометы Галлея и планеты Нептун.

Механистическая картина мира и детерминизм

Механистическая картина мира основана на применении законов механики для описания поведения всех материальных систем. Ее подтверждением явилась возможность рассчитать движение небесных тел (механистическая модель Вселенной).

Распространение законов механики на все явления природы приводит к детерминизму – философской концепции о предопределенности развития мира.

Строение Солнечной системы

В состав Солнечной системы входят: Солнце, 8 больших планет (Меркурий, Венера Земля, Марс – планеты земной группы; Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун – планеты-гиганты), их спутники, астероиды (пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера содержит около 100 тыс. малых планет), кометы (облако комет окружает Солнечную систему и содержит 10**11 комет).

Солнечно-Земные связи

Мощность солнечного излучения, приходящаяся на земную орбиту равна 1.4кВт/(кв. м). Это единственный энергетический источник, формирующий биосферу. Изменение мощности излучения характеризуется количеством темных пятен на Солнце. Эти пятна являются источниками ультрафиолетового, рентгеновского излучений и потоков заряженных частиц. Солнечная активность изменяется периодически. Наиболее важным является 11-летний период. Изменения солнечной активности синхронизовало многие процессы, происходящие на Земле.

Принцип относительности Галилея

Все инерциальные системы отсчета равноправны. (Системы отсчета - это системы координат, связанные с различными, движущимися друг относительно друга объектами. Инерциальные системы отсчета движутся относительно друг друга с постоянной скоростью). Принцип относительности означает, что невозможно определить экспериментально, движется данная инерциальная система отсчета или покоится. Все законы механики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Принцип относительности Эйнштейна

Состоит из двух постулатов: 1 – все инерциальные системы отсчета равноправны; 2 – скорость света в вакууме является величиной постоянной и не зависит от скорости движения источника. Следствием принципа относительности является требование инвариантности (неизменности) уравнений, описывающих различные природные явления, относительно преобразований Лоренца.

Концепция четырехмерности пространства-времени

Следствием принципа относительности Эйнштейна является отсутствие универсальных представлений о течении времени и пространственных характеристиках тел и их движения для наблюдателей, находящихся в различных системах отсчета. При переходе от одной системы отсчета к другой временные и пространственные характеристики изменяются взаимозависимым образом, образуя единый четырехмерный пространственно-временной континуум.

Тяготение и свойства пространства-времени

В соответствии с общей теорией относительности тяготение приводит к искривлению пространства. В силу четырехмерности пространства-времени искривление пространства приводит к замедлению времени вблизи тел, обладающих массами. Свет в этом пространстве распространяется по геодезическим линиям.

Принцип причинности

Принцип причинности устанавливает пределы влияния физических событий друг на друга, исключает влияние данного события на все прошедшие (событие-причина предшествует по времени событию-следствию). Время течет в одном направлении. Вместе с принципом относительности Эйнштейна накладывает ограничения на величину скорости движения или распространения какого-либо сигнала (не больше скорости света в вакууме).

Концепция необратимости времени

Необратимость времени может быть связана с принципом причинности. Необратимость времени подтверждается особенностями человеческой психики (человек в течение жизни увеличивает количество информации), вторым началом термодинамики, направлением эволюции Вселенной (расширение).

Первое начало термодинамики

Закон сохранения энергии. Изменение внутренней энергии тела равно сумме количества теплоты, переданного телу, и совершенной над ним работой. Вечный двигатель первого рода невозможен.

Второе начало термодинамики

Вечный двигатель второго рода невозможен. Тепло переходит от горячего тела к холодному. Энтропия замкнутой системы возрастает или (в случае термодинамического равновесия) остается постоянной.

Энтропия и вероятность

Энтропия в замкнутой системе возрастает, что означает переход системы со временем в более вероятное состояние, т.е. из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Конечное состояние любой системы – состояние хаоса.

Энтропия и информация

Энтропия – мера беспорядка в системе. Информация – мера порядка. Вследствие второго начала термодинамики (возрастание энтропии) информация в замкнутой системе (т.е. порядок) со временем исчезает. Создание информации в какой-либо подсистеме сопровождается обязательным увеличением энтропии в окружающей среде (т.е. разрушением окружающей среды).

Принципы теории эволюции

Изменчивость. Наследственность. Естественный отбор.

Законы генетики

Закон единообразия гибридов первого поколения. Закон расщепления признаков (3:1). Закон случайного распределения признаков. Хромосомная теория наследственности. Закон гомологических рядов.

Вероятностный характер законов биологии

Законы генетики показали, что поведение биологических объектов описывается вероятностными законами. Вероятность – количественная мера возможного. Поведение биологических систем носит случайных характер, но эта случайность описывается определенными количественными соотношениями (теория вероятности).

Условия самоорганизации сложных систем

Открытость системы, т.е. необходимость внешнего источника энергии или информации. Наличие случайных факторов (внешних или внутренних).

Наличие как отрицательных, так и положительных связей (в случае положительных связей – катастрофа, в случае отрицательных –деградация).

Биосфера

Наружная оболочка Земли, область распространения жизни. Атмосфера. Гидросфера. Литосфера. Устойчивость биосферы обусловлена многообразием живых организмов и взаимодействием между ними.

Переход биосферы в ноосферу

Ноосфера – сфера разума. Разум оказывает воздействие на биосферу, сравнимое с действием самой биосферы. В тоже время без биосферы человек – носитель разума, существовать не может. Поэтому переход биосферы в ноосферу возможен, при условии такого воздействия человека на биосферу, которое сохраняет биосферу в состоянии равновесия.

Порядок и беспорядок в природе

Переходы порядок-беспорядок и беспорядок-порядок являются основой развития природы. Первые определяются вторым началом термодинамики и определяют направленность времени. Вторые происходят в открытых системах и обуславливают явление самоорганизации, которая является основой развития мира, приводит к образованию различных многообразных структур из хаоса и определяет циклический характер развития сложных систем и процесс эволюции от простого к сложному.

Корпускулярно-волновой дуализм

Корпускула – частица, корпускулярные свойства тел определяются наличием импульса и способностью передавать импульс и энергию другим телам, характеризуют дискретность объектов природы. Волна – периодический процесс, в котором передача энергии происходит без переноса вещества, характеризует непрерывность материи. Дуализм – двойственность. Корпускулярно- волновой дуализм означает, что микрообъекты одновременно обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами (с одной стороны микрообъекты, распространяясь, способны огибать препятствия, а с другой – передавать им импульс, т.е. приводить в направленное движение).

Вероятностный характер законов микромира

Поведение микрообъектов невозможно предсказать абсолютно определенно. Однако можно определить (рассчитать) вероятность обнаружить систему в определенном состоянии, т.е. получить определенные численные характеристики их поведения. Таким образом, на смену абсолютному механистическому детерминизму приходит детерминизм вероятностный (при одинаковых начальных условиях вероятностное поведение системы будет одинаковым, хотя и невозможно предсказать абсолютно точно состояние системы в будущем).

Принцип неопределенности

Принцип неопределенности говорит о невозможности абсолютно точно определить в один и тот же момент времени значения координаты (т.е. положения в пространстве) и импульса (т.е. характера движения) микрообъекта. Следствием этого является невозможность локализовать частицу, говорить об абсолютной пустоте, о состоянии абсолютного покоя. Практически этот принцип в современных технологиях ограничивает возможность миниатюризации электронных систем и не позволяет увеличить быстродействие компьютеров путем, сохраняя традиционный последовательный характер вычислений.

Расширение Вселенной

Концепция бесконечной и вечной Вселенной противоречит наблюдениям (в этом случае должны иметь место: тепловая смерть Вселенной (Больцман), постоянное свечение неба (Ольберс), гравитационная неустойчивость (Зеелигер). Расширение Вселенной предсказано Фридманом и экспериментально обнаружено Хабблом (красное смещение). Расширение Вселенной означает, что в ней происходит удаление галактик друг от друга, а не увеличение размеров окружающих нас предметов. Расширение обусловлено расширением пространства, которому препятствует взаимное притяжение галактик друг к другу.

Модель «Большого взрыва»

Наблюдаемое расширение Вселенной приводит к выводу, что Вселенная образовалась в результате взрыва из точки в пространстве-времени приблизительно 15-20 млрд. лет назад. В процессе расширения происходит охлаждение Вселенной и образование различных структур: элементарных частиц, атомных ядер, атомов, галактик, звезд, планет. Подтверждением модели «Большого взрыва» является наблюдаемое реликтовое излучение (появившегося в момент образования атомов), наблюдаемое соотношение различных изотопов атомных ядер водорода и гелия.