Сущность и эволюция парадигм естествознания

- Открытие электрона Дж. Томсоном.

В 1897 г., в лаборатории Кавендиша в Кембридже Дж. Томсон (1856-1940) открыл первую элементарную частицу -- электрон. В последующих опытах обнаружено совершенно необычное явление зависимости массы электрона от его скорости. Дж. Томсон предложил в 1903 году первую (электромагнитную) модель атома. Но модель "атома Томсона" просуществовала сравнительно недолго, т.к. обладала рядом недостатков. В 1911 году знаменитый английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) предложил свою модель атома, которая получила название планетарной. Появлению этой новой модели атома предшествовали эксперименты, проводимые Э. Резерфордом и его учениками, ставшими впоследствии знаменитыми физиками, Гансом Гейгером (1882-1945) и Эрнстом Марсденом (1889-1970). В результате этих экспериментов было обнаружено, что в атомах существуют ядра -- положительно заряженные микрочастицы, размер которых очень мал по сравнению с размерами атомов. Но масса атома почти полностью сосредоточена в его ядре.

- Модель атома по Н. Бору.

Планетарная модель Резерфорда обнаружила серьезный недостаток: она оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла. Согласно законам электродинамики, любое тело (частица), имеющее электрический заряд и движущееся с ускорением, обязательно должно излучать электромагнитную энергию. Но в этом случае электроны очень быстро потеряли бы свою кинетическую энергию и упали на ядро. С этой точки зрения оставалась непонятной необычайная устойчивость атомов. Разрешение возникших предложил Нильсон Бор (1885-1962), предложивший свое представление об атоме. Последнее основывалось на квантовой теории, начало которой было положено на рубеже XX в. немецким физиком Максом Планком (1858-1947). Планк выдвинул гипотезу, гласящую, что испускание и поглощение электромагнитного излучения может происходить только дискретно, конечными порциями -- квантами. Н. Бор, зная о модели Резерфорда и приняв ее в качестве исходной, разработал в 1913 г. квантовую теорию строения атома. В ее основе лежали следующие постулаты: в любом атоме существуют дискретные (стационарные) состояния, находясь в которых атом энергию не излучает; при переходе атома из одного стационарного состояния в другое он излучает или поглощает порцию (квант) энергии. Предложенная Бором модель атома, фактически явилась дополненным и исправленным вариантом планетарной модели Резерфорда. Поэтому в истории атомной физики говорят о квантовой модели атома Резерфорда -- Бора.

- Светового давления П.Н. Лебедевым.

- Введение идеи квантования энергии М. Планком.

- Радиоактивного распада Э. Резерфордом и Ф. Содди,

- Создание теории относительности А. Энштейном - основывалась на том, что, в отличие от механики И. Ньютона, пространство и время не абсолютны. Они органически связаны с движущейся материей и между собой.

В 1924 г. произошло крупное событие в истории физики: Луи де Бройлъ (1892-1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи. Экспериментально подтвержденная гипотеза де Бройля превратилась в принципиальную основу, пожалуй, наиболее широкой физической теории -- квантовой механики. Согласно этой теории, у объектов микромира существуют такие свойства, которые совершенно не имеют аналогий в привычном нам мире макрообъектов. Прежде всего -- это корпускулярно-волновая двойственность, или дуализм элементарных частиц (это и корпускулы и волны одновременно, а точнее -- диалектическое единство свойств тех и других). Поэтому движение микрочастиц в пространстве и времени нельзя отождествлять с механическим движением макрообъекта.

Становление неклассической науки можно разделить на несколько этапов (ступеней):

1-й этап сопровождается прежде всего нарушением прежних метафизических представлений о материи и её строении, свойствах, формах движения и типах закономерностей, о пространстве и времени. Нарушение метафизических взглядов на мир, вызвало реакционные поползновения идеалистов и привело к кризису в физике и всем Естествознании.

2-й этап начался в связи с созданием квантовой механики и сочетанием её с теорией относительности в общую квантово-релятивистскую концепцию. Происходит дальнейшее бурное развитие Естествознания и в связи с этим продолжается коренная ломка старых понятий, главным образом тех, которые связаны со старой классической картиной мира.

Началом 3 - го этапа было первое овладение атомной энергией в результате деления ядра и последующих исследований, с которыми связано зарождение электронно - вычислительных машин и кибернетики.

7.) Постнеклассический период

Бурное развитие всех отраслей Естествознания в конце 20 века породило создание не только современной физической картины мира, но и биологической картины мира и др.

Особенностью современного научного прогресса является то, что он развивается на интегративной основе: происходит синтез знаний (теорий, принципов, методов, передовых достижений) различных научных областей и дисциплин, их взаимопроникновение и создание на этой основе комплексных, мультидисциплинарных, мета-наук, аккумулирующих в себе мировые научные достижения в биофизике, биологии, медицине и экологии (синергетика, семантика, психофизика, биосимметрика, гомеостатика, эволюционика и др.). Каждая из них вносит свой вклад в грядущую смену парадигмы в естествознании.

На первый план выходит новая междисциплинарное направление исследований, именуемое синергетикой, порожденное переходом науки к познанию сложно организованных эволюционирующих систем.

СИНЕРГЕТИКА (от греческого synergetikos - совместный, согласованно действующий), научное направление, изучающее связи между элементами структуры (подсистемами), которые образуются в открытых системах (биологической, физико-химической и др.) благодаря интенсивному (потоковому) обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В таких системах наблюдается согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень ее упорядоченности. Основа синергетики - термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн.

Почему у целого могут возникать свойства, которыми не обладает ни одна из частей? Примером могут служить химические превращения, которые происходят на молекулярном уровне, однако существуют колебательные реакции, при которых почти все молекулы начинают действовать в такт, как будто договорившись друг с другом или повинуясь палочке невидимого дирижера. При этом раствор в пробирке может периодически менять цвет, становясь то голубым, то красным.

В биологии одна из фундаментальных задач -- проблема морфогенеза. Каждая клетка, судя по данным биологов, имеет один и тот же набор генов. Как же клетки в процессе развития организма "узнают", кому из них суждено стать клетками мозга, а кому -- сердца? Попытка одного из отцов кибернетики Алана Тьюринга построить в 1952 г. предельно простую модель, объяснявшую бы этот выбор, и стала рождением синергетики.

Алан Тьюринг сделал самое простое предположение -- "инструкция" для каждой клетки вырабатывается в процессе взаимодействия или в ходе коллективных действий. Он считал, что клетки в состоянии выделять химические реагенты, которые способны распространяться по ткани в результате диффузии. Оказалось, этих предположений и некоторых математических конструкций, построенных на их основе, вполне достаточно, чтобы объяснить возникновение в первоначально однородной ткани своеобразных структур.

Возникновение таких структур -- общее свойство многих открытых систем, которые способны к обмену веществом, энергией или информацией. Кроме того, системы, в которых могут существовать такие структуры, должны быть нелинейными (грубо говоря, нелинейность означает, что рост интенсивности воздействия на одну и ту же величину может приводить к совершенно различным последствиям).

Нелинейность -- это основа нашего существования. Без нее человек не мог бы в одних условиях воспринимать слепяще-яркий солнечный свет, а в других -- реагировать на отдельные кванты.

Обычно для описания целого, например, нашего организма, нужно огромное множество чисел, называемых степенями свободы. И один из секретов природы, который лежит в основе синергетики, состоит в том, что не все эти числа одинаково важны. Лишь небольшое количество степеней свободы "хозяева положения", они управляют всеми остальными, наводят среди них порядок. Их обычно называют параметрами порядка. Самоорганизация -- это просто выделение параметров порядка в ходе развития системы.

Например, нам не надо думать о том, как управлять всеми степенями свободы организма. Между ними определенным образом устанавливаются взаимосвязи. Они могут возникнуть, когда человек учится ходить, улыбаться, фиксировать взгляд. Физиологи такие связи называют синергиями.

Рецепт синергетики в принципе очень прост, но на самом деле очень сложен. Надо выделить параметры порядка, описывающие сложную систему, найти соотношения, связывающие эти параметры, проанализировать полученные уравнения, найти в них что-нибудь интересное и потом обнаружить в эксперименте.

4. Современная картина мира

На данный момент наукой установлено огромное многообразие материальных объектов, представляющих микро, макро и мега миры, но остается открытым вопрос, исчерпывают ли эти открытия все существующее вообще. С учетом истории человеческого познания и общего духа современной научной картины мира на этот вопрос напрашивается отрицательный ответ. Многообразие материи и её движение бесконечно, при чем не только количественно, но и качественно. Принцип качественной бесконечности природы, означает признание неограниченного многообразие структурных форм материи, различающихся самыми фундаментальными законами бытия.

Современные противники качественной неисчерпаемости природы фактически возрождают древние натурфилософские идеи, либо о единстве первоматерии, либо о множестве первоэлементов. Если уж говорить об общей теории мира, то её исходной идеей может быть только диалектическая идея единства через многообразие и движение.

По мнению С. Хокинга, в настоящее время на вопрос о том, может ли существовать единая теория всего реально существующего, следует дать три альтернативных ответа:

1. Полная теория строения вселенной существует и когда-нибудь будет построена.

2. Окончательной теории Вселенной нет, а есть бесконечный набор все более совершенных теорий.

3. Такой теории не существует, имеется граница, за которой нельзя предсказать что-либо определенное.

За этими рассуждениями Хокинга скрывается неявный постулат, который состоит в том, что сам объект теоретизирования -- Вселенная -- в своих наиболее фундаментальных свойствах остается неизменным. Между тем, если вспомнить основные принципы нелинейной науки и рассматривать Вселенную как большую самоорганизующуюся систему, то можно прийти к выводу, что нет достаточных оснований считать этот постулат истиной в последней инстанции.

Для выражения самой общей и глубокой сущности бытия с древних времен используется понятие субстанции. Классическое определение субстанции дали Декарт и Спиноза, субстанция есть (причина самой себя), есть то, что существует само по себе, не завися не отчего другого. Но на пути развития диалектического миропонимания удалось показать, что субстанцией следует считать не какое - то отдельное, избранное освященное проявление бытия, а всю бесконечную систему взаимопревращающихся материальных объектов, всю материю в бесконечном многообразии её проявлений.

Поэтому диалектика признает лишь частичную, относительную субстанциальность, самообусловленность и самостоятельность каждого проявления всеобщей субстанции.

Обобщающие физические теории вполне законно стремятся раскрыть наиболее глубокую основу ещё более широкого круга явлений, но мысль физиков не удовлетворяется эти и так сказать по инерции устремляется к конкретно - физическому объяснению устройства всего мира в целом. И не раз казалось, что эта цель уже достигнута - то в виде классической механики, потом в виде термодинамики, теперь в виде обобщающих теорий полей и элементарных частиц. Но время и новые открытия неумолимо заставляют признать несбыточность подобных надежд. Применительно ко всему миру в целом приходится обходится лишь философскими размышлениями и обобщениями, лишь общей теорией диалектики, лишь качественными оценками, а не количественными расчетами.

Заключение

В целом природа понималась как гигантская механическая система, функционирующая по законам классической механики. Считалось, что в силу неумолимой необходимости, действующей в природе, судьба даже отдельной материальной частицы заранее предрешена на все времена. Ученые-естествоиспытатели видели в классической механике прочную и окончательную основу естествознания.

В предисловии к своему знаменитому труду "Математические начала натуральной философии" И. Ньютон высказал следующую установку на будущее: "Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы..."

Многие естествоиспытатели вслед за Ньютоном старались объяснить, исходя из начал механики, самые различные природные явления. При этом они неправомерно экстраполировали законы, установленные лишь для механической сферы явлений, на все процессы окружающего мира. В торжестве законов Ньютона, считавшихся всеобщими и универсальными, черпали веру в успех ученые, работавшие в астрономии, физике, химии.

Длительное время теории, объяснявшие закономерности соединения химических элементов, опирались на идею тяготения между атомами. Французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас (1749-1827) был убежден, что к закону всемирного тяготения сводятся все явления, известные ученым. Исходя из этого, он работал над созданием -- в дополнение к механике небесной, созданной Ньютоном, -- новой, молекулярной механики, которая, по его мнению, была призвана объяснить химические реакции, капиллярные явления, феномен кристаллизации, а также то, почему вещество может быть твердым, жидким или газообразным. Лаплас видел причины всего этого во взаимном притяжении между молекулами, которое, считал он, есть только "видоизменение всемирного тяготения".

Как очередное подтверждение ньютоновского подхода к вопросу об устройстве мира было первоначально воспринято физиками открытие, которое сделал французский военный инженер, впоследствии член парижской Академии наук Шарль Огюст Кулон (1736-1806). Оказалось, что положительный и отрицательный электрические заряды притягиваются друг к другу прямо пропорционально величине зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Создавалось впечатление о новой демонстрации права закона всемирного тяготения служить своего рода образцом, универсальным ответом на любые задачи. Лишь впоследствии стало ясно: впервые появился в науке один из законов электромагнетизма. После Кулона открылась возможность построения математической теории электрических и магнитных явлений.

Рождение и развитие атомной физики окончательно сокрушило прежнюю механистическую картину мира.

С тех пор механистические представления о мире были существенно поколеблены. Ведь любые попытки распространить механические принципы на электрические и магнитные явления оказались несостоятельными. Поэтому естествознание вынуждено было, в конце концов, отказаться от признания особой, универсальной роли механики. Механистическая картина мира начала сходить с исторической сцены, уступая место новому пониманию физической реальности.

Список литературы

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: учеб.пособие для студентов высш. учеб. заведений. - М.: Гуманит.изд.центр ВЛАДОС, 2003.

2. Горохов В.Г. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. М.:ИНФРА-М, 2003. Разд.3 гл.1.

3. Концепции современного естествознания: учебник для вузов/ В.Н.Лавриненко, В.П.Ратников, Г.В.Баранов и др.; Под ред.проф. В.Н.Лавриненко, В.П.Ратникова. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000.

4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб.пособие.- М.: Гардарики, 2003

5. Философия науки

6. Философия для аспирантов

Размещено на Allbest.ru