Александр Садохин - Концепции современного естествознания

• Название: Концепции современного естествознания
• Автор: Александр Садохин
• Жанр: Воспитание детей, педагогика

В сжатой и доступной форме изложен полный курс дисциплины, освещены важнейшие современные концепции наук о неживой и живой природе. Является дополненным и переработанным вариантом учебного пособия, рекомендованного Министерством образования и науки РФ для изучения курса «Концепции современного естествознания».

Для студентов бакалавриата, магистрантов, аспирантов и преподавателей гуманитарного профиля, для учителей средних школ, лицеев и колледжей, а также для широкого круга читателей, интересующихся различными аспектами естествознания.

---

Чтобы система могла не только поддерживать, но и создавать упорядоченность из хаоса, она непременно должна быть открытой и иметь приток вещества, энергии и информации извне. Именно такие системы названы И. Пригожиным диссипативными. Диссипативность – особое динамическое состояние, когда из-за процессов, протекающих с элементами неравновесной системы, на уровне всей системы проявляются качественно новые свойства и процессы. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые структуры, происходить переход к порядку из хаоса.

В ходе своего развития диссипативные системы проходят два этапа:

1) период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию;

2) скачок, одномоментно переводящий систему в новое устойчивое состояние с более высокой степенью сложности и упорядоченности.

Особое внимание неравновесная термодинамика уделяет фазе скачка, являющейся разрешением возникшей кризисной ситуации и характеризующейся критическими значениями управляющих параметров системы. Илья Пригожин трактует такой переход как приспособление диссипативной системы к изменившимся внешним условиям, чем обеспечивается ее выживание. Это и есть акт самоорганизации.

Важно отметить, что переход диссипативной системы из критического состояния в новое устойчивое состояние неоднозначен. Сложные неравновесные системы имеют возможность перейти из неустойчивого положения в одно из нескольких возможных устойчивых состояний. В какое именно совершится переход – дело случая. Это связано с тем, что в системе, пребывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации. Под действием одной из них и происходит скачок в конкретное устойчивое состояние. Поскольку флуктуации случайны, то и «выбор» конечного состояния оказывается случайным. Но после совершения перехода назад возврата нет; скачок носит одноразовый и необратимый характер. Критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние, называют точкой бифуркации.

Обнаружение феномена бифуркации, как считает И. Пригожин, ввело в физику элемент исторического подхода, смогло доказать необратимость времени. При протекании самоорганизации в явном виде обнаруживается «стрела времени» – однонаправленность времени от прошлого к будущему. Классическая термодинамика доказывала необратимость времени, используя второе начало термодинамики. Необратимый процесс возрастания энтропии всегда идет от прошлого к будущему. Тем не менее в классической механике возможность обращения времени была не исключена. Так, поменяв в уравнениях «плюс» на «минус» перед временем и скоростью, можно получить описание движения данного тела по пройденному пути в обратном направлении. Конечно, весь наш опыт убеждал в невозможности повернуть время вспять, но теоретически такая возможность оставалась.

Неравновесная термодинамика И. Пригожина использует для доказательства существования «стрелы времени» скачок – процесс скачка невозможно повернуть назад. После перехода через точку бифуркации система качественно преобразуется. Таким образом, законы неравновесной термодинамики с неизбежностью говорят о необратимости времени. Ведь скачок в точке бифуркации всегда случаен, определяется уникальным сочетанием множества факторов, воссоздать которые вновь (если бы мы захотели повернуть процесс вспять) практически невозможно.

Феномен бифуркации заставляет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем, природе в целом. Если в фазе эволюции ход процессов закономерен и жестко детерминирован, то скачок всегда происходит случайным образом, поэтому именно случайность определяет последующий закономерный эволюционный этап вплоть до очередного скачка в новой критической точке.

В том, что точка бифуркации не абстракция, имеет возможность убедиться каждый человек. Ведь человек и его жизнь тоже являются сложной открытой неравновесной системой. У каждого из нас периодически возникают ситуации, когда мы стоим перед выбором дальнейшего жизненного пути. Часто наш выбор определяется случайным стечением обстоятельств. Например, человек собирался ехать учиться в другой город, но заболел и остался дома, поэтому пошел учиться в другое место. Этот случайный выбор определил последующий жизненный путь – выбор работы, знакомство с друзьями, будущим спутником жизни и т. д. В жизни каждого человека можно найти подобные примеры.

Системный подход и глобальный эволюционизм являются важнейшими составными частями современной научной картины мира. Она выглядит так. Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых протекает по единому алгоритму. В основе этого алгоритма заложена присущая материи способность к самоорганизации, проявляющаяся в критических точках системы. Самая крупная из известных человеку систем – развивающаяся Вселенная. Вся ее история – от Большого взрыва до возникновения человека – предстает как единый процесс материальной эволюции, самоорганизации, саморазвития материи. При этом весь мир представляет собой единое целое, иерархически организованную систему. Это и есть идея глобального эволюционизма.

Глава 3. Естествознание: его предмет, структура и история становления

3.1. Предмет и структура естествознания

Стремление человека к познанию окружающего мира выражается в различных формах, способах и направлениях его исследовательской деятельности. Каждая из основных частей объективного мира – природа, общество и человек – изучается отдельными науками. Совокупность научных знаний о природе формируется естествознанием. Этимологически слово «естествознание» происходит от соединения двух слов: «естество» – природа и «знание» – знание о природе.

В современном употреблении термин «естествознание» в общем виде обычно обозначает совокупность наук о природе, имеющих предметом своих исследований различные явления и процессы природы, закономерности их эволюции. Кроме того, естествознание является отдельной самостоятельной наукой о природе как едином целом. В этом качестве оно позволяет изучить любой объект окружающего нас мира более глубоко, чем это может сделать какая-либо одна естественная наука. Поэтому естествознание наряду с науками об обществе и мышлении является важнейшей частью человеческого знания. Оно включает в себя как деятельность по получению знания, так и ее результаты, т. е. систему научных знаний о природных процессах и явлениях.

Понятие «естествознание» появилось в Новое время в Западной Европе и обозначало тогда всю совокупность наук о природе. Корни этого представления уходят еще глубже, в Древнюю Грецию времен Аристотеля, который первым систематизировал имевшиеся тогда знания о природе в своей «Физике». Сегодня существуют два широко распространенных представления о предмете естествознания. Первое утверждает, что естествознание – наука о природе как единой целостности, второе – что это совокупность наук о природе, рассматриваемой как целое. На первый взгляд эти определения различны. На самом деле различия не так велики, так как под совокупностью наук о природе подразумевается не просто сумма разрозненных наук, а единый комплекс тесно взаимосвязанных естественных наук, дополняющих друг друга.

Являясь самостоятельной наукой, естествознание имеет свой предмет исследования, отличный от предмета специальных (частных) естественных наук. Его спецификой является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиций нескольких наук, выявляя наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривая природу «сверху». Только так можно представить природу как единую целостную систему, выявить основания, на которых строится все разнообразие предметов и явлений окружающего мира. Итогом таких исследований становятся формулировки основных законов, связывающих микро-, макро- и мегамиры, Землю и Космос, физические и химические явления с жизнью и разумом во Вселенной.

При рассмотрении вопроса о структуре науки нами было отмечено, что она представляет собой сложную разветвленную систему знаний. Естествознание является не менее сложной системой, все части которой находятся в отношении иерархической соподчиненности. Это означает, что систему естественных наук можно представить в виде своеобразной лестницы, каждая ступенька которой является опорой для следующей за ней науки и в свою очередь основывается на данных предшествующей науки.

Фундаментом всех естественных наук, бесспорно, служит физика, предметом которой являются тела, их движения, превращения и формы проявления на различных уровнях. Невозможно заниматься ни одной естественной наукой, не зная физики. Внутри физики выделяется большое число подразделов, различающихся специфическим предметом и методами исследования. Важнейшим среди них является механика – учение о равновесии и движении тел (или их частей) в пространстве и времени. Механическое движение представляет собой простейшую и вместе с тем наиболее распространенную форму движения материи. Механика исторически стала первой физической наукой и долгое время служила образцом для всех естественных наук. Разделами механики являются статика, изучающая условия равновесия тел; кинематика, занимающаяся движением тел с геометрической точки зрения; динамика, рассматривающая движение тел под действием приложенных сил. Механика – это физика макромира, зародившаяся в Новое время. В ее основе лежит статистическая механика (молекулярно-кинетическая теория), изучающая движение молекул жидкости и газа. Позже появились атомная физика и физика элементарных частиц.