История системного подхода в науке и технике
Представление о системах и системном подходе. Системное представление о мире, системность в природе. Ограничения при системном подходе. Развитие системного подхода в науке и технике. Становление инженерной деятельности и проблемы, возникающие перед ней.
| Рубрика | Философия |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 20.03.2011 |
| Размер файла | 215,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Математически углубив электродинамику, Герц придал ей форму, полностью демонстрировавшую симметрию между электрическими и магнитными явлениями (“электродинамика Максвелла - Герца”).
Синтезу классического естествознания способствовала точка зрения Максвелла на электрическую и на любой вид энергии как на эквивалент механической. Объединению теории электрического поля с ньютоновской механикой содействовало также признание Максвеллом существования эфира - абсолютно однородной среды, заполняющей все мировое пространство и служащей субстратом для распространения электромагнитных волн всех диапазонов. Гипотеза эфира впоследствии оказалась ложной, но на данном этапе только с ее помощью можно было обойтись без концепции дальнодействия. Теория электромагнитного поля, разработанная Максвеллом и ставшая затем общепризнанной, в конечном счете не нуждалась в допущении эфира.
Управления Максвелла, позволившие определять основные параметры электромагнитного поля в зависимости от пространственного распространения зарядов и токов, легли в основу классической электродинамики. Однако они оказали неприложимыми к электромагнитным волнам малой длины и большой частоты: для этого случая оказалось необходимым разработать иные закономерности, относящиеся уже к области квантовой электродинамики.
3.7 Основные достижения постклассической физики
Квантовая электродинамика возникла в рамках квантовой теории поля и до настоящего времени остается наиболее разработанной частью этой теории, основе которой лежит тезис, что поле (в частности электромагнитное) обладает не только непрерывными свойствами, как это предполагалось классической максвелловской электродинамикой, но и прерывными (дискретными) свойствами. Носителями последних являются кванты поля, точнее, соответствующих ему излучений. В случае света и других электромагнитных излучений эти кванты называются фотонами.
Начало XX столетия совпало с началом квантовой механики - теории, ставящей целью объяснить свойства и движение элементарных микрочастиц - дискретных частиц чрезвычайно малой (вплоть до нулевой) массы, к которым относятся как элементарные частицы, так и более сложные объекты микромира, например, атомные ядра и атомы в целом. Первыми экспериментальными предвестниками нового подхода были открытие рентгеновских лучей и радиоактивности, а также первой из ставших известными элементарных частиц - электрона. Все эти события произошли в 1895-1897 гг. Однако непосредственно начало квантовой механике положила лишь в 1900 г. работа немецкого физика Планка (1856-1947). В 1900 г. он выдвинул предположение, что атом изучает световую или вообще электромагнитную энергию лишь определенными порциями - квантами.
Гипотеза Планка на новом уровне возродила корпускулярную теорию светаПредпосылками квантовой концепции Планка-Эйнштейна было открытие фотоэффекта Герцем в 1887 г., электрона Дж. Дж. Томсоном в 1898 г. и объяснение фотоэффекта как испускания электронов Ф. Ленардом в 1899 г. На этом примере видна тесная преемственность классического естествознания с современным, постклассическим: переход от первого ко второму в ряде случаев совершается с такой непрерывностью, что граница не всегда сразу видна. В данном случае ее образуют публикации Планка и Эйнштейна 1900-1905 гг., знаменовавшие переход к новому, квантовому образу мышления.
Исходя их этого образа мышления, датский физик Н. Х.Д. Бор (1885-1962) усовершенствовал созданную в 1911 г.Э. Резерфордом (1871-1937) планетарную модель атома, согласно которой почти вся масса атома сосредоточена в ядре, а вокруг ядра по круговым орбитам вращаются электроны. Однако по законам классической механики такая система не могла быть устойчивой: все электроны давно должны были упасть на ядра. Согласно внесенному в 1913 г. Бором уточнению, электроны, вращаясь вокруг ядра атома по орбитам стационарным орбитам, не излучают энергии, но переходя с одной из своих “допустимых" орбит на другую, излучают в каждом случае квант энергии. Позже Бором была разработана “копенгагенская интерпретация" квантовой механики, исходящая из того, что о самом существовании микрочастиц, тем более об их свойствах и движениях, можно судить только в контексте наблюдения.
Квантовая механика совершенно по-новому осветила микромир и его закономерности, о которых ранее имелись лишь смутные догадки. Эйнштейн в 1905 г., развивая идею Планка о квантованности электромагнитного излучения, предположил, что это излучение и в том числе видимый свет не только испускается порциями, но и вообще состоит из таковых, т.е. из квантов света (фотонов), энергия которых пропорциональна частоте световых волн. Фотон может превращаться в электрон и позитрон - под последним имеется в виду положительно заряженный “двойник” электрона. Позитрон был открыт сначала теоретически, затем уже экспериментально, в космических лучах, и это открытие вызвало к жизни идею, что и у других элементарных частиц есть двойники-античастицы; каждая частица при становлении со своей античастицей аннигилирует. Помимо позитронов, были затем обнаружены антипротоны, антинейтроны и многие другие античастицы. Массы и спины частиц и соответствующих им античастиц равны, что же касается электрических зарядов и магнитных моментов, то и те и другие у частиц и их античастиц равны по величине и противоположны по знаку. Однако нет точных данных, насколько античастицы распространены во Вселенной: нет ли, в частности, таких крупных областей, которые были бы заполнены состоящим из одних античастиц “антивеществом” (проблема антимиров).
Сейчас известно уже довольно много видов элементарных частиц. Многое в классификации элементарных частиц остается пока гипотетическим и условным; например, не дали еще общезначимых результатов поиска гравитона - частицы, соответствующей гравитационному полю, как фотоны соответствуют электромагнитному.
3.8 Корпускулярно-волновой дуализм (волны де Бройля)
В основе квантовой механики лежит парадоксальное с точки зрения классической (неквантовой) физики положение о том, что в поведении микрочастиц проявляются как корпускулярные, так и волновые черты. Это положение не является чисто теоретическим тезисом с целью построить законченную картину мира, но получило прежде всего экспериментальным путем. Показано, например, что пучок электронов, падающих на кристалл, дает дифракционную картину, объясняемую только при волновой трактовке электронов, в то время как в других случаях они ведут себя явно как частицы.
Концепция Планка - Эйнштейна основывалась на том, что свет представляет собой поток частиц - фотонов. Но это противоречило важной предпосылке самой этой концепции, идее Максвелла о свете как электромагнитных волнах. Эйнштейн предположил, что противоречие это является реальным: свет является в одно и то же время и волнами и потоком частиц. Например, при соударении с металлами фотоны, действуя как частицы, выбирают (при определенной частоте света и следователь, энергии фотонов) из металла электроны; в других случаях, например, при интерференции и дифракции, свет ведет себя как волна. В 1924 г.Л. де Бройль распространил этот корпускулярно-волновой дуализм, т.е. концепцию двоякой (корпускулярной и волновой) природы одного и того же объекта, на вещество, предположив, что вообще поток материальных частиц должен обладать и волновыми свойствами, однозначно соответствующими массе и энергии частиц. При всей непривычности для сознания физики того времени идеи тождества на микроуровне таких разных объектов, как частица и волна, принятие корпускулярно-волнового дуализма в конечном счете оказалось единственным разумным выходом из противоречия между в равной мере обоснованными волновой и корпускулярной природой света. Обобщение дуализма на всю материю явилось одним из первых и наиболее резких признаков совершившегося перехода к неклассическому мышлению в естествознании. Уже в 20-е годы гипотеза де Бройля получила широкое признание, в том числе и тот ее момент, что количественное соотношение между волновыми и корпускулярными свойствами для всех частиц то же, что было ранее предположено Планком для фотонов.
Э. Шредингер, используя бройлевское обобщение, создал в 1926 г. волновую механику - теорию движения микрочастиц, в которой для описания состояния микрочастиц введена волновая функция. Опыт подтвердил, что все микрочастицы обладают также и волновыми свойствами, а волновым процессам и следовательно, полям присуща дискретность. Таким образом, благодаря корпускулярно-волновому дуализму, вопреки буквальному смыслу слова “дуализм”, была преодолена противоположность между двумя ранее признававшимися формами существования материи: веществом и полем.
Ярким примером проявления корпускулярно-волнового дуализма служат опыты с электронами, в которых у последних наблюдаются, с одной стороны, типичные корпускулярные свойства (электроны) обнаруживают при столкновениях определенную энергию и импульс, имеют траекторию движения и сместе с тем волновые свойства (подтверждаются диффракции; дают интерференционную картину). В отличие от движения классических (более крупных) частиц для движения, микрочастицы не могут быть одновременно определены координата и импульс: это так называемый “принцип неопределенности”. Он тесно связан с другим, более широким принципом: с принципом дополнительности, согласно которому для познания явлений в их целостности необходимо применение взаимоисключающих (взаимно “дополнительных”) классов понятий. Для микрочастиц такими дополнительными понятиями как раз и являются понятия импульса и координаты, или понятия волны и частицы. Идея дополнительности далеко выходит за пределы физики: например, в концепции естественного отбора дополнительны друг другу внутренние (изменчивость генома) и внешние (влияние среды) факторы, в психологии - детерминизм и свобода.
3.9 Специальная теория относительности Эйнштейна (теория электромагнитного поля)
К концу XIX столетия классическое естествознание, которое как раз к этому времени сложилось в целостную и относительную законченную систему знаний о природе и ее законах, давшую возможность описывать и объяснять, казалось бы, любые феномены на основе принципов (1) детерминизма (учения о всеобщей детерминированности), (2) единства закономерностей поведения объектов микро - и макромира, а также (3) сведения высших уровней организации к низшим. Считалось, например, что биологические и даже психологические явления со временем будут сведены к химическим и физическим, а поведение любой сколь угодно сложной системы можно будет вычислить на будущее, если заданы начальные условия.
В основе сложившегося, таким образом, к концу XIX в. классического естествознания - и прежде всего, его наиболее законченной части, механики и физики, - лежала, как было сказано, механистическая жестко детерминистская картина мира и редукционизм (учение о всеобщем значении принципа редукции) как ее важная предпосылка. Осталось несколько аномалий, т.е. фактов несомненных, но не поддававшихся объяснению при имевшемся концептуальном аппарате: прежде всего, несогласованность электродинамики Максвелла с ньютоновской механикой, - несогласованность, которую пытались устранить допущением единой мировой среды, эфира, но эта гипотеза вела к еще большим трудностям и противоречила экспериментальным данным. Далее, не удавалось объяснить отклонение лучей света от прямой траектории при их прохождении около Солнца и некоторые неправильности (по сравнению с тем, что должно было следовать из вычислений), наблюдаемые в годичных смещениях перигелия Меркурия.
Однако по сравнению с бесчисленным множеством явлений, вполне удовлетворительно разъясненных классическим естествознанием, оставшиеся аномалии (заметим, что в XX в. они были разъяснены теорией относительности А. Эйнштейна, см.2.4.3 и 2.4.4) не представлялись особенно важными. Не угасала надежда на их устранение в ходе дальнейшего прогресса классического естествознания.
К тому же в течение всего времени своего формирования (условно - до середины XIX в) и господства (вторая половина XIX в.) классическое естествознание многократно подкреплялось данными практики. Вся техника и промышленность девятнадцатого, в значительной мере и двадцатого века была основана на полученном классической физикой теоретическом и экспериментальном знании, в частности, о свойствах главных для XVIII - первой половины XIX в. (пар) и для последующего периода (электричество) видах энергии.
Наука превратилась к концу XIX в. в социальный институт и неотъемлемую часть культуры всех развитых стран, стала (особенно это касается естествознания) одной из важнейших производительных сил. Отрицательные последствия науки (для экологии, в плане создания средств массового уничтожения и т.п.) еще не выглядели чет-то опасным, и сциентизм (надежда на науку как средство решения всех социальных проблем) был распространенной формой идеологии. По сравнению со всеми остальными социальными сферами и институтами, естествознание выступило как нечто наиболее прогрессивное и прогрессирующее. Казалось, что дальнейшая достройка огромного здания естественных наук будет заключаться лишь в выяснении второстепенных деталей и во все новых и новых прикладных приложениях классического естествознания, само же оно остается неоспоримым. Тем не менее на рубеже XIX и XX вв. ситуация изменилась, что привело к формированию современного естествознания, которое по отношению к классическому (или как иначе говорят, ньютоно-линнеевскому) часто называют неклассическим или постклассическим.
Двадцатый век начался с появления совершенно новой трактовки физической реальности - с создания А. Эйнштейном (1879-1955) теории относительности. Прежде всего он разработал ее применительно к кардинальным для физики категориям пространства и времени (1905). Это была так называемая специальная теория относительности (СТО). В ней пространство и время потеряли свой абсолютный характер, не подвергавшийся после Ньютона сомнению, и были заменены единым целым - “пространством-временем”, зависящим от системы отсчета, по отношению к которой оно определено. Все инерциальные системы отсчета (ИСО) равноправны в отношении всех физических явлений и процессов, причем свет распространяется относительно всех ИСО с одинаковой скоростью с, каковая представляет собой наивысшую возможную скорость (скорость света в вакууме). Относительны даже такие свойства событий, как одновременность и последовательность во времени: одновременные в одной ИСО события могут оказываться неодновременными в другой. Получила свое обоснование эквивалентность инертной и гравитационной масс, принимавшаяся в классической механике просто как факт. Понятие массы потеряло свою независимость от энергии и скорости, как было у Ньютона. Формула E=mc2 определяет энергию, связанную с данной массой m и пропорциональную ей; фиксируемые этим соотношениям количества энергии действительно освобождаются при ядерных реакциях и взрывах атомных бомб.
Предметом СТО является описание распространения света и других электромагнитных излучений (и соответствующих им полей) в ИСО. Согласно СТО, теория электромагнитного поля не требует допущения эфира или иной среды и оказывается непротиворечивой при признании независимости скорости света от системы отсчета. Эта же скорость (с) является предельной для передачи любых сигналов и взаимодействий. Электромагнитное поле в пустоте стало рассматриваться как новый вид физического объекта (ранее предполагалось, что поле нуждается в носителе - эфире). В трудах А.Х. Комптона и других ученых, начиная с 10-30-х годов, была выявлена связь релятивистских (т.е. относящихся к теории относительности) постулатов и квантовой электродинамики в рамках теории электромагнитного поля.
Согласно СТО, событие А в какой-либо ИСО, являющееся причиной события В, для наблюдателя из некоторой другой ИСО вполне может выглядеть, наоборот, как следствие этого события В. Однако такого рода парадоксы могут приобрести практическое значение только при скоростях, близких к с, а в более привычных для экспериментаторов условиях сохраняют все свое значение классические кинематика, динамика и статика.
Больше того, некоторые положения классической физики получили в СТО дополнительное и более общее обоснование. Основоположения СТО подразумевают, как и классическая физика, что пространство является евклидовым; вместе с тем физика освобождается от постулатов об абсолютном характере пространства и времени, а все измерения привязываются к чисто эмпирически данным ИСО.
3.10 Теория гравитационного поля (общая теория относительности) Эйнштейна
Значительно дальше (про сравнению со СТО) отошла от классической физики созданная Эйнштейном на более позднем этапе его деятельности общая теория относительности (ОТО). В ней пространство уже не является евклидовым, т.е. пространством нулевой кривизны, но связывается с распределением и движением масс показателем кривизны: структура пространства - времени определяются, согласно ОТО, перемещением масс материи, включает в себя поле тяготения и этим отличается от однородной структуры пространства и времени в СТО. Тело, движущееся по инерции, искривляет свое движение под влиянием других (удаленных от него) тел: согласно классической физике, это влияние есть воздействие сил тяготения. Согласно ОТО, напротив, оно есть результат неоднородности, “неевклидовости" пространства - времени, гипотеза же дальнодействия оказывается излишней, а поле тяготения отождествляется с геометрическими свойствами пространства. До создания ОТО закон тяготения никак не был связан с законами механики: например, у Ньютона он, как известно, формируется вне связи с тремя его началами (принципами, законами Ньютона - об инерционном движении, о силе F=ma и о противодействии) и как нечто взятое из опыта и не выводимое из этих начал. Астрономические наблюдения подтвердили большую точность ОТО по сравнению с ньютоновским законом тяготения; в частности, подтвердилось требуемое ОТО влияние тяготения на частоту и распространение световых лучей (вспомним, что факт такого влияния, обнаруживаемого вблизи Солнца, был одной из аномалий, ослабивших в конце XIX в. позиции классического естествознания). Сила тяготения, согласно ОТО, есть определенное состояние пространства - времени, а гравитационные волны - “волны пространства-времени” или “волны в пространстве-времени”. ОТО фиксирует отличие априорной, математической геометрии от геометрии физических тел, всегда нуждающейся в экспериментальной проверке. В контексте теории относительности по-новому поставлен и решен вопрос о соотношении инертной и гравитационной массы.
3.11 Эквивалентность инертной и гравитационной массы
Как видно из сказанного, теория относительности поставила перед естествознанием новые задачи, в частности, проблему реальности гравитационного излучения, несущего энергию, и соответственно гравитационных волн (волн тяготения). Намечаются также задачи истолковать в геометризованном духе не только гравитационное, но и другие виды полей; разработать ОТО применительно к миру элементарных частиц; и т.д. Экспериментально давно было установлено, что обе массы эквивалентны друг другу с точностью до некоторого постоянного соотношения между измеряющими их единицами. В плане ОТО эта эквивалентность означает эквивалентность инерционных и гравитационных полей.
Инертная масса m определяется ньютоновским соотношением F=mа и служит мерой инерции тела: чем больше инертная масса тела, тем меньше ускорение (под действием одной и той же силы) оно приобретает, иными словами, тем больше его инерция. Но вместе с тем масса выступает как источник поля тяготения и с этой точки зрения определяется уже рассмотренной нами в разделе 2.2.1 формулой где r - расстояние между двумя взаимно притягивающимися телами, m1 и m2 - их массы, G - гравитационная постоянная. В этом смысле, т.е. как источник тяготения массу называют гравитационной.
Вообще говоря, теоретически (в рамках классической физики) можно представить себе, что инертная и гравитационная массы не находятся ни в каком определенном соотношении и даже не взаимосвязаны. Однако опыт с очень высокой степенью точности показывает, что они эквивалентны, т.е. при соответствующем подборе единиц измерения оказываются равными. Собственно именно благодаря этой эквивалентности мы и можем определять массу тела взвешиванием. Если в рамках классической механики эквивалентность гравитационной и инертной масс выглядит чисто эмпирическим фактором, то в теории относительности этот факт получил теоретическое объяснение. Оно заключается в “распространении принципа относительности на системы координат, движущиеся неравномерно друг относительно друга. Действительно, такая концепция приводит нас к признанию единства инерции и тяготения; в зависимости от того, каким образом мы их рассматриваем, одни и те же силы могут представляться находящимися под действием только сил инерции или под совместным действием как сил инерции, так и тяготения … Возможность объяснить численное равенство между инерцией и тяготением на основе единства их природы доставляет общей теории относительности столь большое превосходство над представлениями классической механики, что все трудности, с которыми она сталкивается в своем развитии, следует по сравнению с этим считать незначительными" (А. Эйнштейн. Сущность теории относительности. М., 1955, с.54-55).
3.12 Открытие элементарных частиц
Одним из отличий постклассических представлений от более ранней физики является изменившаяся картина материи. В основе этой картины в XX в. лежит идея элементарной частицы как далее неделимой структуры. К концу столетия стало общепризнанным, что самое свойство “неделимости” не так очевидно, как думали ранее. Если элементарные частицы и не делятся на части, то они в очень широких пределах друг в друга превращаются. Но в течение большей части XX в. в сознании ученых элементарные частицы были носителями свойства “неделимости” подобно тому, как раньше это свойство приписывали атомам. Что же касается атомов элементов, то они конечно, уже не были в понимании XX в., как для античных мыслителей или для ученых XVII-XIX вв., чем-то неделимым, но мыслилась как состоящая из частей: из электронов и ядра, которое в свою очередь включает в свой состав ряд элементарных частиц.
Открытие античастиц явилолсь одним из примеров введения постклассическим естествознанием правил, не могущих быть понятыми или интерпретированными в рамках классической физики.
За последние десятилетия был открыт (точнее, вычислен, предположен на основе убедительных математических соображений) еще целый ряд “виртуальных”, существующих по-видимому, но не обнаруживаемых в эксперименте частиц, для которых не выполняются обычные соотношения между массой, импульсом и энергией. С другой стороны, много непривычных свойств (например, дробность электрического заряда и т.д.) постулировано для таких ненаблюдаемых, но необходимых для обоснования многих процессов в микромире, как кварки и актикварки (см.2.4.1). В особую категорию выделены, начиная с 1950-х годов (работы Э. Ферми) короткоживущие возбужденные состояния адронов - “резонансы”. В конечном счете нет уверенности, что известные сейчас элементарные частицы являются подлинно элементарными в смысле неразложимости. Однако существенно, в частности в плане концепции корпускулярно-волнового дуализма (см.2.4.2), что каждой частице ставится в соответствие определенный вид поля. Из всех элементарных частиц выделяется группа частиц, возможно, “элементарных" в полном смысле слова, которые определяют всю специфику процессов в микромире. Это кварки и лептоны (частицы со спином 1/2); бозоны, фотоны, глюоны - частицы, “склеивающие” кварки в нуклоне (спин 1/2); а также гипотетические гравитоны.
В настоящее время решается задача объяснить на основе известных и предполагаемых свойств элементарных частиц важнейшее свойство атома - его устойчивости в течение огромных промежутков времени. В первом приближении объяснение этого было достигнуто уже Планком с помощью его гипотезы об элементарном кванте действия (синоним: постоянная Планка, см.2.4.1). Как писал Н. Бор, “… только существование кванта действия препятствует слиянию электронов с ядром в нейтральную тяжелую частицу, практически бесконечно малого размера. Признание такого положения тотчас же навело на мысль описывать удержание каждого электрона полем вокруг ядра как непрерывный ряд индивидуальных процессов, которые переводят атом из одного из так называемых его стационарных состояний в другое такое же состояние с испусканием освобождаемой энергии в виде единичного кванта электромагнитного излучения … Основное предположение об индивидуальности атомных процессов означало в то же время отказ от установления детальной причинной связи между физическими событиями, существование которой было в течение столетий бесспорной основой философии естествознания” (цит. по: В.И. Кузнецов и др., 1996, с.138). В самом деле, учение о жесткой детерминированности благодаря квантовой механике и другим отраслям постклассической физики все больше уступает место принципу неопределенности, а также статистическому и другим более гибким подходам. И в первую очередь этот сдвиг в подходе реализовался благодаря исследованиям мира элементарных частиц.
Интенсивное развитие физики микромира привело к выделению в качестве особой дисциплины ядерной физики
Теория относительности, хотя в принципе и универсальная по своему применению, все же находит приложение и проверку чаще всего на мегауровне, в связи с явлениями масштаба Галактики и Метагалактики (см. ниже). Напротив, квантовая механика исследует прежде всего явления, развертывающиеся на уровне элементарных частиц и вообще индивидуальных микрочастиц. Более приближенные к человеческому уровню восприятия системы, системы мезоуровня продолжают изучаться с одной стороны, средствами классической ньютоновской механики, а с другой, статистически. Примером глубокого проникновения статистических методов в современное естествознание может служить термодинамика. Третье из ее основных начал, принцип недостижимости абсолютного нуля, было установлено В.Ф.Г. Нернстом в 1906 г., в то время как два остальных начала термодинамики - закон сохранения энергии и принцип неубывания энтропии, т.е. меры вероятности состояния системы (микросистема может без внешних влияний переходить лишь от менее к более вероятным состояниям: от порядка к беспорядку, от определенной температуры к более низкой и т.д.), были известны ранее. Из второго начала делался вывод, что мировой процесс должен привести к максимизации энтропии и “тепловой смерти” Вселенной. Однако ОТО показала, что энтропия космических терподинамических систем может сколь угодно долго возрастать без достижения ими равновесного состояния с максимальным значением энтропии. По крайней мере в этом отношении постклассическое естествознание внесло ноту оптимизма в научное миросозерцание, поскольку вопрос о тепловой смерти перестал быть актуальной темой мировоззренческих дискуссий.
3.13 Физика и космология
Современные астрономия и космология перестали быть сочетанием чисто наблюдательного и умозрительного подхода, как это имело место до конца XIX в., и стали дисциплинами, опирающимися на точное физическое знание, в особенности на теорию относительности и квантовую механику
Классическое естествознание рассматривало Вселенную как стационарную систему, которая всегда была более или менее такой, как сейчас. Это допущение отражало более общие постулаты об однородности и абсолютности пространства и времени, отвергнутые, как мы видели, теорией относительности. На базе ОТО советский физик и математик А.А. Фридман (1888-1925) в 1922 г. теоретически предсказал, что вселенная может расширяться и сужаться. Согласно уравнениям Фридмана, существуют разные возможности: если средняя плотность вещества Вселенной равна или меньше некоторой критической величины, Вселенная неограниченно расширяется (видимо, эта возможность на данном этапе и соответствует реальности, что подтверждается методами спектроскопии: в спектрах галактик красные линии смещены таким образом, что создают картину удаления галактик от нас во все стороны со скоростью, пропорциональной квадрату расстояния. Это “красное смещение”, поразительным образом подтвердившее гипотезу Фридмана, было открыто через несколько лет после опубликования его работы). Если же плотность больше критической, Вселенная сжимается. При модели расширяющейся Вселенной, Вселенная первоначально имела точечный вид как бы шарика размером подобного электрону, а плотность ее была около 10100 г/см3. Температура ее была трудно представима, порядка миллиона миллионов градусов. После первичного так называемого Большого взрыва размер Вселенной стал увеличиваться, а температура - снижаться, пока тот и другая не достигли величин, о которых мы можем более или менее непосредственно судить, поскольку от них осталось нечто доступное измерению, а именно реликтовое радиоизлучение - излучение сохранившихся в межзвездных пространствах скоплений водородно-гелиевой плазмы, которые остались неизменными со времени до образования звезд. Все величины, относящиеся к более раннему периоду, получены путем простой экстраполяции более поздних процессов на самые ранние этапы образования Вселенной и потому не столь достоверны и уже неоднократно пересматривались. В частности, удаленность от нас Большого взрыва принималась равной 4-5 миллиардов лет, сейчас - 20-25 миллиардов лет, но и эти цифры не окончательны.
В период, от которого осталось реликтовое радиоизлучение, т.е. приблизительно 3-4 миллиарда лет тому назад, Вселенная состояла из более или менее однородной смеси водорода с гелием, со сравнительно “низкой" температурой - 4-5 тысяч градусов. Позднейшая сверхвысокая температура в недрах звезд возникла вторично в результате, скорее всего, термоядерных реакций. Радиус Вселенной в эпоху формирования реликтового излучения составлял около 15 миллионов световых лет.
3.14 Концепции современной химии и их формирование в ходе великих химических открытий
Вплоть до XVIII столетия в химии удерживались чисто умозрительные представления о том, что вещество состоит из “стихий" типа постулированных еще средневековыми алхимиками “ртути”, “серы" и др. или из “начал” наподобие невесомого “теплорода” (“флогистона”), якобы служащего причиной теплоты. Однако уже в 1660-х годах английский ученый Р. Бойль (1627-1691) ввел научное определение химического элемента как простого тела, которое не может быть получено из других тел и веществ. Он ввел в химию экспериментальный метод и измерение, положил начало исследованию закономерностей связи между объемом и давлением газов. Однако лишь в XVIII в. химия стала приобретать характер науки, основанной на выявлении системы объективных закономерностей. Впрочем, этому продолжало мешать господство концепции флогистона и недостаточность надежных количественных данных.
3.15 Закон сохранения массы Ломоносова
Выступив против концепции флогистона, Ломоносов пришел к гораздо более правдоподобному предположению, что теплота обусловлена вращательными движениями “корпускул”. Он выдвинул ставшую впоследствии известной формулировку закона сохранения массы: “Все перемены, в натуре случающиеся, такова суть состояния, что сколько у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому”. Если Бойль еще доказывал существование флогистона тем, что металл после прокалывания увеличивает свой вес, то Ломоносов в 1756 г. опроверг эти опыты (точнее, их ложную трактовку Бойлем) тем, что при прокалывании без доступа воздуха прибавки веса не получается. Этот факт был подтвержден в 1774 г. французским химиком А.Л. Лавуазье (1743-1794), показавшего затем, что прибавка веса является результатом присоединения особого элемента - кислорода.
3.16 Закон постоянства состава веществ Пруста
Для развития химии необходима была фиксация предмета этой науки как чего-то характеризуемого постоянными и устойчивыми признаками. В этом отношении важнейшую роль сыграли работы французского химика Ж.Л. Пруста (1754-1826). Исследовав состав многочисленных хлоридов, сульфидов, а также окислив металлов, он на рубеже XVIII и XIX вв. открыл закон постоянства химических соединений, гласящий, что каждое химическое соединение, независимо от способа, каким оно было получено, состоит из одних и тех же элементов, притом стоящих друг к другу в одних и тех же весовых отношениях. Без этого закона не удалось бы подвести базу под классическое атомно-молекулярное учение (см.1.3.4 и 1.3.5).
3.17 Закон эквивалентов Рихтера
Немецкий химик И.В. Рихтер (1762-1807) стремился отыскать в химических реакциях математические закономерности. В 1793 г. ему удалось показать, что в любой реакции, ведущей к образованию определенного соединения, элементы взаимодействуют в строго определенных пропорциях. Эти пропорции получили впоследствии название эквивалентов, а закон эквивалентов нашел выражение в виде таблиц, ставших основой количественного описания всех известных тогда реакций. Закон эквивалентов Рихтера стал одной из предпосылок химической атомистики.
3.18 Закон кратных отношений Дальтона
Первые определения атомных весов элементов были выполнены в первые годы XIX в. английским химиком и физиком Дж. Дальтоном (1766-1844). Обоснованием химической атомистики послужил также его закон кратных отношений для случая, когда два химических элемента образуют друг с другом несколько соединений: весовые количества одного из элементов, поделенные на таковые другого, относятся между собой, как простые целые числа.
На основании своего закона кратных отношений, а также закона постоянства состава Пруста Дальтон в 1803-1804 гг. выдвинул свою теорию атомного строения (химическую атомистику). Благодаря этой теории представления об атоме как носителе химических свойств впервые начали приобретать конкретный характер.
3.19 Закон Авогадро о постоянстве количества молекул в данном объеме
Отправляясь от атомистики Дальтона, итальянский физик и химик А. Авогадро (1776-1856) сформулировал в 1811 г. теорию молекулярного строения вещества. Он разработал метод определения молекулярных масс и с его помощью вычислил в течение 1810-х годов атомные массы кислорода, углерода и многих других элементов, а также открыл закон, согласно которому в одинаковых объемах газов содержится одинаковое количество молекул (при одной и той же температуре и давлении). Он уже в определенном смысле явился предшественником Д.И. Менделеева: так, Авогадро первым установил серию элементов, которые впоследствии вошли в периодическую систему как группа (точнее, главная подгруппа пятой группы. Это были азот, фосфор, мышьяк и сурьма, аналогию в свойствах которых Авогадро подметил).
3.20 Периодический закон и периодическая система химических элементов Менделеева
Перечисленные открытия заложили основу для атомно-молекулярной теории строения вещества, которая получила законченный вид в 1860-х годах, когда А.М. Бутлеров (1828-1886) создал теорию химического строения, а Д.И. Менделеев (1834-1907) - свою систему элементов. Последняя не только представляла собой классификацию элементов по объективным критериям, но и дала новый пример предсказательной силы науки: на основании своей системы Менделеев получил возможность предсказывать открытие новых элементов. Так, им заранее были установлены свойства скандия, германия, галия, эмпирически открытых лишь впоследствии.
Периодическая система Менделеева представляет собой развернутую форму его же периодического закона, первое четкое изложение которого было дано Менделеевым в феврале 1869 г. Сущность этого закона в трактовке самого Менделеева заключается в том, что физические и химические свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса. В современном понимании эта трактовка должна быть уточнена: свойства элементов зависят не столько от атомного веса, сколько от заряда ядра и определяемого этим зарядом числа электронов в атоме, которое равно порядковому номеру в системе Менделеева. Но в целом Менделеев был прав, называя свою таблицу естественной системой элементов. Она впервые отразила объективное распространение всех известных тогда элементов соответственно их свойствам, причем среди этих свойств выделена одно первичное (атомный вес, мы бы сейчас сказали - заряд ядра) и многочисленные зависимые от него вторичные.
Уже из планетарной модели атома Резерфорда и из факта нейтральности (нулевого заряда) атома в целом вытекло, что положительный заряд ядра является кратным отрицательного заряда электрона. На основе этого соотношения и была в 1913 г. выдвинута гипотеза, впоследствии оправдавшаяся, что число электронов в атоме равно порядковому номеру соответствующего элемента. После усовершенствования резерфордовской планетарной модели Бором выяснилась причина периодичности в таблице Менделеева. Это также был один из примеров преемственности между классическим и постклассическим состоянием науки. Согласно модели Бора, электроны движутся вокруг ядра лишь по “разрешенным” стационарным орбитам. Элементы с одним, двум и т.д. электронами в наружном слое, наиболее определяющем физические и химические свойства элемента, в целом повторяют свойства элементов с одним, двумя и т.д. электронами в наружном слое, но имеющих притом на один или несколько слоев (разрешенных орбит) электронов меньше.
3.21 Особенности постклассической химии
Современная (постклассическая) химия, продолжая оставаться наукой о превращениях и свойствах веществ, проявляющихся при трансформации их структуры на атомно-молекулярном уровне, приобрела в то же время новые особенности по сравнению с классическим периодом. Прежде всего, как сказано, она опирается на квантовую механику и учение о строении атома. Под этим углом зрения переосмысливаются все классические понятия. Например, валентность по-прежнему трактуется как количественная мера способности элемента к образованию химических связей, но в XX в. связи эти трактуются как электростатические силы, причем выяснилось, что упомянутая способность образовывать связи зависит от характера внешней (валентной) оболочки атомов (см.1.3.6). Конечно, для этого необходимы были по меньшей мере открытие электрона и боровская планетарная модель атома.
Еще недавно не имели применения, да почти что и не были известны изотопы - разновидности одного и того же химического элемента, имеющие один номер в периодической таблице, но отличающиеся друг от друга по атомной массе. Порядковый номер (число протонов в ядре) у изотопов одного и того ж элемента одинаков, но имеются добавочные или недостающие нейтроны, так что атомная масса получается неодинаковая. Первые изотопы были получены в процессе радиоактивного распада урана и тория в 1906-1907 гг., что явилось важным компонентов происходившей тогда тотальной перестройки естественнонаучных концепций. Оказалось, что порядковый номер элемента в менделеевской таблице является значительно более сложным показателем, чем полагали ранее, и под ним могут скрываться разновидности этого элемента с неодинаковыми свойствами, хотя и с одним зарядом ядра (конечно, такие формулировки смогли появиться только после принятия планетарной модели атома, каковая и была предложена в 1911 г.Э. Резерфордом, хотя еще и в несовершенной форме по сравнению с раннеквантовой моделью Бора, см.2.1.). Вскоре изотопы были открыты и у стабильных элементов, раньше всего у неона, а в 1934 г.И. Кюри и Ф. Жолио получили изотопы искусственным путем (а именно, отсутствующие в природе радиоактивные изотопы азота 12N, кремния 28S; и фосфора 30Р - слева вверху стали писать массовое число изотопа). Затем путем ядерных реакций синтезировали еще много изотопов, в основном радиоактивных.
3.22 Эволюционная химия
Широко распространилась за последние годы и представляет уже отчасти переход к биологии концепция эволюционной химии, основанная на введении в химию идеи саморазвития путем восхождения на более высокие уровни сложности и упорядоченности. Эволюция понимается в данном случае как спонтанный - в природе или специально подобранных (чтобы сделать минимальным участие человека) условиях - синтез новых химических соединений, являющихся более сложными по сравнению с исходными материалами. Сюда же примыкает моделирование каталитических систем, к которому мы вернемся в связи с проблемами биологии. Для химического же уровня организации несомненно, что раннему этапу возникновения жизни предшествовали сложные молекулярные процессы, которые можно отнести к категории химической эволюции и без которых жизнь не возникла бы.
На этом этапе в атмосфере Земли взаимодействовали сначала очень простые углеродосодержащие и безуглеродные вещества (вода, углекислый газ, аммиак, сероводород, цианистый водород, фосфорная кислота и т.д.), затем получившиеся из них малые биомолекулы (мономеры: сахара, аминокислоты, пурины, пиримидины, моносахариды и т.п.), затем сложные органические вещества и биополимеры (липиды, полисахариды, белки, нуклеотиды и др.) - и это уже была преджизнь, переход к живому веществу. Механизмы этого процесса перехода во многом неясны и представляют собой одну из тех наиболее увлекательных областей исследования, которые обещают обогатить естествознание новыми и углубленными концепциями. Для них отчасти уже готовы наименования: теория самоорганизации, биогенез, синергетика и т.д. Однако мы еще далеки от редукции реальных эволюционных и биологических процессов к химической основе, если такая редукция вообще возможна.
Редукцию химических концепций и в целом химического уровня организации к физическому можно считать практически состоявшейся, как можно видеть, в частности, на примере валентности, периодического закона Менделеева (см. выше) и многих других концепций и категорий. Редукция биологического уровня к химическому, видимо, представляет собой гораздо более трудную задачу, нежели редукция химического уровня к физическому. Многие применяемые в биологии понятия не имеют аналогии на низших уровнях организации. Таковы понятия органа, стимула, пола, инстинкта и др. Тем не менее во все возрастающей степени в биологии используется концептуальный аппарат физики и химии, а потому концепции современной биологии необходимо рассматривать как в их специфике, так и в контексте физических и химических данных и категорий.
3.23 Биологические явления. Формы и уровни жизни
Многообразие имеющихся на Земле живых систем поразительноЧасти организмов (клетки, ткани, органы), далее сами организмы, популяции, нередко рассматриваются в виде особых, всевозрастающих в отношении сложности объектов - уровней организации. “Лестница" этих уровней представляет собой часть более общей шкалы повышения организации в природе, начиная от атомов и молекул и кончая человеком, человеческим обществом и ноосферой (см. ниже).
В плане построения четкой картины многоуровневости живой природы в настоящее время наиболее адекватным представляется выделение следующих уровней: (1) молекулярного, составляющего предмет молекулярной биологии; (2) субклеточного - органелл и других внутриклеточных структур; (3) клеточного; (4) тканевого; (5) органного; (6) организменного; (7) популяционного - как сказано, ключевого с точки зрения СТЭ; (8) видового (сюда же примыкают уровни более высоких систематических единиц: рода, семейства, класса и т.д.); (9) биогеоценотического и (10) биосферного. Два последних уровня включают в себя не только организмы, но и участки земной поверхности и вообще местообитания организмов и будут рассмотрены ниже.
3.24 Специфика феномена жизни
Отличительные особенности живых существ заключаются, во-первых, в их составе, во-вторых, в строении и функциях. По составу они относятся к тому региону материального бытия, в основе которого лежат органические соединения. Какие именно, есть разные мнения. Раньше считали, что в основе жизни лежат белки; однако сейчас представляется более вероятным (как мы увидим ниже, при изучении генетических концепций), что еще важнее нуклеиновые кислоты - биополимеры построенные из нуклеотидов (азотистых оснований - пуриновых и пиримидиновых), углеводов и остатка фосфорной кислоты и лежащие в основе процессов хранения и передачи негенетической информации, т.е. информации, передающейся от одного поколения организмов к другому. Белки важны в осуществлении самых разнообразных функций в течение онтогенеза. Но при передаче признаков по наследству, а значит, и при филогенезе их роль сравнительно с нуклеиновыми кислотами пассивна, она лишь реализует программу, заложенную в последних. Теоретически возможны, например, на других планетах, и формы жизни, основанные на каких-либо других соединениях, например, не углеродных, а кремниевых. Сейчас для описания феномена жизни в наиболее общем виде берут за основу чаще всего не состав, а функции и структуру живых объектов как систем.
Под этим углом зрения первостепенными для определения некоторой системы как живого организма являются ее целостность; далее, уже упомянутый факт онтогенеза (согласно теории эволюции, также и филогенеза - исторического, т.е. в геологическом времени, формирование видов, родов, классов и других систематических групп организмов); обмен веществ и энергии с окружающей средой; способность целесообразно реагировать на ее изменения; сложность (высокоупорядоченность) строения; размножение. Взятые порознь, все эти аспекты специфики живого не являются абсолютными. Так, в определенной мере целостность характерна уже для кристаллов; в процессе кристаллизации в растворах, когда около “зародышевых” центров в течение определенного времени образуются “взрослые" кристаллы, с основанием можно видеть нечто подобное онтогенезу, т.е. индивидуальному развитию. Видимо, этот процесс в каких-то формах, возможно, напоминающих современные вирусы, также и исторически предшествовал появлению типичной жизни. Обмен веществ и энергии (иногда в том же смысле, т.е. как осуществляющих этот обмен, говорят о живых системах как открытых) тоже не столь уникальный случай: открытых систем и вне жизни много (например, газовые оболочки гигантских планет, где нет жизни, но идут потоки вещества и энергии к поверхности планеты и в космос). Вообще неорганические (“косные”) системы весьма нередко обмениваются (хотя бы в элементарной форме) веществом и энергией со своей средой и реагируют на ее изменения, и если это реагирование трудно определить как “целесообразное”, то по крайней мере есть системы, определенным образом “направленные" на поддержание своего равновесия: например, смесь уксусной кислоты с ее же натриевой солью или вообще буферные растворы, сохраняющие в известных рамках при добавлении воды, кислот или оснований на одном и том же уровне свою важнейшую характеристику - кислотность.
В то же время говорить о целесообразности реагирования организмов можно далеко не всегда: сталкиваясь с непривычными стимулами, они вполне могут поступать себе во вред. Вспомним о мотыльках, летящих на огонь, или о “самоубийствах” китов, выбрасывающихся на берег. Как раз устойчивость (к внешним воздействиям) параметров внутренней седы организма, реализуемая на основе системы обратных связей - гомеостаз - является более отчетливой характеристикой живых систем. Примером гомеостаза может служить выравнивание артериального давления после того, как изменение давления воспринимается барорецепторами сосудов, те передают сигнал в мозговые центры, откуда другой сигнал направляется к гладкой мускулатуре сосудов и снижает ее тонус, а это в свою очередь сигнализируется в мозг, который прекращает посылать расслабляющие импульсы. Не только организмам, но и другим живым системам свойствен гомеостаз: генетический гомеостаз представляет собой условие существования популяций, он заключается в поддержании (при возникающем равновесии внешнем воздействии) их генетической структуры. Однако как момент в определении специфики жизни гомеостаз немного дает, ибо присущ, как мы видели, и чисто химическим системам. Он встречается и в физических и технических системах: известен сконцентрированный У.Р. Эшби в 1948 г. “гомеостат” - система из четырех магнитов с перекрестными обратными связями. При отклонении системы от равновесного состояния магниты перемещаются случайным образом, “отыскивая” новое равновесное положение. Гомеостат Эшби мог даже до известной степени обучаться, компенсируя частичную поломку и восстанавливая связи нарушенные под влиянием изменений в среде, т.е. проявлял зачаточную целесообразность. Сложность тоже понятие относительное: была ли Вселенная в целом до появления жизни проще, чем какой-нибудь бактериофаг?
Более специфично для жизни явление размножения - воспроизведение себе подобных. Однако и ему есть аналогии в неживой природе: размножение кристаллов в насыщенном растворе, а также деление атомного ядра. При поглощении нейтрона ядра атома урана меняет форму, образуется “шейка”, а после ее уточнения и разрыва - два разлетающихся осколка, которые в свою очередь испускают нейтроны и т.д., причем все эти нейтроны подобны первому во всяком случае больше, чем организмы своему прародителю. При бета-распаде (распаде атомного ядра, сопровождающемся вылетом из него бета-частицы - электрона или позитрона) увеличивает число протонов или нейтронов, в зависимости от разновидности распада ( - или +).
Это формальное возражение следует иметь в виду, тем не менее, по существу размножение представляет собой достаточно оригинальное свойство именно живого: “достаточно" для того, чтобы быть положенным в основу определения жизни. Вот один из вариантов такого определения: “жизнь есть форма существования высокоупорядоченных открытых систем, способных к целесообразной реакции и к размножению”. С древнейших времен, как только люди стали пытаться определить жизнь в отличие от всего остального, они опирались на этот признак. Что заповедует в Библии Бог живым существам, творя их? Не реагировать ли, не обмениваться ли веществом и энергией со средой, не быть сверхсложными? Нет, но: “плодитесь и размножайтесь”. Отсюда можно видеть, что с самого начала этот признак как очевидно важный, в том числе и практически, наиболее привлекал внимание. По истечении тысячелетий он не стал менее важен, но постигнул научно и стал предметом рассмотрения наиболее, пожалуй, специфической из биологических дисциплин: генетики, науки о наследственности временного естествознания, появление первых организмов на Земле, стало возможным как заключительный этап химической эволюции.
Подобные документы
Принципы системного подхода. Объект как система и одновременно элемент более крупной, объемлющей его системы. Системное познание и преобразование мира. Противоположные свойства системы: отграниченность и целостность. Логические основы системного подхода.
контрольная работа [140,0 K], добавлен 10.02.2011Основные этапы развития системных идей. Возникновение и развитие науки о системах. Важные постулаты системного подхода к освоению мира, изложенные Ф. Энгельсом. Предпосылки и основные направления системных исследований. Виды системной деятельности.
реферат [39,1 K], добавлен 20.05.2014Исторический процесс развития системного подхода, утверждение принципов многомерного понимания действительности. Гносеологические основания развития системного знания как методологического средства. Типы и и основные направления синтезирования знаний.
реферат [33,0 K], добавлен 19.10.2011Общенаучный характер системного подхода. Понятия структуры и системы, "множество отношений". Роль философской методологии в формировании общенаучных понятий. Содержательные признаки и общие свойства систем. Основные содержательные признаки систем.
реферат [21,6 K], добавлен 22.06.2010Научно-мировоззренческий контекст формирования и развития мир-системного подхода Валлерстайна. Историко-философская реконструкция современной мир-системы в концепции И. Валлерстайна. Недостатки мир-системного анализа Валлерстайна и пути их преодоления.
курсовая работа [52,2 K], добавлен 14.06.2012Общее представление о пространстве и времени, являющихся общими формами существования материи. Важнейшие философские проблемы, касающиеся пространства и времени. Особенность концепции Лейбница. Относительность пространственно-временных характеристик тел.
реферат [46,7 K], добавлен 22.06.2015Развитие технической мысли в истории, представления об искусстве, науке и технике. Механистическая картина мира. Формирование философии техники в XIX-XX вв. Феномен обезличивания человека техникой. Этико-технический аспект изменения социальной реальности.
дипломная работа [106,1 K], добавлен 08.07.2012Характеристика логической связанности и целостности процесса изучения социальной реальности. Понятие и основные черты логики и системного анализа. Графические и количественные методы системного исследования. Этапы методик системного анализа по С. Янгу.
курсовая работа [47,9 K], добавлен 23.10.2013Представления о мире согласно Шопенгауэру. Размышления по основным вопросам философии, систематизация взглядов на познание, отношение к науке. Взгляд Шопенгауэра на природу, на целесообразность всех органических созданий природы. Объяснение мира как воли.
курсовая работа [26,1 K], добавлен 03.03.2012Отличительными особенностями подхода к технике в зарубежной философии является следующие: четко выраженное гуманитарное и аксиологическое отношение, постановка во главу угла вопросов природы и сущности техники и её значения для судеб нашей культуры.
реферат [23,9 K], добавлен 08.12.2010
