Концепции современного естествознания

Г.И. Рузавин

Концепции

современного

естествознания

Рекомендовано УМО по образованию

в области социальной работы в качестве

учебного пособия для студентов высших

учебных заведений, обучающихся

по направлению подготовки

и специальности

«Социальная работа»

МОСКВА

ГАРДАРИКИ

УДК 50(075.8) ББК20я73 Р83

Рецензенты: доктор философских наук, профессор В.П. Ляшенко; доктор философских наук, профессор А.А. Крушанов

Рузавин Г.И.

бие. — М.: Гардарики, 2006. — 303 с. ISBN5-8297-0219-3 (в пер.) Агентство CIP РГБ

УДК 50(075.8) ББК 20я73

ISBN 5-8297-0219-3

© «Гардарики», 2005, 2006 © Г.И. Рузавин, 2005, 2006

 

OCR: Ихтик (г.Уфа)

ihtik.lib.ru

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одной из основных форм духовной культуры является наука как непрерывно развивающаяся система знаний о природе и обществе. Наряду с наукой к духовной культуре относят также все виды искусства и художественной литературы, которые нередко даже противопоставляются науке. Речь здесь идет о противостоянии художественной культуры научной, которое в нашей литературе получило отражение как спор «лириков» и «физиков».

Известный английский писатель Ч. Сноу, в прошлом занимавшийся физическими исследованиями, а затем перешедший в «коридоры власти», одним из первых опубликовал книгу «Две культуры», в которой утверждает, что на одном полюсе находится культура, созданная наукой, на другом — художественная культура. «Ученые и художественная интеллигенция, — считает он, — до такой степени перестали понимать друг друга, что это стало навязшим в зубах анекдотом»¹. Причину такой поляризации культур он видит в недостатках системы образования, в его узкой специализации, что приводит к непониманию и даже отчуждению людей разных профессий. К сожалению, такое непонимание встречается и среди ученых. Гуманитарии часто возражают против применения в своих исследованиях надежных и проверенных методов естествознания, ссылаясь на то, что они в принципе не подходят для анализа специфического характера человеческой деятельности. Естествоиспытатели, не учитывая этой специфики, нередко пытаются навязать гуманитариям методы, явно неподходящие для изучения общественных процессов. Разумеется, каждая наука имеет свои особенности, и с ними необходимо считаться. В то же время все науки изучают единый мир, в процессе познания которого сформировались некоторые общие методы исследования. Часто именно незнакомство с этими методами или неумение использовать их в сво-

¹ Сноу Ч.П. Две культуры. М., 1973. С. 25—26.

ей области приводит к отчуждению гуманитариев и естествоиспытателей.

Курс концепций современного естествознания, который введен в российских вузах, предназначен для студентов-гуманитариев и должен дать им представление об эволюции научных знаний о природе, начиная от механистической картины мира и кончая современными картинами квантово-релятивистской физики, космологии и биологии. Знакомство с ними будет способствовать «наведению мостов» между будущими гуманитариями и естествоиспытателями, поможет им понять в общих чертах проблемы, которыми они занимаются, выявить сходство и различие применяемых ими методов, установить связь концепций естествознания с научным мировоззрением и философией.

Глава 1

Естественнонаучная и гуманитарная культуры

1.1. Естествознание и общество-знание Эти термины обозначают две различные традиции, которые сформировались, с одной… В истории науки и культуры в целом существуют две крайние точки зрения по вопросу о соотношении естествознания и…

Пониманием называют способ, посредством которого раскрывается смысл явлений и событий духовной жизни и гуманитарной деятельности. Необходимой предпосылкой процессов понимания служит их интерпретация, или истолкование.

Способ понимания часто связывают с герменевтическим методом. Свое название этот метод получил от имени древнегреческого бога Гермеса, который, согласно легенде, служил посредником между людьми и богами Олимпа. Поскольку обычные люди не понимали божественный язык, то Гермес выступал как переводчик и истолкователь воли богов.

Возникший еще в античной Греции герменевтический метод стал впоследствии применяться в качестве основного средства для истолкования и понимания письменных текстов разнообразного конкретного содержания (юридических документов, религиозных текстов, художественных произведений, переводов с иностранных языков и т.д.).

В XIX в. известный немецкий историк культуры и философ В. Дильтей (1833—1911) попытался использовать герменевтику в качестве методологии наук о духовной деятельности, к которым он относил гуманитарные науки.

В методологии гуманитарных наук различают два подхода к анализу процесса понимания, которые условно можно назвать психологическим и теоретическим. К психологическому подходу относят понимание, основанное на переживании одним человеком духовного опыта другого, его чувств, настроений, мотиваций и т.п. С такой точки зрения понимание в основном достигается путем эмпатии, т.е. «вчувст-вования», перевоплощения и проникновения в духовный мир другого человека. Грубо говоря, чтобы понять другого человека, например автора художественного произведения прошлой эпохи, необходимо влезть в его «шкуру» и внутренне пережить то, что пережил он. Подобный взгляд на понимание был широко распространен вXIX в. среди теоретиков и историков искусства, литературоведов и критиков, а также других гуманитариев. Хотя прием перевоплощения, «вчувство-вания» и проникновения в духовный мир другого человека, несомненно, приносит определенную пользу, например, актеру, играющему роль исторического лица, однако условия жизни, конкретные события, которые наблюдал, скажем, У. Шекспир (1564—1616), а тем

более Еврипид (около 480—406 до н. э.), с тех пор существенно изменились. Поэтому современный исследователь или актер не могут наблюдать их теперь, к тому же о прошлой эпохе, ее нравах, обычаях и духовной жизни нельзя судить с точки зрения сегодняшних идей, нравов и представлений. В лучшем случае можно размышлять о прошлом или представить его, опираясь лишь на воображение, руководствуясь некоторыми аналогиями и предположениями.

Теоретическое понимание основывается прежде всего на интерпретации, или истолковании, определенных явлений, событий и процессов. Суть интерпретации в гуманитарной деятельности состоит в раскрытии целей, мотиваций, действий и поступков людей. В этом отношении такое понимание во многом сходно с телеологическими объяснениями.

Нередко понимание сводят только к раскрытию и усвоению того смысла, который вложил в текст его автор. Считается, что если мы раскроем этот смысл, то тем самым поймем его. Именно так рассматривают понимание не только в обыденном познании и обучении, но и при переводе текстов с чужого языка на родной язык. Есть немало переводчиков, которые решительно заявляют, что их главная цель состоит в том, чтобы полностью, без искажений и собственных добавлений донести до читателя смысл авторского текста.

На первый взгляд такое требование выглядит вполне убедительно, но если вникнуть в него глубже, то ясно обнаруживается его ограниченность. Действительно, почему люди разных эпох восторгаются творениями великих мастеров литературы, живописи и музыки? Разумеется, в первую очередь это объясняется тем, что в них выражаются глубокие общечеловеческие проблемы, тревоги и надежды, но не только это привлекает к ним внимание. Ведь если бы интерпретаторы разных эпох раскрывали лишь авторский смысл пьесы, художественного произведения или музыкального сочинения, то все свелось бы к непрерывному воспроизведению того же самого смысла. Однако каждый, кто берется, например, ставить пьесы Шекспира или античные трагедии Еврипида, добавляет к ним свой, собственный смысл, который выражает идеи, представления и настроения своего времени, и тем самым обогащает первоначальный авторский смысл. В результате, если за это берется подлинный художник, оригинальное произведение только выигрывает. Несколько труднее обстоит дело с интерпретацией исторических событий, но и они истолковываются обычно с позиций настоящего времени. Это, конечно, не означает возврата к утверждению «история есть политика, опрокинутая в прошлое», предполагающего предвзятое, неисторическое истолкование про-

шлых событий. В то же время нельзя не признать, что взгляд с более широкой и развитой позиции, обоснованный и обогащенный опытом новых поколений, дает возможность лучше понять тенденции исторического развития, а тем самым и прошлые события.

Следовательно, интерпретация и понимание автора текста или произведения не являются единственно возможными. Чтобы понять, например, историческую хронику, юридический документ или иной текст, интерпретатор не просто раскрывает авторский смысл, но привносит дополнительный смысл от себя, так как подходит к ним с определенных позиций своего времени, личного опыта, своих идеалов и убеждений.

Взгляд на понимание как процесс, связанный с раскрытием более глубокого смысла результатов познавательной деятельности, помогает выявить его творческий, конкретно-исторический и активный характер. Непреходящая ценность прошлых великих художественных произведений заключается именно в том, что новые поколения находят в них созвучие, сходство и общность своих мыслей с теми мыслями, которые волновали предшественников.

По этому вопросу интересные и глубокие соображения высказывал в своих трудах известный русский литературовед и философ М.М. Бахтин (1895—1975). Ссылаясь на суждение В.Г. Белинского, что каждая эпоха открывает в великих произведениях то, чего в них не было, он справедливо замечает, что «ни сам Шекспир, ни его современники не знали того «великого Шекспира», какого мы знаем теперь»¹. Отсюда он делает вывод, что понимание не ограничивается раскрытием авторского смысла. Оно «должно быть лучшим... Понимание восполняет текст, оно активно и носит творческий характер. Творческое понимание продолжает творчество, умножает художественное богатство человечества»². Не означает ли это, спрашивает Бахтин, что мы модернизируем или искажаем текст? С таким вопросом, как мы отметили выше, приходится встречаться тогда, когда некоторые переводчики и теоретики настаивают на сохранении только авторского смысла или существовании единственно правильной его интерпретации вообще, чтобы уберечь текст от модернизации. С попытками модернизации необходимо, конечно, бороться, но они не имеют никакого отношения к подлинно творческой интерпретации. Ценность и значение таких интерпретаций Бахтин видит в том, что они раскрывают в произведении такой потенциальный смысл, который не смог заметить ни сам автор, ни его современники.

¹ Бахтин М.М. Эстетика словесного творчества. М., 1979. С. 331.

² Там же. С. 346.

Зависимость понимания текста от конкретно-исторических условий его интерпретации не превращает его в чисто психологический и субъективный процесс, хотя личный опыт интерпретатора играет здесь не последнюю роль. Между тем некоторые ученые стремились построить методологию гуманитарного знания исключительно на психологической концепции понимания. Так, например, известный английский историк и философ Р.Дж. Коллингвуд справедливо указывал, что историку мало знать тексты и психологические особенности его автора. Когда он стремится понять решения и действия выдающихся исторических личностей (императоров, завоевателей, реформаторов и т.д.), то ему «нужно в самом себе воспроизвести весь процесс принятия решения по этому вопросу»¹. Следовательно, исследование в данном случае сведется к мысленному воспроизведению исторической ситуации, ее разыгрыванию в уме историка. Однако осуществить это, во-первых, крайне трудно, ибо не может историк отождествить себя с Цезарем, Наполеоном или с кем-либо еще, во-вторых, субъективное воспроизведение хотя может в чем-то помочь, но не решает главного — не дает объективного анализа исторической ситуации. Поэтому известный западный философ К. Поппер справедливо считал существенным «не разыгрывание истории заново, а ситуационный анализ»². Такой анатиз связан не только с тщательным знакомством с исторической ситуацией, но и с выдвижением предположений и гипотез для ее решения. Проверка этих решений с помощью существующих и новых исторических свидетельств может помочь по-новому взглянуть на историческую ситуацию и даже сделать открытие в исторической науке. Таким образом, объективный анализ понимания не только допустим, но и необходим для анализа и понимания событий как настоящего, так и прошлого, которое нельзя изучать непосредственно, а приходится пользоваться весьма ограниченными историческими свидетельствами.

В связи с нашей темой естественно возникает вопрос: можно ли говорить о понимании явлений и процессов природы? Очевидно, что непосредственно этого утверждать нельзя, поскольку в явлениях природы не существует ни целей, ни намерений, ни мотивов, а тем самым и вложенного кем-то смысла. Думать иначе означало бы возвратиться к антропоморфизму, т.е. наделению природы особенностями, которые присущи только человеку. В то же время для исследования явлений природы мы вводим понятия, открываем законы и строим научные теории, с помощью которых интерпретируем эти явления. А это озна-

¹ Коллингвуд Р.Дж. Идея истории. М., 1980. С. 269.

² Поппер К. Объективное знание. М., 2002. С. 184.

16

чает, что мы достигаем определенного теоретического понимания существующей в природе регулярности, повторяемости и закономерности, но такое понимание по своему характеру оказывается в определенной степени ближе к естественнонаучному объяснению.

В целом понимание представляет собой более сложный, противоречивый и запутанный процесс, чем объяснение. Поэтому мы рассмотрели его подробнее, чем объяснение. Различие между ними состоит в том, что если объяснение сводится к логическому выводу факта из закона или теории, то понимание связано с раскрытием смысла факта, действия, поступка или интерпретации текстов и других произведений духовной деятельности.

В отличие от объяснения и понимания третья функция науки заключается в предвидении будущих событий и явлений в форме предсказаний и прогнозов. При предсказании, как и при объяснении, также обращаются к логическому выводу.

Предсказание по логической структуре не отличается от объяснения и основывается также на выводе высказываний о фактах из общих утверждений (законов и теорий), но сами факты остаются неизвестными, и их предстоит еще открыть.

В то время как объяснение относится к событиям и явлениям настоящим, а нередко и к событиям и явлениям прошлого (археология, геология, история, палеонтология), предвидение ориентировано только на будущие события и явления. Оно играет решающую роль не только в развитии теоретического знания, но и особенно в практическом применении этого знания, обеспечивая возможность прогнозирования явлений и событий. Известная максима «знать, чтобы предвидеть» достаточно ясно выражает роль предсказания в практической деятельности.

Другая особенность предсказаний связана с вероятностным их характером. Это относится в первую очередь к предсказаниям социальных и гуманитарных событий и процессов, которые опираются не на универсальные законы, типа закона всемирного тяготения, а на законы стохастические, или вероятностно-статистические, учитывающие роль случайностей и потому весьма важные для исследования общества и руководства в общественной деятельности. Как будет подробно показано в дальнейшем, заключения, полученные из таких законов, всегда имеют не достоверный, а лишь вероятностный или правдоподобный характер. Поэтому по своей точности предсказания в социальных и гуманитарных науках далеко отстают от предсказаний в естественных науках, в особенности наиболее развитых. Хорошо известно, с какой точностью астрономы вычисляют солнечные и лун-

ные затмения, а физики предсказывают результаты процессов, происходящих внутри вещества или электромагнитного поля.

От чего зависят точность и однозначность предсказаний, с чем они связаны? Почему предсказания социальных и гуманитарных наук лишь вероятны?

Иногда утверждают, что гуманитарные и социально-экономические науки не достигли еще той степени теоретической зрелости, которая присуща так называемым точным наукам (астрономия, механика, физика, химия, и др.). В этом утверждении содержится доля истины, но далеко не вся истина. В действительности точность предсказаний напрямую зависит от характера исследуемых наукой явлений и процессов. Если в механике и астрономии предсказания опираются на общие, универсальные законы, какими являются, например, основные законы динамики и закон всемирного тяготения Ньютона, то в социологии и психологии приходится ограничиваться полуэмпирическими законами вероятностно-статистического характера. Выходит, что чем сложнее процессы, которые изучает та или иная наука, тем труднее абстрагироваться в ней от целого ряда свойств и особенностей этих процессов, их связи и взаимодействия с другими процессами. Именно в результате взаимодействия разнородных явлений и событий возникают случайности, общий, совокупный результат действия которых предсказать довольно трудно. Следует особо подчеркнуть также роль субъективного фактора в социально-гуманитарном познании, вследствие чего прогнозы в этой сфере оказываются не точными и достоверными, а лишь вероятными в той или иной степени.

1.3. Взаимосвязь и единство в развитии науки

Если окружающий нас мир представляет собой нечто единое и целое, в котором предметы и явления находятся во взаимосвязи и взаимодействии, то адекватное представление о нем должно быть отражено в единстве всего нашего знания. Подлинное единство научного знания формируется в диалектическом процессе взаимодействия дифференциации и интеграции знания в ходе развития конкретных наук.

В прошлом было широко распространено мнение о том, что развитие науки происходит путем постепенного, непрерывного накопления все новых и новых научных истин. Такой взгляд, названный куму-лятивизмом (от лат. cumulatio — увеличение, скопление), в лучшем случае может относиться к отдельным периодам развития науки, но не отражает целостной картины ее развития, ибо на протяжении бо-

2-925

лее длительных стадий происходит ревизия, или пересмотр, прежних ее понятий, принципов и концепций. Поэтому развитие любой науки не сводится к простому процессу накопления знаний.

Наиболее радикальные изменения в науке связаны с научными революциями, которые сопровождаются коренной ревизией, пересмотром, критикой и уточнением прежних идей, программ и методов исследования, т.е. прежде всего того, что теперь называют парадигмой науки. Понятие парадигмы, получившее широкое распространение после появления книги американского историка и философа науки Т. Куна, допускает множество толкований. Чаще всего под ней подразумевают фундаментальную теорию определенной отрасли науки. В классической механике такой парадигмой является теория И. Ньютона, в учении об электромагнетизме — теория Дж.К. Максвелла, в биологии — эволюционная теория Ч. Дарвина и т.д. Иногда парадигмой называют образец или схему для решения проблем определенного рода, что согласуется с первоначальным значением этого древнегреческого слова (пример, образец). Сам Кун использует понятие парадигмы для характеристики так называемого нормального периода развития науки, когда ученые, по его мнению, заняты распространением существующей парадигмы на неисследованные области своей науки. Эту деятельность он сравнивает с решением головоломок. Переход к новой парадигме означает выход за рамки нормальной науки и связан с поиском новой парадигмы, способной объяснить новые явления и процессы, с которыми не могла справиться старая парадигма.

Однако такой взгляд на развитие науки не учитывает глубокой диалектической связи между постепенными, количественными изменениями и коренными, качественными ее изменениями. Деятельность ученых на так называемой нормальной стадии исследования отнюдь не сводится к применению существующей парадигмы к решению частных задач, а тем более головоломок, как это пытается представить Кун. Дух поиска, критики и творчества присущ науке на всех этапах ее развития, а не только в период научных революций. Таким образом, между эволюционными и революционными периодами развития науки существует глубокое единство и диалектическая взаимосвязь.

Единство науки находит свое воплощение и в нерасторжимой связи процесса взаимодействия двух дополняющих друг друга процессов: дифференциации и интеграции научного знания.

Дифференциация научного знания служит необходимым этапом в развитии науки, направленной на более тщательное и глубокое изучение отдельных явлений и процессов определенной области действительности. В результате такого исследования появляются новые от-

дельные научные дисциплины со своим предметом и специфическими методами познания. Как известно, в античной Греции не существовало строгого разграничения между конкретными областями исследования и отдельными научными дисциплинами, за исключением математики и наблюдательной астрономии. Все известные знания, способы и приемы изучения явлений природы рассматривались в рамках философии как нерасчлененной области знания и всеобщей мудрости.

Впервые отдельные естественнонаучные дисциплины возникают в эпоху Возрождения и Нового времени, когда появляется экспериментальное естествознание. Изучение природы должно было начаться с установления законов такой простейшей формы движения материи, как механические движения и процессы. Занявшись экспериментальным исследованием свободно падающих тел, выдающийся итальянский ученый Г. Галилей (1564—1642) сформулировал законы, которым они подчиняются, и заложил основы механики, которую превратил в научную дисциплину знаменитый английский ученый И. Ньютон (1643— 1727). Вслед за этим в XVIII—XIX вв. постепенно формируются физика, химия, биология и другие фундаментальные науки о природе.

По мере дальнейшего научного прогресса происходит ускоренный процесс появления все новых и новых научных дисциплин и их ответвлений. Хотя при этом значительно возрастают точность и глубина знаний о явлениях и процессах природы, но одновременно ослабевают связи между отдельными научными дисциплинами и взаимопонимание между учеными. В наше время дело доходит до того, что специалисты разных ветвей одной и той же науки нередко не понимают ни теорий, ни методов исследования, ни научного языка друг друга. Таким образом, дисциплинарный подход грозит превратить единую науку в совокупность обособленных, изолированных, узких исследований, в силу чего ученые перестают видеть их место и значение в процессе познания единого, целостного мира. В этих условиях ученый превращается в узкого специалиста, который обладает полнотой знаний в строго ограниченной области, и поэтому, согласно известному изречению, он оказывается «подобным флюсу, ибо полнота его односторонняя». Поэтому становится необходимым противопоставить тенденции к дифференциации науки такие методы исследования, которые могли бы противостоять отрицательным последствиям дифференциации. Для преодоления ограниченности чисто дисциплинарного подхода к изучению мира в ходе развития науки постепенно разрабатываются средства и методы исследования, которые позволяют исследовать многие явления и процессы с единой, общей точки зрения. Это способствует тому, что ученые разных специальностей на-

 

чинают понимать общие тенденции развития науки и место каждой науки в общем, едином процессе познания мира.

Новые подходы и методы, которые принято называть интегратив-ными, а иногда междисциплинарными, охватывают более обширные области исследования реального мира, чем отдельные научные дисциплины. Прежде чем наука смогла перейти к междисциплинарным и тем более к интегративным исследованиям, она должна была заняться изучением свойств отдельных явлений и их групп. Именно такому этапу соответствует дисциплинарный подход, ориентированный на изучение специфических, частных закономерностей конкретных явлений и процессов. Однако по мере развития научного познания становилось все более очевидным, что такой подход не способствует открытию более глубоких и общих закономерностей, которые управляют явлениями, а тем более фундаментальных законов, относящихся к взаимосвязанным классам явлений и целых областей природы. С помощью таких законов как раз и раскрываются единство природы, взаимосвязь и взаимодействие составляющих ее объектов и процессов.

Важную роль в процессе интеграции играет применение методов одной науки в другой. Когда биология начала использовать в своих исследованиях физические методы, она достигла впечатляющих результатов, которые завершились возникновением на стыке биологии и физики новой науки — биофизики. Аналогичным образом возникли биохимия, геофизика, геохимия и другие науки.

Особое значение в наше время приобретает системный метод, который дает возможность рассматривать предметы и явления в их взаимосвязи и целостности. Именно поэтому этот метод является наиболее эффективным средством междисциплинарных и интегративных исследований. Тот факт, что познание в естественных, технических, социальных и гуманитарных науках совершается в целом по некоторым общим принципам, правилам и способам деятельности, свидетельствует, с одной стороны, о взаимосвязи и единстве этих наук, а с другой — об общем, едином объекте их познания, которым служит окружающий нас реальный мир: природа и общество. Хотя конкретные, частные, специальные приемы и способы исследования в разных науках могут заметно отличаться друг от друга, но общий подход к познанию, метод их исследования остается в принципе тем же самым. В этом смысле частные приемы и методы познания, используемые в конкретных науках, можно охарактеризовать как тактики исследования, а общие принципы и методы — как стратегию.

1.4. Научный метод

Древнегреческое слово метод обозначает путь к достижению какой-либо цели. Поэтому в широком смысле слова под методом подразумевается упорядоченный и организованный способ деятельности, направленный на достижение определенной практической или теоретической цели.

Происхождение метода первоначально связано с решением конкретных практических задач: изготовлением предметов, необходимых для жизнедеятельности людей, строительством жилищ, выращиванием урожая и т.п. Еще в глубокой древности было замечено, что для создания тех или иных вещей необходимо было выполнить ряд трудовых операций, руководствуясь при этом соответствующими приемами, средствами или способами в строго определенном порядке. Задолго до возникновения науки люди приобретали необходимые им навыки обращения с вещами и знания об их свойствах и качествах в процессе непосредственной практической деятельности. И сейчас немало нового для себя мы узнаем с помощью обыденного познания.

Подчеркивая отличие научного знания от обыденного, практического знания, иногда не обращают внимания на преемственность и связь между ними. Эта связь состоит прежде всего в том, что обе эти формы познания имеют общую цель — дать объективно верное знание о действительности. Поэтому они опираются на принцип реализма, который в обыденном сознании ассоциируется с так называемым здравым смыслом. Однако научное мышление хотя и возникает на основе здравого смысла и его предположений, но в дальнейшем эти предположения подвергаются уточнению, исправлению и критике. Так, обыденное представление о движении Солнца вокруг Земли, вошедшее даже в систему мира Птолемея, было отвергнуто и заменено научным положением о движении Земли вокруг Солнца в гелиоцентрической системе мира Н. Коперника.

Наука, хотя и начинает с анализа предположений здравого смысла, не отличающихся особой надежностью и обоснованностью, в процессе своего развития подвергает их рациональной критике, используя для этого специфические эмпирические и теоретические методы исследования, и тем самым достигает прогресса в понимании и объяснении изучаемых явлений. Поскольку наука представляет собой особую целенаправленную деятельность по производству новых, надежно обоснованных знаний, постольку она должна располагать своими специфическими методами, средствами и критериями познания. Именно эти особенности отличают науку как от повседневного знания, так и от других вненаучных его форм. В то время как в обы-

22

денном познании освоение мира происходит в рамках непосредственной практической деятельности, наука создает для этого особые абстракции и идеализации. Поэтому она имеет дело непосредственно не с материальными, а с абстрактными и идеальными объектами, на основе которых строит свои гипотезы и теории.

Научное познание отличается от обыденного и практического познания также своей системностью и последовательностью как в поиске новых знаний, так и в упорядочении всего известного, наличного и вновь открытого знания. Каждое новое открытие получает свое обоснование, когда становится элементом определенной системы знания. Чаще всего такой системой служит теория как наиболее развитая форма рационального знания. В отличие от этого, обыденное знание имеет разрозненный, случайный и неорганизованный характер, с преобладанием не связанных друг с другом отдельных фактов либо их простейших обобщений.

Именно с возникновением экспериментального естествознания на первый план в XVII—XVIII вв. выдвигается проблема анализа методов и средств опытного изучения природы. Поскольку унаследованные от Античности и Средних веков дедуктивные методы не годились для этой цели, то выдающиеся философы того времени Р. Декарт и Ф. Бэкон в своих сочинениях уделили большое внимание методам поиска нового знания в науке.

«Под методом, — писал Декарт, — я разумею точные и простые правила, строгое соблюдение которых всегда препятствует принятию ложного за истинное и, без лишней траты умственных сил, но постепенно и непрерывно увеличивая знания, способствует тому, что ум достигает истинного познания всего, что ему доступно»¹.

В качестве основных требований метода он рекомендует три правила: 1) начинать с простого и очевидного; 2) из него путем дедукции получать более сложные высказывания; 3) действуя при этом так, чтобы не было упущено ни единого звена, т. е. сохраняя непрерывность цепи умозаключений. Для осуществления этих целей необходимы две способности ума: интуиция и дедукция. С помощью интуиции усматриваются простейшие и очевидные начала, из которых по правилам дедукции следуют все другие истины. Такая характеристика метода, скорее всего, подходит для математического познания, в котором теоремы логически выводятся из аксиом, которые постигаются посредством интуиции. В дальнейшем идеи Декарта о дедуктивном характере метода науки на более широкой основе разрабатывал Г.В. Лейбниц, кото-

¹ Декарт Р. Избр. произв. М., 1950. С. 89.

рый стремился свести рассуждения к вычислениям и тем самым стал предтечей современной символической, или математической, логики.

В области эмпирических наук Ф. Бэкон в качестве важнейшего метода исследования выдвинул индукцию. Дедукция, в частности силлогистика Аристотеля, по его мнению, совершенно бесполезна для изучения природы. Поэтому в противовес «Органону» Аристотеля он создает «Новый Органон», который представляет собой совокупность простейших методов индуктивного исследования (методов сходства, различия, сопутствующих изменений и остатков). Однако Бэкон явно недооценивал роль дедукции и математики в научном исследовании, например при обработке результатов экспериментов. Кроме того, он слишком переоценивал свою индуктивную логику, считая ее безошибочным методом открытия новых истин в науке.

«Наш же путь открытия наук, — писал он, — немногое оставляет остроте и силе дарования, но почти уравнивает их. Подобно тому, как для проведения прямой или описания совершенного круга много значат твердость, умелость и испытанность руки, если пользоваться только рукой, — мало или совсем ничего не значат, если пользоваться циркулем и линейкой. Так обстоит и с нашим методом»¹.

Таким образом, основоположники учения о методах науки опирались в своих воззрениях на основные типы логических рассуждений, которыми явно или неявно пользуются как в повседневном, так и в научном мышлении. Современная методология использует множество других способов и приемов познания, общей особенностью которых является целенаправленный, организованный и систематический характер поиска истины. Только при систематическом использовании методов можно приблизиться к истине. Поэтому в самом широком смысле метод можно рассматривать как некоторую систематическую процедуру, которая состоит из последовательности определенных операций, применение которых приводит либо к достижению поставленной цели, либо приближает к ней. Если в первом случае применение заданных операций или приемов приводит к достижению цели, то во втором случае метод избавляет нас от действий наугад путем слепого перебора разных возможностей, с помощью многочисленных случайных проб и ошибок.

Методы первого рода, в которых строго задан точно определенный порядок операций или действий, имеют несложный характер. Поэтому их можно уподобить алгоритмам математики. Действительно, располагая алгоритмом, мы всегда можем решить ту или иную задачу, на-

¹ Бэкон Ф. Соч.: В 2 т. Т. 2. М., 1972. С. 27-28.

пример умножить дробь на дробь, извлечь квадратный корень или найти производную функции. Однако из математики известно, что далеко не все ее задачи и проблемы допускают алгоритмическое решение. Тем более это относится к сложным проблемам естествознания и социально-экономических и гуманитарных наук, которые развиваются в постоянном контакте с наблюдениями, экспериментом и общественной практикой.

Таким образом, простейшие, алгоритмические методы применимы лишь для решения несложных научных проблем и задач практического характера. Сложные же проблемы науки меньше всего поддаются алгоритмизации, и их решение нельзя свести к применению каких-либо готовых правил и рецептов. Они требуют мобилизации всех интеллектуальных усилий ученого и настойчивого творческого поиска. Такие методы называют эвристическими или поисковыми (от греч. — ищу, нахожу).

При выдвижении научных гипотез, поиске законов, построении и проверке теорий ученые руководствуются теми или иными методами, приемами и нормами, которые в своей совокупности и составляют эвристический метод исследования. Хотя такой метод и не гарантирует обязательного достижения истины, тем не менее он в значительной мере дисциплинирует мышление и облегчает поиск истины, делая его систематичным и целенаправленным.

Решение проблем конкретных наук требует привлечения специальных методов исследования. В эмпирических науках для этого приходится обращаться также к специальным средствам наблюдения и измерения, постановке заранее продуманных экспериментов. Поскольку специальные методы имеют специфический характер, постольку они разрабатываются и совершенствуются в рамках конкретных наук. В отличие от них общие методы науки, их возможности и границы применения изучаются в общей теории научного метода, которая называется методологией науки.

Любой метод исследования зависит от поставленных целей, которые могут быть как практическими, так и теоретическими. В науке приходится иметь дело с познавательными проблемами и задачами, поэтому методы, в свою очередь, можно разделить на эмпирические и теоретические, фундаментальные и прикладные, детерминистические и вероятностные и т.д. Хотя каждая проблема для своего решения требует определенных методов и средств, но это вовсе не означает, что для этого каждый раз надо заново создавать особые методы. Как правило, методы характеризуются определенной степенью общности, начиная от универсальных методов диалектики и логики и кончая

специальными методами, создаваемыми для исследования некоторой области явлений природы и общества.

В любой науке можно выделить некоторую совокупность приемов, способов и методов исследования, оправдавших себя в процессе познания. Наряду с этим существуют методы исследования, которые являются общими для целой группы научных дисциплин, например экспериментальный метод исследования явлений и процессов неорганической и органической природы. Наконец, существуют методы познания и исследования, которые являются универсальными или почти универсальными. К ним относятся прежде всего методы системного подхода, получившего широкое признание в современной науке. Почти универсальными по применению являются методы логики и математики.

Методы познания можно классифицировать и по другим основаниям деления. По уровню познания явлений различают эмпирические и теоретические методы, по точности предсказаний — детерминистические и стохастические, по функциям в науке — методы систематизации знания, его объяснения и предсказания новых фактов, наконец, по области их применения — физические, биологические, социально-экономические и гуманитарные.

«Каждая наука, — справедливо замечает К. Ясперс, — определена методом и предметом. Каждая являет собой перспективу видения мира, ни одна не постигает мир как таковой, каждая охватывает сегмент действительности, но не действительность в целом»¹. В самом деле, именно особенности предмета конкретной естественной или гуманитарной науки определяют метод ее исследования, способ постижения новых истин.

Поскольку метод служит для получения объективно истинных знаний о мире, постольку он должен выступать в роли аналога той области действительного мира, для изучения которой предназначен. Но научные истины отнюдь не равнозначны по глубине постижения действительности и по области их применения. Конечная цель познания заключается в открытии тех объективных законов, которые управляют соответствующими явлениями. Опираясь на открытые наукой законы, в дальнейшем их можно использовать в качестве специфического метода исследования частных явлений данной области или даже анализа эмпирических законов. Например, методы электромагнетизма могут быть с успехом использованы для изучения некоторых процессов, происходящих в живых организмах, в частности исследования ритмов сердца или электрической активности мозга. В отличие от ча-

¹ Ясперс К. Смысл и назначение истории. М., 1994. С. 102—103.

стных и конкретных методов в методологии изучаются общие методы, используемые большинством наук или группой наук на разных этапах познавательной деятельности.

На эмпирической, или опытной, стадии применяют главным образом методы, опирающиеся на чувственно-наглядные приемы и способы познания, к которым относят систематические наблюдения, эксперимент и измерения. Наблюдения являются первоначальным источником информации, но в науке они существенным образом зависят от теории. Ведь прежде чем что-то наблюдать, необходимо располагать какой-либо идеей, предположением или просто догадкой, что именно следует искать. Поэтому в науке редко бывают случайные открытия, совершенно не связанные с предшествующими исследованиями, не опирающиеся на предварительные наблюдения и эксперименты. Последовательность, систематичность, тщательность и контролируемость — вот характерные требования для научного наблюдения.

Эксперимент — важнейший метод эмпирического исследования, который специально планируется и ставится так, чтобы можно было наблюдать изучаемые процессы и явления в условиях, меньше всего подверженных воздействию посторонних факторов. В условном смысле он может быть уподоблен абстрактному рассмотрению интересующих нас вопросов, т.е. проводиться в изоляции и ограничении от действия несущественных факторов, влияющих на явление. Со времени Галилея, впервые осуществившего контролируемый и математически обработанный эксперимент, многие естественные науки совершили гигантский скачок в своем развитии именно благодаря эксперименту. Поэтому этот метод и получил наибольшее применение в естествознании. В настоящее время эксперимент значительно усложнился как по своей технической оснащенности, так и по взаимодействию с теорией, что нашло свое выражение в появлении специальной теории планирования эксперимента и статистических методов обработки его результатов.

Измерения играют существенную роль в ходе опытного исследования, но они не являются особым эмпирическим методом, а составляют необходимое дополнение любого серьезного научного наблюдения и эксперимента. В настоящее время для обработки их результатов применяются вычислительные методы, использующие компьютеры.

На теоретической стадии обращаются к абстрактным методам исследования, т.е. к образованию понятий, построению гипотез и теорий. Реальный процесс исследования в науке начинается не с накопления фактов, как ошибочно полагают сторонники эмпиризма, а с выдвижения проблемы. Именно проблема свидетельствует о возник-

новении трудности в развитии науки, когда вновь обнаруженные факты не удается объяснить и понять с помощью старых теорий. Возникшая проблемная ситуация требует четко определить, какие факты и в чем они не согласуются со старыми эмпирическими и теоретическими знаниями. В качестве пробного решения сформулированной проблемы выдвигается некоторая гипотеза, которая на последующих стадиях исследования подробно анализируется с точки зрения ее подтверждения имеющимися эмпирическими данными и теоретическими знаниями. Затем из гипотезы выводятся логические следствия, которые допускают эмпирическую проверку путем сопоставления их с результатами наблюдений и экспериментов.

Эмпирическая проверка служит важнейшим условием для определения научного характера гипотезы, поскольку именно она требует выведения следствий из нее, которые затем фактически сравниваются с данными опыта или наблюдений. Если следствия из гипотезы не согласуются с эмпирическими данными, то в соответствии с известным логическим принципом modus tollens (отрицающего модуса) опровергается сама гипотеза. Значительно труднее обстоит дело с подтверждением гипотезы. Иногда считают, что если следствие гипотезы было подтверждено на опыте, то это свидетельствует об окончательной ее истинности. Такое заключение было бы слишком поспешным, ибо согласно правилам логики из истинности следствия не вытекает истинность гипотезы. В этом случае можно говорить лишь о той или иной степени вероятности, или правдоподобности, гипотезы, так как при дальнейшей проверке могут быть обнаружены факты, опровергающие гипотезу частично или целиком. Очевидно, однако, что чем больше по количеству, а главное по разнообразию, будет найдено фактов, подтверждающих гипотезу, тем выше станет ее вероятность. В принципе, однако, вполне допустим один-единственный случай, который может опровергнуть гипотезу. Это обстоятельство часто упускают из виду люди, незнакомые с логикой. Между тем даже многократно проверенные и подтвержденные опытом законы естествознания представляют собой не что иное, как практически достоверные гипотезы. Так, например, законы механики И. Ньютона до открытия теории относительности А. Эйнштейном (1879—1955) считались непреложными истинами. Дальнейшие эксперименты, проведенные в связи с проверкой общей теории относительности, выявили приближенный, относительный характер теории Ньютона. Эти результаты хорошо подтверждают диалектический принцип об относительном характере познания как движения от менее верных и полных истин к истинам более верным и полным.

Особое значение для понимания единства не только естественнонаучного, но и социально-гуманитарного знания имеют новые междисциплинарные методы исследования. Речь идет о системном методе, новой концепции самоорганизации сложноорганизованных систем, возникшей в рамках синергетики, а также общей теории управления, впервые появившейся в кибернетике. Более подробно это будет изложено в последних главах книги, здесь же, забегая вперед, разъясним их основное содержание, которое будет необходимо в ходе последующего изложения.

Кибернетика, возникшая около полувека назад, является одним из замечательных примеров междисциплинарного исследования, которая изучает с единой, общей точки зрения процессы управления в технических, биологических и социальных системах. Хотя конкретные процессы управления стали изучаться задолго до возникновения кибернетики, однако каждая наука при этом применяла свои понятия и методы, вследствие чего трудно было выделить наиболее фундаментальные принципы и методы управления. Для этого потребовалось подойти к конкретным процессам управления с более обшей, абстрактной точки зрения и применить современные математические методы исследования, в частности математические модели, а для их расчетов компьютеры. Поскольку процесс управления связан с получением, хранением и преобразованием информации, постольку кибернетика дала мощный толчок и для развития теории информации. Нетрудно, однако, понять, что кибернетика является одним из специальных видов междисциплинарных исследований, изучающих общие принципы процессов управления. Следовательно, она рассматривает системы только вполне определенного типа.

При системном подходе любые объекты исследования рассматриваются как элементы некоторой целостной совокупности, или системы, связанные между собой определенными отношениями, которые образуют структуру системы. Именно в результате взаимодействия этих элементов возникают общие, целостные свойства системы, которые качественно отличаются от свойств составляющих ее элементов и поэтому не сводятся к их сумме. Такие свойства называют эмерджентны-ми, или возникающими, поскольку они образуются в процессе взаимодействия элементов системы. На этом основании часто говорят, что свойства системы как целого не сводятся к сумме свойств частей. В самом деле, свойства воды как жидкости качественно отличаются от свойств образующих ее составных частей: кислорода и водорода, которые в свободном состоянии представляют собой газообразные вещества. Разные системы, встречающиеся в природе и обществе, имеют раз-

■

ное строение и характеризуются различными признаками. Среди них можно выделить прежде всего открытые системы, которые взаимодействуют с окружающей их средой, обмениваясь с ней веществом и энергией, а также иерархически организованные системы, содержащие в своем составе подсистемы различной степени общности и автономности. Лучше всего можно понять особенности таких систем на примере живых организмов. Простейшими их элементами служат клетки. Последние образуют подсистемы, называемые тканями, которые, в свою очередь, составляют органы живого тела. Каждая из этих подсистем обладает относительной автономностью, но подсистемы низшего уровня подчинены подсистемам высшего уровня. В целом же они составляют единый, целостный живой организм, которым управляет центральная нервная система.

Для понимания процессов эволюции особое значение приобретают междисциплинарные исследования, проводимые в рамках новой концепции самоорганизации, которая была названа синергетикой. Новые результаты, полученные в этой области, показывают необоснованность прежнего абсолютного противопоставления живых систем неживым системам и проливают дополнительный свет на проблему возникновения живого из неживого. Опыты и теоретический анализ показывают, что при наличии строго определенных условий процессы самоорганизации могут происходить и в системах неорганической природы. Опираясь на эту концепцию, можно представить весь окружающий нас мир как универсум самоорганизующихся систем и процессов и тем самым лучше понять его.

1.5. Позитивизм и антипозитивизм в методологии науки

Методы исследования, способы объяснения и предсказания в естествознании были разработаны значительно раньше, чем в социально-историческом и гуманитарном познании. Поэтому попытки перенесения их в сферу общественных наук предпринимались неоднократно, но впервые такая общая программа была выдвинута известным французским социологом О. Контом в его «Курсе позитивной философии».

«...Положительная философия, — читаем мы там, — указывает на однообразный прием рассуждения, приложимый ко всем предметам, подлежащим человеческому исследованию».

Конт считал, что именно позитивные, или положительные, науки, к которым он относил науки о природе, не нуждаются в какой-либо

особой философии, стоящей над ними. Наука — сама себе философия, так можно было бы кратко выразить суть позитивизма Конта. Основная особенность позитивизма состоит, по его мнению, в том, что «положительную философию можно считать единственно прочной основой общественного преобразования».

Враждебное отношение Конта к тогдашней философии легко понять, если учесть, что вплоть до середины XIX в. была широко распространена натурфилософия, представители которой пытались объяснить явления и процессы природы не с помощью наблюдений и экспериментов и последующего их теоретического анализа, а исключительно посредством чисто спекулятивных, умозрительных построений. Что касается проблем объяснения и понимания социальных процессов и явлений, то сторонники позитивизма пытались рассматривать их по аналогии с существующими закономерностями естествознания. Сам Конт, например, рассматривал социологию как своего рода социальную физику, в которой вместо атомов фигурируют человеческие индивидуумы. Неудачи такого подхода к социальным законам позитивисты объясняли недостаточной теоретической зрелостью социальных наук.

Неопозитивизм, который стал господствовать в западной философии науки XX в., не только унаследовал многие черты старого позитивизма, но и добавил к ним еще ряд новых характеристик. Наряду с провозглашением принципа всеобщего, единого, универсального метода познания для всех наук, не допускающего его конкретизации, неопозитивисты подчеркивают особое значение логики как для построения системы научного знания, так и для его унификации, или объединения. В связи с этим неопозитивизм часто называют также логическим позитивизмом. Идеалом для всех наук он провозглашает математическую физику, которая строится в соответствии с требованиями дедуктивно-аксиоматического метода. По такому методу, как известно, строится элементарная геометрия Евклида, в которой сначала перечисляются аксиомы и основные понятия геометрии, а затем из них по правилам логики выводятся или доказываются теоремы. В математической физике вместо аксиом используются законы физики. Нетрудно, однако, понять, что на такой идеал можно ориентироваться лишь в законченном исследовании или в учебнике для изложения достигнутых результатов в той или иной отрасли знания. Совсем иначе обстоит дело в реальной исследовательской практике, направленной на получение в первую очередь новых знаний, а не на их классификацию и систематизацию.

Наконец, отличительной особенностью неопозитивизма является ориентация на эмпирическое обоснование полученных в науке результатов. Все, что не может быть обосновано таким путем, объявляется

ненаучным, метафизическим и спекулятивным. В связи с таким требованием современный позитивизм нередко рассматривают как эмпирическое направление в философии науки.

В 50-х гг. прошлого века неопозитивизм подвергся резкой критике как учеными-естествоиспытателями, так и философами, придерживающимися других позиций и настроенными антипозитивистски. На представительных международных конгрессах было показано, что принципы, на которые опирается неопозитивизм, не согласуются с реальной практикой научных исследований, они ограничивают творческие возможности ученых и рассматривают науку не в процессе поиска новых истин, не в движении и развитии, а в виде готовых истин и результатов. Особенно острым нападкам неопозитивизм подвергся со стороны представителей социально-гуманитарных наук. Сторонники диалектической философии, герменевтики, философии жизни и других направлений убедительно доказывали, что неопозитивистские идеи совсем не подходят для анализа весьма сложных, противоречивых и запутанных явлений социальной жизни. Здесь приходится учитывать взаимодействие объективных и субъективных факторов, специфику эмпирических и рациональных методов познания, особую роль теоретических представлений в открытии новых фактов. Благодаря резкой, но справедливой и обоснованной критике неопозитивизм утратил теперь свое доминирующее влияние в философии науки, а многие его сторонники пересмотрели свои прежние взгляды.

В настоящее время существует также, как уже отмечалось, тенденция к противопоставлению гуманитарной культуры естественнонаучной культуре. Такое противопоставление возникло из попыток позитивистов и сочувствующих им естествоиспытателей некритически перенести методы и принципы естествознания в социально-гуманитарное познание. Вполне законная реакция гуманитариев против таких попыток сопровождалась, однако, полным их отказом от применения надежных и проверенных методов и техники исследования естествознания в социально-гуманитарных науках.

Развертывающийся научно-технический прогресс и внедрение его достижений, методов и приемов исследования в разные сферы деятельности постепенно способствуют наведению мостов между естественнонаучной и гуманитарной культурой. Выявление единства фундаментальных принципов и методов исследования естественных и гуманитарных наук постепенно преодолевает былое отчуждение между ними. Знакомство с современными концепциями естествознания в конечном счете должно также способствовать взаимопониманию между естествоиспытателями и гуманитариями.

32

1.6. Особенности формирования естествознания и современные тенденции его развития

Экспериментальное естествознание, возникшее в XVII в. как противоположность натурфилософским воззрениям Античности и Средних веков, провозгласило опыт в качестве важнейшего средства исследования природы. В течение последующих трех веков благодаря использованию экспериментального метода оно достигло гигантских успехов. Как мы уже знаем, изучение природы необходимо было начать с простейших процессов, к которым относится механическое движение тел. Классическая механика благодаря своим успехам в объяснении движения земных и небесных тел и точности предсказаний стала образцом, или парадигмой, для остальных наук. По мнению многих ученых, именно она составляет фундамент классического естествознания и даже всей науки в целом. Однако в своем исследовании механика, как мы покажем подробнее в дальнейшем, абстрагируется от многих усложняющих особенностей и деталей изучаемых процессов и явлений. Так, например, она рассматривает планеты, обращающиеся вокруг Солнца, как материальные точки, а сами тела как системы таких точек. Поскольку размеры планет крайне малы в сравнении с их расстоянием от Солнца, то такая абстракция оказывается вполне обоснованной и плодотворной. Однако уже при изучении структуры планет и других небесных тел она становится явно непригодной. Еще менее эффективными оказываются понятия и принципы механики при исследовании специфических закономерностей химических и биологических процессов. Между тем ученые прошлых веков пытались свести объяснение этих более сложных форм движения к понятиям и законам механики.

Сама картина природы, основанная на принципах классической механики, оказывалась явно не согласующейся с реальной действительностью. В самом деле, согласно этим принципам, если точно задать начальные условия движения, т.е. координаты и скорость тела, то по уравнениям, описывающим движение тела, можно точно и однозначно определить его состояние как в будущем, так и в прошлом. Таким образом, прошлое и будущее при таком подходе оказываются тождественными, а сами механические процессы обратимыми. Следовательно, реальное понимание времени как процесса изменений состояний системы исчезает, а объективно текущее время превращается в геометрический параметр движения.

Такие представления классической механики оказались несостоятельными, когда физика приступила к изучению термодинамических процессов в связи с созданием тепловых машин в первой половине

XIX в. Общеизвестно, что тепловые процессы являются необратимыми: тепло передается от горячего тела к холодному, но никогда наоборот. С возникновением термодинамики как учения о закономерностях тепловых процессов в естествознание впервые было введено понятие необратимых процессов, а тем самым и направления времени («стрела времени»). Однако в классической термодинамике необратимость систем связывается с возрастанием их беспорядка и дезорганизации. Между тем эволюционная теория Дарвина показывает, что в живых системах необратимые процессы приводят к возникновению новых видов, а следовательно, к их совершенствованию и организации. В связи с этим было пересмотрено исходное понятие классической термодинамики — понятие закрытой системы. Оказалось, что все реальные системы природы являются открытыми, т.е. обменивающимися с окружающей средой веществом, энергией, а нередко и информацией. При наличии определенных условий даже в неорганической природе такие системы могут самоорганизовываться. Возникновение термодинамики открытых и неравновесных систем и появление нового междисциплинарного направления исследования сложноорганизованных систем — синергетики являются убедительным свидетельством существования новой тенденции в развитии естествознания, ориентированной на целостное, системное исследование явлений и процессов природы, происходящих в реальном времени.

Еще в начале XX в. в связи с революцией в физике появились две великие теории, которые нанесли непоправимый удар механистической картине мира. Речь идет, во-первых, о теории относительности А. Эйнштейна, которая подвергла коренному пересмотру учение о пространстве и времени в классической механике; во-вторых, о квантовой механике, установившей неприменимость понятий и принципов механики Ньютона к изучению движения мельчайших частиц материи — молекул, атомов и элементарных частиц. Следует, тем не менее, отметить, что и теория относительности, и квантовая механика опираются на представление об обратимом характере времени. Новая же тенденция в естествознании ориентируется на необратимость происходящих в системе изменений и, следовательно, на реальный характер времени. Именно благодаря этому современные понятия и принципы естествознания оказываются более адекватными реальному миру, чем прежние. Поэтому и современная естественнонаучная картина мира должна опираться на новейшие достижения и концепции развития естествознания. В следующей главе мы подробно рассмотрим, что представляет собой картина природы, рисуемая естествознанием, из каких компонентов она формируется и какие исторические этапы она прошла.

3-925

Основные понятия, вопросы и задания

 

	Объяснения:
Вероятность	психологические
Возможность	теоретические
Герменевтика	Парадигма
Гипотеза	Принцип
Дедукция	Развитие
Дифференциация	Рефлективность
Естествознание
Законы:	Системы:
детерминистические	закрытые
причинные	открытые
стохастические	природные
Интеграция	социальные
Картина мира	Событие
Концепция	Статистика
Кумулятивизм	Телеология

1. Чем отличается естественнонаучная культура от гуманитарной культуры?

2. Что называется объяснением и какова его логическая структура?

3. Приведите конкретный пример объяснения из естествознания.

4. Чем отличаются причинные объяснения от других?

5. В физике расширение тел объясняют их нагреванием. Является ли такое объяснение причинным объяснением?

6. На чем основываются научные объяснения и как различаются разные их уровни?

7. Какое различие существует между эмпирическими объяснениями и теоретическими объяснениями?

8. Что называют пониманием и чем оно отличается от объяснения?

9. В чем заключается сходство и различие между пониманием и интерпретацией?

 

10. Чем характеризуется позитивизм и какова его основная цель?

11. Что такое научный метод и чем он отличается от «здравого смысла»?

12. Чем отличается эмпирическое исследование от теоретического познания?

13. Кратко охарактеризуйте основные формы эмпирических исследований.

14. Какую роль играют гипотезы в науке?

15. Чем отличается научная теория от гипотезы и закона?

16. В чем заключается единство научного метода?

Литература

Основная:

Бахтин М.М. Эстетика словесного творчества. М., 1979. Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. М., 1988. Кун Т. Структура научных революций. М., 1975. Петров М.К. Язык, знак, культура. М., 1991. Поппер К. Логика и рост научного знания. М., 1983. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986. Рузавин Г.И. Методология научного исследования. М., 1999. Сноу П. Две культуры. М., 1973.

Степин B.C. Философия науки. Общие проблемы. М., 2005. Фейнберг Е.Л. Две культуры. М., 1991.

Философия науки. Современные философские проблемы областей научного знания. М., 2005.

Дополнительная:

Виндельбанд В. История и естествознание // Прелюдии. СПб., 1904.

Вригт Г.Х. фон. Логико-философские исследования. М., 1986.

Конт О. Курс положительной философии. СПб., 1900. Лекции 1 и 2.

Моисеев Н.Н. Человек во Вселенной и на Земле // Вопросы философии. 1990.

№ 6. Нарский И. С. Очерки по истории позитивизма. М., 1960. Никитин Е.П. Открытие и обоснование. М., 1988. Философия: энциклопедический словарь / Под ред. А.А. Ивина. М., 2004.

Глава 2

Естественнонаучная картина мира

Раньше в естествознание входили все сравнительно немногочисленные знания, которые были известны о природе, но уже с эпохи Возрождения возникают и… Чтобы подчеркнуть фундаментальный характер основных и важнейших знаний о… фундаментальных открытий и законов разных отраслей и дисциплин естествознания.

Глава 3

Механистическая картина мира

Созданием классической механики наука обязана Ньютону, но почву для него подготовили Галилей и Кеплер, с краткой характеристики их научных… 3.1. Галилей и Кеплер - научные предшественники Ньютона Становление механистической картины мира справедливо связывают с именем Г. Галилея, который установил законы движения…

Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.

Конечно, в реальных условиях движения полностью освободиться от воздействия внешних сил на тело никогда нельзя. Поэтому закон инерции представляет собой идеализацию, в которой отвлекаются от действительно сложной картины движения и представляют себе картину идеальную, которую можно составить в воображении путем предельного перехода, т.е. мысленного уменьшения воздействия на тело внешних сил иперехода к такому состоянию, когда это воздействие станет равным нулю.

 

Раньше думали, что тело будет сразу же останавливаться после того, как прекратится действие на него силы. Так нам подсказывает интуиция, но она нас обманывает, потому что после действия силы тело пройдет еще некоторый путь. Этот путь будет тем больше, чем меньшее противодействие оказывают на тело внешние силы. Если бы было возможно полностью исключить действие внешних сил, то тело продолжало бы двигаться вечно. Такого научного подхода к анализу движения придерживался Галилей, а за ним и Ньютон. Основываясь на ошибочной интуиции, Аристотель в своей «Физике» выдвинул противоположный взгляд, который долгое время господствовал в науке.

«Движущееся тело останавливается, если сила, толкающая его, прекращает свое действие».

Таким образом, о движении и действующей на тело силе, с точки зрения Аристотеля, можно судить по наличию скорости, а не по изменению скорости или ускорению, как утверждал Ньютон.

Второй основной закон движения занимает в механике центральное место. В отличие от кажущихся представлений он показывает, что чем большая сила прилагается к телу, тем большее ускорение, а не просто скорость оно приобретает. Ведь в принципе тело, движущееся с постоянной скоростью и прямолинейно, не испытывает действия каких-либо сил.

Изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которойэта сила действует.

F= dmv/dt =ma, где выражение dmv/dt обозначает производную от количества движения, т — массу, а — ускорение. Поскольку в механике масса считается величиной постоянной, то указанная производная характеризует прежде всего ускорение движущегося тела. Поэтому более кратко этот закон формулируют как равенство или, точнее, пропорциональность силы ускорению: F= та.

Если обозначить силу, с которой тело с массой т притягивается Землей, т.е. его вес, через Р, а ускорение силы тяжести через g, то получим формулу для выражения веса: P=mg. Именно этот частный случай движения тел под действием силы тяжести изучал Галилей. Если во втором законе Ньютон рассматривает любые силы и ускорения, то Галилей рассматривал только силу тяжести Р и постоянное ускорение g, которое приобретает тело под ее воздействием. Он установил закон, что путь S, пройденный телом под действием силы тяжести, пропорционален половине квадрата времени и не зависит от скорости. Коэффициентом пропорциональности здесь служит ускорение силы тяжести.

S=gt2/2.

Опыт показывает также, что масса, которая фигурирует в инерци-альном движении, или инертная масса, в точности равна массе тела, падающего под воздействием силы тяжести, или тяжелой массе. Однако этот результат в классической механике считался случайным совпадением, и только в общей теории относительности он нашел свое объяснение.

Третий закон Ньютона гласит:

Действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, иначе, взаимодействия двух тел между собой равны и направлены в противоположные стороны.

F₁=-F₂

Возникает вопрос, каким способом были открыты эти основные законы механики?

Нередко говорят, что они получаются путем обобщения ранее установленных частных или специальных законов, какими являются, например, законы Галилея и Кеплера. Если рассуждать по законам логики, то такой взгляд нельзя признать правильным, ибо не существует никаких индуктивных правил получения достоверно истинных общих утверждений из частных.

Ньютон считал, что принципы механики устанавливаются с помощью двух противоположных, но в то же время взаимосвязанных методов — анализа и синтеза.

«Как в математике, так и в натуральной философии, — писал он, — исследованию трудных предметов методом анализа всегда должен предшествовать метод соединения. Такой анализ состоит в производстве опытов и наблюдений, извлечении общих заключений из них посредством индукции и недопущении иных возражений против заключений, кроме полученных из опыта или других достоверных истин. Ибо гипотезы не должны рассматриваться в экспериментальной философии. И хотя аргументация на основании опытов не является доказательством общих заключений, однако это лучший путь аргументации, допускаемый природой вещей, и может считаться тем более сильным, чем общее индукция. Путем такого анализа мы можем переходить от соединений к ингредиентам, от движений — к силам, их производящим, и вообще от действий — к их причинам, от частных причин — к более общим, пока аргумент не закончится наиболее общей причиной»¹.

Таков метод анализа, синтез же предполагает причины открытыми и установленными в качестве принципов; он состоит в объяснении при

¹ Ньютон И. Оптика, или Трактат об отражениях, преломлениях и изгибаниях света. М., 1927. С. 306.

помощи принципов явлений, происходящих от них, и доказательстве объяснений.

Чтобы ясно оценить революционный переворот, осуществленный Ньютоном в механике и точном естествознании в целом, необходимо прежде всего противопоставить его метод принципов чисто умозрительным построениям прежней натурфилософии и широко распространенным в его время гипотезам о скрытых качествах. Натурфилософские взгляды и представления в подавляющем большинстве были ничем не подкрепленными умозрениями и спекуляциями. Таким образом, заявление Ньютона о том, что гипотезы не должны рассматриваться в экспериментальной философии, было направлено именно против гипотез о скрытых качествах, а не против гипотез вообще. Ведь именно гипотезы о скрытых качествах невозможно проверить на опыте.

Подлинные же гипотезы, допускающие экспериментальную проверку, составляют основу и исходный пункт всех исследований в естествознании. Как нетрудно понять, сами принципы, или законы, механики тоже являются гипотезами весьма глубокого и общего характера, многократно проверенными и подтвержденными опытом и практикой. Эти принципы невозможно было открыть чисто индуктивно, посредством изучения частных случаев и их обобщения. Поэтому Ньютон утверждал, что анализу явлений должен предшествовать синтез, который опирается на воображение, мысленные эксперименты и творческую интуицию ученого.

Кроме того, при разработке своего метода принципов Ньютон ориентировался на аксиоматический метод, блестяще примененный Евклидом при построении элементарной геометрии. Благодаря своей логической точности и доказательности выводов этот метод до сих пор считается образцом научного изложения. Однако вместо аксиом Ньютон опирался на принципы, или основные законы, механики, а математические доказательства отличал от экспериментальных доказательств, поскольку последние имеют не строго достоверный, а лишь вероятностный, или правдоподобный, характер. Важно также обратить внимание на то, что знание принципов или законов, управляющих явлениями, не предполагает раскрытия их причин. В этом можно убедиться из оценки Ньютоном закона всемирного тяготения. Он всегда подчеркивал, что этот закон устанавливает лишь количественную зависимость силы тяготения от произведения величин тяготеющих масс и квадрата расстояния между ними.

где Fобозначает силу тяготения, m₁ и m₂ — тяготеющие массы, r — расстояние между ними, a g — постоянную тяготения.

%.

Что же касается причины тяготения, то он считал ее раскрытие делом дальнейших исследований. Ньютон полагал, что довольно того, что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным нами законам и вполне достаточно для объяснения всех движений небесных тел и моря.

Открытие универсальной силы гравитации считается подлинным триумфом системы механики Ньютона. Эта сила действует между любыми телами во Вселенной, как бы велики или малы они ни были. Не случайно поэтому сам закон называют законом всемирного тяготения.

Как Ньютон пришел к его открытию?

Историки науки, изучившие не публиковавшиеся раньше рукописи Ньютона, обнаружили совершенно неизвестный до этого факт. Оказывается, он посвятил немало времени алхимическим исследованиям, пытаясь найти способ получения золота из других веществ. Изучая способность различных веществ вступать в химические реакции, он пришел к заключению о существовании определенной силы химического сродства между ними. Пытаясь найти более глубокую и общую причину этой силы, Ньютон обратился к астрономии и использовал точные математические методы для исследования взаимодействия тел во Вселенной. Неожиданно для себя он открыл универсальный закон гравитации, который не имеет прямого отношения к силе химического сродства между веществами, но является фундаментальным свойством всех тел, обладающих массой. Предполагалось, что гравитационные силы, или силы притяжения, между телами действуют без какой-либо промежуточной среды, в пустоте и мгновенно, но сила их убывает с квадратом расстояния между ними. Сам Ньютон, как мы отметили, вопрос о природе этих сил оставил решать будущим поколениям.

Поскольку в механике отвлекаются от качественных изменений тел, постольку для анализа их движения можно было широко пользоваться математическими абстракциями и созданным самим Ньютоном и одновременно с ним Г. Лейбницем (1646—1716) анализом бесконечно малых. Благодаря этому изучение механических процессов было сведено к их точному математическому описанию. Именно для математического описания механического движения Ньютон и создал дифференциальное и интегральное исчисления. С помощью дифференцирования можно определить мгновенную скорость движения материальной точки за любой бесконечно малый промежуток времени, а с помощью интегрирования — пройденный точкой путь. Под материальной точкой подразумевается идеальный образ тела, вся масса которого сосредоточена в одной точке. Такая идеализация значительно уп-

рощает математическое описание механического движения тел, которые можно рассматривать как системы материальных точек.

Переход от непосредственного описания эмпирических объектов к идеальным их образам, построению их математических моделей и последующему анализу системы идеальных объектов был началом становления теоретической науки в изучении природы. Этот переход имел неоценимое значение для дальнейшего развития естествознания. Замена планет материальными точками в задачах небесной механики крайне упрощало их решение, поскольку уже существовал готовый математический аппарат для вычислений.

Для описания движения материальной точки необходимо было найти прежде всего характеризующее его уравнение, которое математики называют обыкновенным дифференциальным уравнением. Таким образом, для точного и полного описания механического движения необходимо и достаточно было задать, во-первых, координаты тела и его скорость (или импульс mv) и, во-вторых, уравнение его движения. Все последующие состояния движущегося тела точно и однозначно определялись его начальным состоянием. Следовательно, задав это состояние, можно было определить любое другое его состояние, как в будущем, так и в прошлом. Вследствие этого исчезало всякое различие между настоящим, прошлым и будущим. Отвлечение от качественных различий между состояниями движущихся тел превращало механику в чисто абстрактную, математическую схему, которую посредством соответствующей интерпретации можно было соотнести с объективной реальностью.

Все перечисленные и некоторые другие особенности предопределили успех механики в изучении движений земных и небесных тел, точность ее предсказаний солнечных и лунных затмений, приливов и отливов и т. д. Благодаря этому она превратилась в парадигму точного исследования и предопределила пути развития классической науки.

3.3. Триумф ньютоновской картины мира

Ясность, убедительность и особенно точность предсказаний теории Ньютона оказали огромное влияние на его современников. Не зря поэтому его при жизни считали чуть ли не национальным героем, которому впервые удалось с помощью математики раскрыть законы, которыми управляется природа. Сам Ньютон не сомневался в универсальном характере открытых им законов и, по-видимому, считал возможным применить их для объяснения сил сцепления, горения, тепла, магне-

тизма и химического сродства. Некоторые его сторонники пытались применить точные количественные методы механики и в других науках. В химии А. Лавуазье стал систематически использовать весы для установления количественных соотношений между реагирующими веществами и тем самым положил начало применению количественных методов в этой науке.

Другие ученые видели преимущество метода Ньютона в установлении и точной формулировке основных принципов конкретной области исследования, из которых можно было логически вывести конкретные ее факты. Образцом для подражания для них служил закон всемирного тяготения. Некоторые шли еще дальше, придумывая разного рода силы для объяснения явлений, существенно отличающихся от механических. Виталисты, например, вновь возродили представление о таинственной жизненной силе, с помощью которой пытались по аналогии с механикой объяснить процессы, происходящие в живом организме. Более того, механические категории равновесия, порядка и закона некоторые политики и социологи пытались перенести на общественную жизнь. В связи с этим небезынтересно отметить, что родоначальник социологии О. Конт, недовольный проектами идеального устройства общества, призывал ученых тщательно исследовать конкретные социальные явления и процессы и опираться в своих прогнозах на идеалы теории Ньютона. Если все подобные попытки использования ньютоновской теории оказались безуспешными, тогда в чем состоят действительные ее преимущества?

Во-первых, Ньютону впервые удалось осуществить грандиозный синтез, объединив в рамках единой теории явления и процессы, происходящие на Земле и во Вселенной. Прежнее противопоставление небесного мира миру земному, свойственное Античности и Средним векам, сменилось признанием взаимосвязи и единства между ними: все они подчиняются общим законам движения. Среди них важнейшую роль играет закон всемирного тяготения, который показывает, что и мельчайшие атомы, и гигантские небесные тела управляются силой гравитации.

Во-вторых, у Ньютона наука выступает как активное начало процесса взаимодействия человечества с окружающим миром, благодаря которому оно в состоянии более рационально организовать свою жизнь. Знания, которые дает наука, способны предсказывать протекающие в природе явления и процессы, позволяя использовать силы природы на благо человека, облегчая его труд.

В-третьих, ньютоновская теория, точные логические и эмпирические методы стали широко использоваться для критического анализа и обос-

5-925

нования научных знаний. Дедуктивный и экспериментальный методы открыли надежный путь для проверки соответствия положений науки объективной реальности. Такой критический и экспериментальный подход к знанию получил дальнейшее развитие в современной науке.

В-четвертых, именно в теории Ньютона впервые количественные, математические методы были применены для исследования природы. Достижения древних греков в области математики общеизвестны, но, за редкими исключениями (например, в трудах Архимеда), они не применялись для изучения природы. Аристотель даже считал, что количественные методы и математика применимы лишь в божественном мире небесных тел, а в подлунном, земном мире, где все подвержено случайности и неопределенности, возможно лишь приближенное описание действительности.

Эти успехи ньютоновской картины мира предопределили широкое распространение ее принципов за пределами механики.

3.4. Основные принципы механистической картины мира

Открытие принципов механики действительно означает подлинно революционный переворот, который связан с переходом от натурфилософских догадок и гипотез о «скрытых» качествах и подобных спекулятивных измышлений к точному экспериментальному естествознанию, в котором предположения, гипотезы и теоретические построения проверялись наблюдениями и экспериментами. Поэтому возникновение механики было крупным шагом в изучении природы, которое началось с простейшей формы движения материи — законов механического перемещения земных и небесных тел в пространстве с течением времени. Поэтому механику как науку не следует отождествлять с механицизмом, т.е. со стремлением распространить ее понятия и законы на другие процессы и формы движения материи, а тем более на весь мир в целом. Но именно такое стремление характерно для механистического мировоззрения, сторонники которого рассматривали природу как огромный механизм и поэтому переносили на нее понятия и принципы механики. Чтобы получить более ясное представление об этом, рассмотрим, как вполне справедливые в механике законы переносились на другие области явлений и весь мир в целом, где они оказывались неприменимыми, и поэтому стали исходной основой механистического мировоззрения.

Принцип обратимости, или симметрии, времени.Поскольку при заданных начальных условиях состояние движения механической сиc-

темы как в будущем, так и в прошлом зависит только от начальных условий, то в уравнениях движения механики знак времени можно менять на обратный. Если направление времени от прошлого к настоящему и будущему назовем положительным, а от настоящего к прошлому — отрицательным, то перемена направления никак не отразится на характере времени. Следовательно, при механическом истолковании времени этот параметр не будет отображать процесс реального изменения состояния движущихся тел с течением времени. Поэтому время не только в механике и классической физике, но даже в квантовой механике имеет обратимый характер. Это означает, что направление времени никак не учитывается в физике. Поэтому его можно менять на обратное, т.е. рассматривать движение как в сторону будущего, так и прошлого. Очевидно, что подобное представление является схематизацией и упрощением реальных процессов, поскольку оно абстрагируется от фактических изменений, происходящих с телами с течением времени.

Таким образом, для механистической картины мира в целом характерна симметрия процессов во времени, которая выражается в обратимости времени. Отсюда легко возникает иллюзия, что никаких реальных изменений при механическом перемещении тел не происходит.

Итак, все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым.

Как это ни покажется удивительным, но такое представление о времени, как простом геометрическом параметре движения, впервые было подвергнуто критике только после того, когда физики стали изучать тепловые процессы в термодинамике, которые имеют ясно выраженный необратимый характер. Но и впоследствии проблема пересмотра понятия времени в физике не была по-настоящему поставлена и ученые в своих уравнениях не учитывали направления времени и продолжали считать настоящее одинаковым с прошлым и будущим. В качестве иллюстрации такого подхода можно использовать киноленту, на которой заснято падение камня в воду. Если начать демонстрировать ее с конца, то зритель увидит, как камень выскакивает из воды и затем начинает двигаться в воздухе, пока не попадет в руку бросившего его человека. Несмотря на такую парадоксальную картину, представление об обратимости времени прочно укоренилось в физике. Даже в современных физических учениях — теории относительности и квантовой механике — время продолжают рассматривать как простой параметр, направление которого можно менять на обратное. Только в новейших

5*

научных исследованиях по неравновесной термодинамике, особенно в синергетике, такие представления начали подвергаться серьезной критике. Между тем принцип симметрии, или обратимости времени, противоречит не только нашим интуитивным представлениям и жизненному опыту, но и результатам исследований биологических и социальных систем, которые ясно свидетельствуют об изменении и развитии живых и общественных систем с течением времени.

Принцип механического детерминизма.Все механические процессы подчиняются принципу строгого, или жесткого, детерминизма, суть которого состоит в признании возможности точного и однозначного определения состояния механической системы ее предыдущим состоянием.

Согласно этому принципу, случайность целиком исключается из природы. Все в мире строго детерминировано, или предопределено, и задано предшествующими состояниями, событиями и явлениями. При распространении указанного принципа на действия и поведение людей неизбежно приходят к фатализму, т.е. вере в фатум, рок, предопределенность судьбы человека.

Сам окружающий нас мир в механистической картине превращается в грандиозную машину, все последующие состояния которой точно и однозначно определяются ее предшествующими состояниями. Такую точку зрения наиболее ясно и образно выразил выдающийся французский ученый П. Лаплас (1749—1827):

«Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, одушевляющие природу, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить все данные анализу, обнял бы в одной формуле движения величайших тел Вселенной наравне с движениями легчайших атомов; не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором».

Конечно, сам Лаплас, придумавший существо, обладающее указанными способностями, которого впоследствии стали называть «демоном Лапласа», хотел показать противоречие между возможностями теоретических предсказаний классической механики и практической их реализацией в действительности. Такие предсказания в механике опираются только на признание детерминистических законов, заключения из которых имеют достоверный, или строго однозначный, характер. Так как в классической механике рассматриваются лишь необходимые связи или отношения между явлениями или событиями, то и законы, управляющие ими, имеют такой же строго необходимый характер. Следствия, или предсказания, полученные из них, считаются вполне достоверными. Поэтому в механистической картине мира

совершенно исключаются случайные явления. По мнению Лапласа, случайными мы называем такие явления, причины возникновения которых остаются пока неизвестными. Как только мы познаем их, они станут достоверными и необходимыми. Конечно, в абстракции можно вообразить мир, в котором действуют только детерминистические законы, но такой мир мало похож на реальный, в котором наряду с необходимостью действует также случайность. Чем сложнее и запутаннее явления и процессы, изучаемые такими отраслями естествознания, как химия, биология, физиология, не говоря уже о социальных и экономических науках, тем большую роль играет в них случайность. Поэтому для предсказания случайных массовых явлений необходимо было располагать специфическими приемами и методами их исследования.

Статистические приемы изучения случайных явлений и вероятностные методы их предсказаний, хотя издавна использовались в страховом деле, демографии и других областях практической деятельности, в естествознании стали применяться лишь в середине XIX в.

В связи с различием методов предсказания явлений и событий в научном познании стали выделять универсальные законы, подобные законам Ньютона, которые называют детерминистическими, а предсказания, основанные на них, достоверными. В отличие от них, законы, учитывающие случайность, называют стохастическими (от лат. stochastic — случайный), а предсказания, основанные на них, — вероятностными. В отечественной литературе детерминистические законы раньше называли динамическими законами, а стохастические до сих пор называют статистическими или вероятностно-статистическими. Такое название объясняется тем, что для определения вероятности случайных событий чаще всего используются статистические методы исследования. Однако для некоторых групп событий можно применить и другие, нестатистические методы анализа. Термин «индетерминистические законы», который используется в зарубежной литературе, может вызвать возражения с философской точки зрения, ибо он часто ассоциируется с отрицанием порядка и закономерности в природе. На самом же деле им обозначают закономерности случайных массовых явлений или событий. Очевидно, что при этом общую закономерность можно выявить только среди множества случайных или повторяющихся событий. Индивидуальные или уникальные события, как мы убедимся в дальнейшем, не обладают частотой и не повторяются, следовательно, законы случая к ним неприменимы. Именно поэтому только статистические законы следует называть стохастическими, ибо лишь они допускают вероятностную оценку.

Принцип предсказания, перенесенный из механики в другие науки, нередко называют принципом лапласовского детерминизма, который совершенно игнорирует существование случайных событий. Ясно поэтому, что он не может быть применен вне рамок самой механики.

Отрыв материи от форм ее существования. Вмеханике Ньютона пространство и время как основные формы ее существования совершенно не связаны с движущейся материей, хотя и признается, что она движется в пространстве с течением времени. Грубо говоря, пространство в этой механике рассматривается как простое вместилище движущихся в нем тел, которые не оказывают на него никакого влияния.

В связи с этим Ньютон и вводит понятия абсолютного, или математического, пространства и времени. Такая картина напоминает представления о мире древних атомистов, которые считали, что атомы движутся в пустом пространстве.

Пространство и время в механистической картине мира никак не связаны с движениями тел, поэтому они имеют абсолютный характер.

Как мы покажем в дальнейшем, такие представления были подвергнуты резкой критике в теории относительности, которая выявила относительный характер пространства и времени и связь их структуры с движущейся материей, а именно гравитационными полями, образуемыми массами движущихся тел.

Принцип дальнодействия. Вмеханистической картине мира гравитационные силы передаются мгновенно от одного тела к другому, а не от одной точки пространства к последующей, близлежащей точке, как в современной теории поля.

Согласно принципу дальнодействия, гравитационные силы могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью.

Такой вывод вытекает из основных понятий и принципов классической механики, которая допускает возможность передачи гравитационных сил в пустом пространстве на любые расстояния. Таким образом, классическая теория гравитации допускает принцип дальнодействия и отрицает существование определенной среды, или гравитационного поля, служащего для передачи гравитационных сил от одной точки к другой, т.е. она отвергает принцип близкодействия. Но именно этот принцип лежит в основе общей теории относительности, которая вместо пустого пространства классической теории вводит понятия полей тяготения. Принцип дальнодействия впервые был подвергнут сомнению после открытия электромагнитного поля, в котором действие передается от одной точки поля к ближайшей точке, т.е. для него выполняется принцип близкодействия. По аналогии стало возможным говорить и о гравитационном поле, т.е. о поле сил притя-

7]

жения, хотя существование частиц этого поля (гравитонов) пока остается не доказанным.

3.5. Редукционизм механистического мировоззрения

Тот факт, что с помощью экспериментального изучения отдельных явлений ученым, начиная с Галилея, удалось открыть общие законы, способствовал распространению взгляда, что вся природа устроена просто, а ее сложность является лишь кажущейся. Стоит лишь открыть ее простейшие законы, как картина природы станет ясной и понятной. Такое представление является исходной посылкой рассмотренного выше принципа механического редукционизма. Интересно отметить, что если раньше натурфилософия провозглашала свои общие принципы чисто умозрительно, то после первых успехов экспериментального исследования найденные частные результаты стали рассматриваться как средство открытия глобальных истин о природе.

«Простейшие явления, изучаемые наукой, — справедливо замечают Пригожин и Стенгерс, — при таких взглядах становятся ключом к пониманию природы в целом»¹. Неудивительно поэтому, что сложность природы при подобном подходе объявляется кажущейся, а существующее разнообразие явлений — сводимым к некоторым универсальным законам, выраженным на точном и едином математическом языке. Галилей, например, заявлял, что природа записана на математическом языке и понять ее способен только тот, кто может расшифровать его с помощью экспериментов. Триумф механистической картины мира, когда умение раскрывать порядок и закономерность в мире сравнивалось с божественным даром, во многом способствовал распространению взглядов о простоте мира и редукционизме сложного к простому.

После впечатляющих достижений классической механики представители других наук предприняли немало попыток объяснить изучаемые ими явления с помощью принципов и законов механики. Однако надежды на наступление «золотого века» для науки, когда с помощью простейших законов природы можно было бы объяснить сложнейшие ее процессы, не оправдались. Конечно, явления, однотипные с механическими процессами, можно объяснить с помощью принципов и законов механики Ньютона. Однако в XVIII в. с их помощью пытались объяснить многие более сложные химические и биологические процессы и даже работу человеческого организма. Об этом свидетельствует, напри-

¹ Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986. С. 89.

мер, книга французского врача и философа-материалиста Ж.О. Ламет-ри с характерным заглавием «Человек-машина» (1747).

Экстраполяция, или перенесение, понятий, законов и принципов механики на другие, более сложные процессы является типичной формой редукционизма. Она стала широко применяться после открытия Ньютоном закона универсальной гравитации, или всемирного тяготения. По-видимому, благодаря идее универсальной гравитации Ньютона в электростатике был открыт известный закон Кулона, согласно которому сила взаимодействия между электрическими зарядами убывает с увеличением квадрата расстояния между ними. Однако в отличие от силы гравитации электростатические силы зависят не только от величины, но и от знака заряда: одноименно заряженные тела, как известно, отталкиваются друг от друга, а разноименные — притягиваются. Таким образом, аналогия между гравитацией и электрическими и магнитными силами оказалась ограниченной.

Поэтому попытка редукции сложных явлений и процессов к простейшим, механическим, в общем случае оказывается малопродуктивной и необоснованной.

Тенденция сведения закономерностей более высоких форм движения материи к законам простейшей его формы — механического движения составляет характерную особенность механицизма XVIII в., которая оказала влияние и на материалистическую философию того времени.

Такая тенденция натолкнулась на оппозицию и встретила критику со стороны некоторых химиков, биологов, медиков уже в XVIII в. Против нее выступили также такие выдающиеся философы-материалисты, как Д. Дидро (1713—1784) и П. Гольбах (1723—1789). Дидро, например, указывал, что механика Ньютона, оперирующая инертными массами, не может объяснить возникновения жизни. Однако сам он пытался найти такое объяснение с помощью гипотезы, которая предполагала во всех материальных телах наличие определенной степени чувствительности, подобной ощущению. Чем выше в них эта чувствительность, тем ближе они находятся к жизни. Но такое объяснение приводит к одушевлению всей природы, которое в конечном итоге рассматривает возникновение жизни не как качественно новую ступень в развитии материальных систем, а как простой, количественный рост и увеличение их чувствительности. Пытаясь отвергнуть господствовавший в XVIII в. механицизм с его опорой на инертную массу, Дидро впал в другую крайность, наделив всю материю свойством чувствительности.

С критикой механицизма выступали также виталисты, которые приписывали организму особую «жизненную силу», отличающую жи-

вые существа от неживых тел. Нетрудно заметить, что взгляды виталистов по этому вопросу мало чем отличались от взглядов материалиста Дидро, разве что вместо более ясного его понятия чувствительности виталисты выдвигали идею о некой мистической «жизненной силе».

Таким образом, «крайности сходятся», ибо представители противоположных философских воззрений игнорируют качественные различия в процессе развития материальных систем.

Исследование процессов природы исключительно с позиции принципов и масштабов механики явилось одной из предпосылок возникновения метафизического, антидиалектического метода мышления. Этот метод рассматривает развитие как простой рост, увеличение или уменьшение определенного свойства материальных систем и отрицает коренные, качественные изменения, которые происходят в процессе развития. Такой подход был присущ французскому материализму XVIII в., который стремился объяснить высшие, более сложные формы движения материи путем сведения их к низшей, механической форме движения. Однако наиболее дальновидные ее представители, и в первую очередь Д. Дидро, видели недостатки механистического взгляда на мир и поэтому призывали ученых развивать науку дальше, особенно в области химии, биологии и медицины, которые имеют дело с изучением органической природы, живых систем и человека.

Субъективно-идеалистическая философия И. Канта была целиком направлена на защиту рациональной механики Ньютона. В учении Канта проводится резкое разграничение между феноменами и ноуменами. На уровне феноменов человек познает эмпирические явления природы, наблюдает и классифицирует их, т.е. изучает мир, как он нам является. На уровне же ноуменов он имеет дело с миром «вещей в себе», которые существуют независимо от субъекта и которые он не в состоянии познать. В признании невозможности познания «вещей в себе» ясно сказывается агностицизм Канта. Поэтому законы, которые формулирует механика, являются, с точки зрения Канта, не законами объективного мира, а законами, которые познающий субъект приписывает этому миру. Кант допускает, что нашему сознанию присущи некоторые априорные формы, такие, как априорное пространство и время в математике или принцип причинности в естествознании.

Воспринимая мир явлений, который сам по себе является хаотическим и неорганизованным, субъект, по мнению Канта, благодаря врожденным априорным формам познания приводит его в порядок, устанавливает в нем законы и причинные взаимосвязи. Согласно его

взглядам, поскольку пространство является априорной формой созерцания, постольку геометрия Евклида — единственно возможная теория пространства. Открытие неевклидовых геометрий Лобачевским, Бойаи и Риманом показало ошибочность такого представления и вместе с тем опровергло тезис Канта о существовании априорного знания. По некоторым недавним исследованиям, априорное знание является результатом предшествующего, апостериорного, опытного знания, которое в процессе когнитивной эволюции превратилось в априорное, доопыт-ное знание, которое стало всеобщим достоянием.

Таким образом, неизбежное расхождение между теоретическими представлениями механики и эмпирическими данными Кант использует для защиты возможности априорного познания и существования непроходимой границы между миром «вещей в себе» и «вещей для нас», отрыва теоретического познания от эмпирического.

 

Основные понятия, вопросы и задания
Вероятность	Возможность
Детерминизм	Достоверность
Закон:
универсальный
статистический
Инерция
Лапласовский детерминизм
Масса
Предсказание
Причина
Сила
Скорость
Случайность
Статистика
Ускорение

1. Какими результатами своих научных предшественников воспользовался Ньютон при создании механики?

2. Почему второй закон механики считается основным в системе Ньютона?

3. В чем заключается аналитический и синтетический подход Ньютона?

4. Почему гравитация считается универсальной силой природы?

5. Как можно вывести закон падения тел из закона всемирного тяготения?

6. Чем отличается наука механика от механицизма?

<5

7. Какие основные принципы лежат в основе механицизма как картины мира?

8. Чем отличаются универсальные законы от статистических?

9. Почему лапласовский детерминизм оказался несостоятельным?

 

10. Какая связь есть между лапласовским детерминизмом и фатализмом?

11. Почему французский материализм XVIII в. называют механистическим?

12. Соотнесите философию Канта с механикой Ньютона.

Литература

Основная:

Карнап Р. Философские основания физики. М., 2003. С. 253—288.

Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986. С. 69—150.

Фейнмановские лекции по физике. М., 1978. С. 363—369.

Философия науки. Современные философские проблемы областей научного

знания. М., 2005. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики // Эйнштейн А. Собр. научных

трудов: В 4 т. Т. 4. С. 361-400.

Дополнительная:

Лаплас П. Опыт философии теории вероятностей. М., 1908. Философские вопросы естествознания. М., 1985. С. 233—253. Философия: энциклопедический словарь / Под ред. А.А. Ивина. М., 2004.

Глава 4

Электромагнитная картина мира

После того как объектом изучения физиков наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер. Тем не менее в… 4.1. Гипотезы о невесомых электрических и магнитных жидкостях Рудименты старых представлений об электричестве до сих пор сохранились в научном языке. Мы постоянно слышим, как…

79

ства. В его основе, как мы отметили, лежат два важнейших открытия, связавшие в одно целое электрические и магнитные явления. Как мы уже знаем, Эрстед установил, что вокруг проводника, по которому течет электрический ток, возникает магнитное поле. В последующих исследованиях физиков было установлено, что новая сила, возникающая под воздействием тока, зависит от скорости движения электрического заряда и направлена перпендикулярно к плоскости этого движения.

В дальнейшем Фарадей открыл совершенно противоположное явление электромагнитной индукции, которое свидетельствовало о том, что изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле и, следовательно, вызывает электрический ток.

Таким образом, электрическое и магнитное поля являются не изолированными объектами, а образуют взаимосвязанное, единое электромагнитное поле. Там, где существует электрическое поле, обязательно возникает и магнитное поле, а магнитное поле создает электрическое поле.

Однако этот важнейший вывод относится только к изменяющимся полям. Действительно электрический заряд, движущийся по проводнику, или ток, представляет собой изменяющееся, переменное поле. Именно оно создает магнитное поле вокруг проводника. Если не будет движения электрических зарядов, тогда не возникнет и магнитное поле. Например, вокруг неподвижного, заряженного электричеством шара существует статическое электрическое поле, но поскольку шар остается неподвижным, то никакого магнитного поля вокруг него не образуется. Стоит только привести шар в движение, как вокруг него возникнет магнитное поле. Аналогично этому неподвижный магнит, вокруг которого существует статическое магнитное поле, не создает в замкнутом проводнике, находящемся поблизости, электрического поля, а тем самым и электрического тока. Следовательно, статические, не изменяющиеся в пространстве и со временем электрические и магнитные поля не создают единого электромагнитного поля. Только когда мы имеем дело с движущимися электрическими и магнитными зарядами, т.е. с переменными полями, между ними возникает взаимодействие и появляется единое электромагнитное поле.

Установление глубокой внутренней связи и единства между ранее изолированными электрическими и магнитными явлениями, которые прежде рассматривались как особого рода невесомые жидкости, было выдающимся достижением в физике. Возникшее на этой основе понятие электромагнитного поля покончило с многочисленными попытками механической интерпретации электромагнитных явлений. Даже истолкование силовых линий как механических натяже-

ний поля, которыми пользовался еще Фарадей, потеряло смысл после того, как великим английским физиком Дж. Максвеллом была построена математическая теория электромагнитного поля.

Эта теория представляет собой обобщение всех эмпирических зависимостей, установленных Эрстедом, Фарадеем и другими учеными при исследовании электрических и магнитных явлений. Но это обобщение отнюдь не сводится к суммированию их результатов, а предполагает идеализацию изучаемых процессов. Максвелл в своем воображении представил идеальный случай опыта Фарадея, когда замкнутая кривая, которую пересекают магнитные линии, стягивается в некоторую точку пространства. В этом предельном случае величина и форма замкнутой кривой не играют никакой существенной роли, и поэтому становится возможным рассматривать законы, связывающие изменения магнитного и электрического поля, в любой точке пространства и в любой момент времени. Такой же воображаемый случай можно проделать с опытом Эрстеда и рассматривать законы, связывающие изменения электрического и магнитного поля, в любой момент времени и в любой точке пространства.

Между законами электромагнитного поля, выраженными в уравнениях Максвелла, и законами механики Ньютона существует определенная связь. При изучении механических законов мы выяснили, что, зная координаты тела, его скорость и уравнение движения, можно точно определить его положение и скорость в любой точке пространства в каждый момент времени в будущем или прошлом. Для этого, как известно, используются обыкновенные дифференциальные уравнения.

Уравнения Максвелла дают возможность, зная состояние поля в какой-либо момент времени, определить, как оно будет изменяться с течением времени. Но между законами механики и электромагнетизма имеется и существенное отличие. Если при заданном состоянии движения материальной точки законы механики позволяют определить его траекторию и положение в любой произвольный момент времени в любом месте, то законы Максвелла дают возможность определить состояние электромагнитного поля в непосредственной близости с предыдущим его состоянием. Условно говоря, в механике при определении состояния движения системы опираются на представление о дальнодействии. Согласно принципу дальнодействия, автором которого был французский ученый и философ Р. Декарт, силовое воздействие можно передать мгновенно на любое расстояние через пустое пространство. В теории электромагнитного поля такая возможность отрицается, и поэтому она опирается на принцип близкодействия. Это позволяет шаг за шагом проследить изменение электромагнитного поля с течением времени.

При изучении движения материальных частиц или систем, образованных из них, историю изменения их состояний можно изучать по их траекториям. В электромагнитной теории приходится обращаться уже к изменениям, происходящим с полем в пространстве. Поэтому для математического описания электромагнитного поля обращаются к дифференциальным уравнениям с частными производными. Если в механике изменение и движение всегда рассматривается с учетом взаимодействия самих тел, являющихся источником движения, т.е. внешней силой, вызывающей это движение, то в теории электромагнитного поля абстрагируются от подобных источников и рассматривают лишь изменение поля в пространстве с течением времени в целом. Более того, источник, создающий поле, со временем может перестать действовать, хотя порожденное им поле продолжает существовать.

Наконец, из уравнений Максвелла вытекает следствие о существовании электромагнитных волн и скорости их распространения. Действительно, колеблющийся электрический заряд создает изменяющееся электрическое поле, которое сопровождается изменяющимся магнитным полем. Если поблизости от него находится замкнутый проводник, то в нем возникает электрический ток, который создает магнитное поле и т.д. В результате колебаний электрических зарядов в окружающее пространство излучается определенная энергия в виде электромагнитных волн, которые распространяются с определенной скоростью. Поскольку направление распространения энергии перпендикулярно направлению силовых линий поля, постольку электромагнитные волны являются поперечными.

Экспериментальными исследованиями было установлено, что скорость распространения электромагнитных волн равна 300 000 км/с. Поскольку с такой же скоростью распространяется свет, постольку было логично предположить, что между электромагнитными и световыми явлениями существует определенная общность.

4.3. Связь электромагнетизма и оптики

Установление равенства между скоростью света и скоростью распространения электромагнитных волн явилось новым крупным шагом в выявлении единства между внешне различными явлениями природы.

По вопросу о природе света до открытия электромагнитной теории Максвелла существовали две конкурирующие гипотезы: корпускулярная и волновая.

6-925

Сторонники корпускулярной гипотезы, начиная с Ньютона, рассматривали свет как поток световых корпускул, или дискретных частиц. Такая гипотеза хорошо согласовывалась с принципами механистического мировоззрения, сторонники которого достаточно убедительно объяснили прямолинейное распространение света, его рефракцию, или преломление при переходе из одной среды в другую, и даже дисперсию, или разложение белого света на составляющие его цвета, и др. Однако корпускулярная гипотеза оказалась не в состоянии объяснить более сложные явления, такие, как интерференция и дифракция света.

Под интерференцией волн понимают наложение когерентных световых волн. Когда при этом совпадают гребни волн, тогда их амплитуды складываются и свет усиливается. Если же гребень одной волны совпадает с впадиной другой, тогда амплитуда одной волны вычитается из другой и вместо света в этом месте появится ослабление света или даже темнота. Этот опыт в самом начале XIX в. произвел английский врач Т. Юнг. Если пропустить через два близко расположенных булавочных отверстия световые лучи, то за темным экраном можно наблюдать чередование светлых и темных колец. Светлые кольца появляются в тех местах, где совпадают гребни волн, темные — в местах совмещения гребней и впадин волн. Таким образом, под интерференцией понимают усиление или ослабление света при наложении световых волн. Ясно, что с помощью корпускулярных представлений о свете явление интерференции объяснить не удается.

То же самое следует сказать о другом явлении, которое называют дифракцией, возникающей при отклонении света от прямолинейного направления. Такое явление наблюдается при прохождении света через узкие щели или огибании препятствий. На экране, поставленном за ними, можно наблюдать чередующиеся светлые и темные круги, которых не должно быть согласно корпускулярной теории.

Защитники волновой гипотезы рассматривают свет как процесс распространения волн, подобный движению волн на поверхности жидкости. С помощью этой гипотезы они сумели объяснить не только все явления, которые объяснила корпускулярная гипотеза, но также и те, которые с трудом или совсем не поддавались объяснению с помощью прежней гипотезы (интерференция и дифракция). Именно поэтому в XIX в. волновая гипотеза света вытеснила из оптики корпускулярную гипотезу.

Световые волны, как и волны на поверхности жидкости, распространяются перпендикулярно колебательному процессу и, следовательно, относятся к поперечным волнам. В отличие от них звуковые волны называют продольными волнами, так как направление их распространения совпадает с направлением движения воздуха. По-

скольку световые волны, как и волны на поверхности жидкости, возникают в результате колебания по вертикали их частиц, то неизбежно возникает вопрос: какая среда служит источником световых колебаний? В качестве ответа на него была выдвинута гипотеза о существовании светового эфира, заполняющего все мировое пространство и обладающего свойствами упругости. В результате этого передача света ассоциировалась с колебаниями эфира. Однако никакими экспериментами существование такого эфира не было обнаружено, и поэтому в дальнейшем от него полностью отказались.

После открытия электромагнитных волн, скорость распространения которых равнялась скорости света, ученые пришли к выводу, что свет представляет собой особый вид электромагнитных волн. Он отличается от обычных электромагнитных волн крайне малой величиной длины волны, которая равна 4,7 10^-5 см для видимого и 10^-6 см для невидимого, ультрафиолетового света. Длинные электромагнитные волны, например в виде радиоволн, могут распространяться на тысячи километров.

Таким образом, первым важнейшим результатом электромагнитной концепции стал отказ от гипотезы существования светового эфира как особой среды для распространения света. Такую роль стало играть само пространство, в котором происходит распространение электромагнитных волн.

Второй результат заключается в объединении световых явлений с электромагнитными процессами, благодаря чему оптика стала частью теории электромагнетизма. Однако в начале XX в. было открыто явление фотоэлектрического эффекта, заключающееся в испускании электронов веществом под воздействием света. Электромагнитная теория света была не в состоянии объяснить независимость энергии фотоэффекта от интенсивности освещения. Еще в конце XIX в. русский физик А.Г. Столетов установил, что энергия фотоэффекта возрастает с частотой света, но не зависит от его интенсивности. Этот результат явно противоречил предсказаниям электромагнитной теории.

Чтобы объяснить фотоэффект, А. Эйнштейну пришлось отказаться от волновых представлений о свете и обратиться к квантовой его природе, т.е. в видоизмененной форме вновь возродить корпускулярную точку зрения на свет. Впервые о квантах заговорили в 1900 г., когда известный немецкий физик М. Планк доказал, что энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями, или квантами. В 1905 г. Эйнштейн показал, что свет распространяется в виде потока световых квантов, которые были названы фотонами. Энергия фотонов зависит от их частоты, т.е. Е = hv, где h — постоянная Планка, v — частота.

 

Квантовый взгляд на природу света не мог полностью опровергнуть представлений о волновом его характере, о чем свидетельствовали явления интерференции и дифракции. Как можно было объединить в единой картине квантовые и волновые представления? Об этом мы узнаем позже, когда познакомимся с квантовой механикой и теорией элементарных частиц.

4.4. Поле и вещество

Введение понятия электромагнитного поля расширило научное представление о формах материи, изучаемых в физике. Классическая, ньютоновская физика имела дело только с одной-единственной формой физической материи — веществом, которое было построено из материальных частиц и представляло собой систему таких частиц, в качестве которых рассматривались либо материальные точки (механика), либо атомы (учение о теплоте).

Если главной характеристикой вещества является масса, так как именно она фигурирует в основном законе механики F = та, то в электродинамике основным является понятие энергии поля. Другими словами, при изучении движения в механике в первую очередь обращают внимание на перемещение тел, обладающих массой, а при исследовании электромагнитного поля — на распространение электромагнитных волн в пространстве с течением времени. Другим отличием вещества от поля является также характер передачи воздействий. В механике такое воздействие передается с помощью силы, причем оно может быть осуществлено в принципе на какое угодно расстояние, в то время как в электродинамике энергетическое воздействие поля передается от одной точки к другой.

Наконец, нельзя не отметить также тот немаловажный факт, что, после того как источник электромагнитных волн прекращает свое действие, возникшие электромагнитные волны продолжают распространяться в пространстве. Выходит, что электромагнитные волны могут существовать автономно, без непосредственной связи с источником энергии.

Исторически подход к изучению природы с точки зрения вещества и связанной с ним массы нашел отчетливое выражение в механистической картине мира, которая пыталась объяснить другие, немеханические явления с помощью понятий и принципов механики. В его основе лежит представление о дискретной природе вещества, которое в механике рассматривалось как система материальных час-

_85

тиц, а в других науках — совокупность атомов или молекул. Таким образом, дискретность можно рассматривать как конечную делимость материи на отдельные, все уменьшающиеся части. Еще античные греки поняли, что такая делимость не может продолжаться бесконечно, ибо тогда исчезнет сама материя. Поэтому они выдвинули предположение, что последними неделимыми частицами материи являются атомы.

С дискретной точки зрения строение материи можно представить в виде такой структуры, которая предполагает возможность ее конечного деления на все уменьшающиеся отдельные части, начиная от молекул и атомов и кончая элементарными частицами и кварками.

С точки зрения непрерывности материя представляется в виде определенной целостности и единства. Наглядным образом такой непрерывности является любая сплошная среда, которая заполняет определенное пространство. Свойства такой среды, например жидкости, изменяются от одной точки к другой непрерывно, без перерыва постепенности и скачков. На примере электромагнитного поля мы убедились, что силовое воздействие такого поля передается от близлежащей предшествующей точки к последующей, т.е. непрерывно.

В классической теории существовало явное противопоставление дискретности и непрерывности, когда исключалось всякое их взаимодействие при изучении вещества и поля. В современной же физике, как мы убедимся в дальнейшем, именно взаимосвязь и взаимодействие дискретности и непрерывности, корпускулярных и волновых свойств материи при исследовании свойств и закономерностей движения ее мельчайших частиц служит основой адекватного описания изучаемых явлений и процессов. Таким микрочастицам материи присущ корпускулярно-волновой дуализм, т.е. они одновременно обладают как свойствами корпускул (вещества), так и волн (поля).

Подобное представление совершенно чуждо классической физике, в которой дискретный и корпускулярный подход применялся при изучении одних явлений, а непрерывный и полевой — при исследовании других. Более того, мы знаем теперь, что механистическая трактовка явлений электричества и магнетизма основывалась в конечном счете на дискретной и корпускулярной их интерпретации, когда они рассматривались как особые субстанции, т.е. когда отождествлялись с разновидностью вещества.

Более универсальный подход к единому объяснению всех физических явлений с точки зрения единой теории поля был выдвинут в качестве грандиозной программы создателем теории относительности А. Эйнштейном, но так и остался нереализованным. Основные его

идеи станут понятными после того, как мы познакомимся с теорией относительности.

Диалектическое взаимодействие дискретности и непрерывности находит свое яркое воплощение в современных квантовых теориях полей. Действительно, взаимодействие в квантовой теории электромагнитного поля происходит в результате взаимного обмена фотонами, квантами этого поля. То же самое можно сказать о гравитационном поле, где такое взаимодействие осуществляется с помощью гравитонов, гипотетических частиц такого поля. Частицы, или кванты, поля в каждой точке пространства создают поле сил, которое оказывает свое воздействие на другие частицы.

Само же поле в истории физики интерпретировалось по-разному. В первых представлениях об электромагнетизме поле рассматривалось чисто механически, а именно как натяжение силовых линий между зарядами, а в оптике как упругое колебание особой, все проникающей среды — мирового эфира. После отказа от такого допущения сначала в теории электромагнитного поля, а затем в теории относительности на роль своеобразного эфира в современной физике претендует, по-видимому, физический вакуум. В квантовой теории поля он рассматривается как низшее энергетическое состояние квантованных полей, в котором отсутствуют какие-либо реальные частицы. Однако возможность виртуальных процессов в вакууме приводит к определенным эффектам при взаимодействии его с реальными частицами. В квантовой теории поля понятие физического вакуума считается основным, поскольку его свойствами определяются свойства всех других состояний системы.

Таким образом, с развитием физики представления о веществе и поле в корне изменились. Прежнее их противопоставление в классической физике уступило место пониманию их взаимосвязи и взаимодействия в современной физике. С одной стороны, вещество рассматривается как определенная дискретная система взаимодействующих элементарных частиц. С другой стороны, поле как непрерывная целостность состоит из квантов поля, которые обмениваются друг с другом энергией и тем самым обеспечивают существование и движение самой системы.

Основные понятия и вопросы

Близкодействие	Дальнодействие
Вакуум (физический)	Дискретность
Вещество	Дифракция
Волна	Интерференция

Близкодействие Дальнодействие

Вакуум (физический) Дискретность

Вещество Дифракция

Волна Интерференция

О /.

Квант энергии	Фотоэффект
Оптика	Электромагнитная индукция
Радиоволны	Электромагнитное поле
Свет	Электромагнитные колебания

Квант энергии Фотоэффект

Оптика Электромагнитная индукция

Радиоволны Электромагнитное поле

Свет Электромагнитные колебания

1. Как первоначально объясняли явления электричества и магнетизма?

2. Какие открытия стали основой для создания теории электромагнитного поля?

3. В каких случаях электрические заряды создают магнитное поле?

4. Что такое статическое электрическое поле?

5. В каком случае статическое поле может превратиться в динамическое поле и образовать магнитное поле?

6. Когда магнит создает электрическое поле?

7. Какая связь существует между электричеством и магнетизмом?

8. На какие открытия опирался Максвелл при создании своей теории электромагнитного поля?

9. Какие новые следствия были получены из теории Максвелла?

 

10. Почему оптические явления стали рассматриваться как электромагнитные?

11. Какой характер имеют электромагнитные волны?

12. Чем отличаются световые волны от других электромагнитных волн?

13. Как происходит передача энергии в электромагнитном поле?

14. Чем отличается поле от вещества?

Литература

Основная:

Философия науки. Современные философские проблемы областей научного

знания. М., 2005. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики // Эйнштейн А. Собр. научных

трудов: В 4 т. Т. 4. С. 401-452. 100 лет квантовой теории. История. Физика. Философия. М., 2002.

Дополнительная:

Фейнмановские лекции по физике. Вып. 3. Излучение. Волны. Кванты. М.,

1966. Гл. 28. Фейнмановские лекции по физике. Вып. 5. Электричество и магнетизм. М.,

1966. Гл. 1. Философия: энциклопедический словарь / Под ред. А.А. Ивина. М., 2004.

Глава 5

Концепция относительности пространства-времени

Другой недостаток этой картины состоит в том, что в ней пространство и время как формы существования материи изучаются отдельно и обособленно,… 5.1. Принцип относительности в классической механике Впервые этот принцип был установлен Галилеем, но окончательную формулировку получил лишь в механике Ньютона. Для его…

Закон распространения света и принцип относительности совместимы. И это положение составляет одну из основ специальной теории относительности.

1) промежуток времени между двумя событиями не зависит от состояния движения тела отсчета; 2) пространственное расстояние между двумя точками твердого тела также не… Исходя из этих, кажущихся вполне очевидными гипотез, классическая механика молчаливо предполагала, что величины…

Каждое движение тела происходит относительно определенного тела отсчета, и поэтому все физические процессы и законы должны формулироваться по отношению к точно указанной системе отсчета или координат. Следовательно, не существует никакого абсолютного расстояния, длины или протяженности, так же как не может быть никакого абсолютного времени.

Отсюда становится также ясным, что для Эйнштейна такие основные физические понятия, как пространство и время, приобретают ясный смысл только после указания тех экспериментальных процедур, с помощью которых можно их проверить. Понятие, указывает он, существует для физики постольку, поскольку есть возможность в конкретном случае найти, верно оноили нет. Тот факт, что расстояние и время в теории относительности определяются наблюдателем по отношению к определенной системе отсчета, отнюдь не свидетельствует отом, что эти понятия имеют произвольный характер, устанавливаемый субъектом. Субъект лишь фиксирует и точно определяет объективное отношение, существующее между процессами, совершающимися в разных системах отсчета. Таким образом, вместо абст-

рактных рассуждений об абсолютном движении в теории относительности рассматривают конкретные движения тел по отношению к конкретным системам отсчета, связанным с конкретными телами.

Другой важный результат теории относительности состоит в следующем.

Обособленные в классической механике понятия пространства и времени в специальной теории относительности объединяются в единое понятие пространственно-временной непрерывности (континуума).

Как мы уже знаем, положение тела в пространстве определяется тремя его координатами: х, у, z, но для описания его движения необходимо ввести еще четвертую координату — время. Таким образом, вместо разобщенных координат пространства и времени теория относительности рассматривает взаимосвязанный мир физических событий, который часто называют четырехмерным миром Г. Минковского (1864— 1909), по имени немецкого математика и физика, впервые предложившего такую трактовку. В этом мире положение каждого события определяется четырьмя числами: тремя пространственными координатами движущегося тела х, у, z и четвертой координатой — временем t.

Главная заслуга Минковского, по мнению Эйнштейна, состоит в том, что он впервые указал на формальное сходство пространственно-временной непрерывности специальной теории относительности с непрерывностью геометрического пространства Евклида. Чтобы яснее представить это сходство, необходимо вместо обычной координаты времени ввести пропорциональную ей мнимую величину ict, где i обозначает мнимую единицу

Новые понятия и принципы теории относительности существенно изменили не только физические, но и общенаучные представления о пространстве, времени и движении, которые господствовали в науке более двухсот лет. Особенно резкое сопротивление они встретили со стороны людей, придерживающихся так называемого здравого смысла, который в конечном итоге также ориентируется на доминирующие в обществе научные взгляды, почерпнутые из классической науки. Действительно всякий, кто впервые знакомится с теорией относительности, нелегко соглашается с ее выводами. Опираясь на повседневный опыт, трудно представить, что длина линейки или твердого тела в движущейся инерциальной системе сокращается в направлении их движения, а временной интервал увеличивается.

В связи с этим представляет интерес «парадокс близнецов», который нередко приводят для иллюстрации теории относительности. Пусть один из близнецов отправляется в космическое путешествие, а другой — остается на Земле. Поскольку в равномерно движущемся с ог-

ромной скоростью космическом корабле темп времени замедляется и все процессы происходят медленнее, чем на Земле, то космонавт, вернувшись на нее, окажется моложе своего брата. Такой результат кажется парадоксальным с точки зрения привычных представлений, но вполне объяснимым с позиций теории относительности. В его пользу говорят наблюдения над элементарными частицами, названными мю-мезономи или мюонами. Средняя продолжительность существования таких частиц около 2 микросекунд, но тем не менее некоторые из них, образующиеся на высоте 10 км, долетают до поверхности Земли. Как объяснить этот факт? Ведь при средней их «жизни» в 2 микросекунды эти частицы могут проделать путь только в 600 м. Все дело в том, что продолжительность существования мюонов определяется по-разному для разных систем отсчета. С «их» точки отсчета они «живут» 2 микросекунды. С нашей же, земной, — значительно больше, так что некоторые из них, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, достигают поверхности Земли.

Необычные результаты, которые дает теория относительности, сразу же поставили вопрос об их опытной проверке. Предварительно, однако, заметим, что сама эта теория возникла из электродинамики, и поэтому все эксперименты, которые подтверждают электродинамику, косвенно подтверждают также теорию относительности. Но кроме подобных косвенных свидетельств существуют эксперименты, которые непосредственно подтверждают выводы теории относительности. Одним из таких экспериментов является опыт, поставленный французским физиком А. Физо (1819— 1896) еще до открытия теории относительности. Он задался целью определить, с какой скоростью распространяется свет в неподвижной жидкости и жидкости, протекающей по трубке с некоторой скоростью. Если в покоящейся жидкости скорость света равна w, то скорость v в движущейся жидкости можно определить тем же способом, каким мы определяли скорость движущегося человека в вагоне по отношению к полотну дороги. Трубка играет здесь роль полотна дороги, жидкость — роль вагона, а свет — бегущего по вагону человека. С помощью тщательных измерений, многократно повторенных разными исследователями, было установлено, что результат сложения скоростей соответствует здесь преобразованию Лоренца и, следовательно, подтверждает выводы специальной теории относительности.

Наиболее выдающимся подтверждением этой теории был отрицательный результат опыта американского физика А. Майкельсона (1852—1931), предпринятый для проверки гипотезы о световом эфире. Согласно господствовавшим в то время воззрениям, все мировое про-

странство заполнено эфиром — гипотетическим веществом, благодаря колебаниям которого возникают световые волны. Вначале эфир уподоблялся упругой механической среде, а световые волны рассматривались как результат колебаний эфира, т.е. как волны, сходные с появляющимися на поверхности жидкости, вызванными колебаниями частиц жидкости. Но эта механическая модель эфира в дальнейшем встретилась с серьезными трудностями, так как, будучи твердой упругой средой, эфир должен был оказывать сопротивление движению небесных тел, но ничего этого в действительности не наблюдалось. В связи с этим пришлось отказаться от механической модели, но существование эфира как особой всепроницающей среды по-прежнему признавалось.

Для того чтобы обнаружить движение Земли относительно неподвижного эфира, Майкельсон решил измерить время прохождения светового луча по горизонтальному направлению движения Земли и направлению, перпендикулярному к этому движению. Если существует эфир, то время прохождения светового луча по горизонтальному и перпендикулярному направлениям должно быть неодинаковым, но никакой разницы Майкельсон не обнаружил. Тогда для спасения гипотезы об эфире Лоренц предположил, что в горизонтальном направлении происходит сокращение тела в направлении движения. Чисто отрицательный результат опыта Майкельсона стал для Эйнштейна 18 лет позже решающим экспериментом для доказательства того, что никакого эфира как абсолютной системы отсчета не существует. Сокращение же тела объясняется таким же способом, как при относительном движении инерциальных систем отсчета.

5.4. Общая теория относительности

В специальной теории относительности все системы отсчета предполагаются инерциальными, т.е. покоящимися или движущимися друг относительно друга равномерно и прямолинейно. Что произойдет, если одна из систем будет двигаться ускоренно? По своему опыту мы знаем, что, находясь в равномерно движущемся вагоне, нам кажется, что движется не наш вагон, а неподвижно стоящий рядом поезд. Это впечатление сразу же исчезнет, как только наш вагон сильно затормозит и мы ощутим толчок. Если принять теперь за систему отсчета замедленно или ускоренно движущийся вагон, то такая система будет неинерциальной.

Чтобы лучше понять сущность общей теории относительности, рассмотрим пример с падением тела на поверхность Земли. Как мы объясняем обычно такие явления? Мы говорим, что Земля притягива-

ет к себе тело согласно закону всемирного тяготения. Ньютон считал, что силы тяготения действуют мгновенно на расстоянии и величина их убывает пропорционально квадрату расстояния. Такое предположение оказалось не совсем обоснованным, ибо мгновенные взаимодействия отсутствуют в природе. Всякое взаимодействие передается с определенной конечной скоростью в некотором поле.

Понятие о поле возникло, как мы знаем, в связи с изучением электромагнитных процессов и было введено в физику М. Фарадеем в виде силовых линий, передающих воздействие электрических или магнитных зарядов. Мы говорим, например, что магнит притягивает к себе железные опилки, движение которых происходит по направлению силовых линий. Аналогичным образом вводится понятие поля тяготения, которое существенно отличается от других физических полей тем, что его действие не зависит от природы и других свойств тел, кроме их массы.

До сих пор мы рассматривали движение тел по отношению к таким системам отсчета, которые находятся в покое или движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно.

Возникает вопрос: а что произойдет, если вместо инерциальных систем взять другие системы отсчета, например движущиеся с ускорением? Ответ на него дает общая теория относительности, которая так называется потому, что она обобщает частный, или специальный, принцип относительности, который мы рассматривали выше. Соответственно этому мы должны различать специальную и общую теории относительности. В специальной теории относительности законы природы считаются верными относительно инерциальных систем отсчета, т.е. систем неподвижных или движущихся прямолинейно и равномерно. Но где можно обнаружить такие системы в природе? Первая мысль, которая возникает, — попытаться связать такую систему с Землей, но она не совсем подходит для этой цели, ибо находится во вращательном, а не прямолинейном движении. Если поместить такую систему на Солнце, то она будет лучше подходить для этого, но и оно хотя и медленно, но тоже движется. В конце концов оказывается, что абсолютную инерциальную систему отсчета обнаружить не удается. Поэтому в теории относительности отказываются от понятия абсолютного движения и признают, что все движения совершаются относительно какой-либо определенной системы отсчета.

В связи с этим и возникает проблема: построить такую общую физическую теорию, в которой законы природы были бы верны относительно любых систем отсчета, а не только инерциальных. Проблема эта оказалась необычайно трудной, ибо единственной наводящей идеей для ее решения служил принцип соответствия, согласно кото-

 

98

рому общая теория относительности в предельном случае должна была превратиться в специальную теорию относительности.

Как и при построении классической механики в создании обшей теории относительности мог помочь мысленный эксперимент. Эйнштейн в своих работах обращается к воображаемому случаю с падением лифта. Представим себе, что лифт отрывается от троса и приходит в свободное падение. Это падение по-разному описывают внешний и внутренний наблюдатели. Поскольку падение происходит с постоянной скоростью, постольку наблюдатель, находящийся внутри лифта, будет рассматривать свою систему как инерциальную. Поэтому если он, например, выпустит из своей руки часы или платок, то они не упадут на пол и останутся в покое. Если же он приведет в движение какое-либо тело, то оно будет двигаться равномерно и прямолинейно до тех пор, пока не столкнется со стенками лифта. Вместе с тем внешний наблюдатель замечает, что лифт падает и, значит, находится в ускоренном движении под влиянием силы тяжести. Оба наблюдателя рассуждают вполне последовательно, и каждый из них вправе отстаивать свою точку зрения. Но различие между ними заключается в том, что они описывают явления и законы, которыми они управляются, в разных системах отсчета или координат. Внутренний наблюдатель рассматривает их в инерциальной системе отсчета, а внешний — в не-инерциальной, ускоренной системе.

Если описания явлений и законы природы не должны зависеть от системы координат, то необходимо найти то связывающее звено, которое существует между инерциальными и неинерциальными системами отсчета. Таким звеном как раз и служит сила тяжести, которая, с точки зрения внешнего наблюдателя, заставляет двигаться лифт ускоренно. Эта сила образует поле тяготения, сходное с электромагнитным полем, но в то же время отличающееся от него тем, что его действие не зависит от любых свойств и структуры тел, кроме их массы.

Слабые поля тяготения не оказывают существенного влияния на свойства окружающего пространства. Поэтому в них можно пользоваться евклидовой геометрией и специальной теорией относительности. В сильных полях тяготения, как, например, в поле тяготения Солнца, приходится учитывать искривление световых лучей его полем, и поэтому в этом случае следует применить новую, неевклидову геометрию и общую теорию относительности. Поскольку в этой теории решающую роль играет именно тяготение, то ее называют новой теорией тяготения, чтобы подчеркнуть ее отличие от старой теории тяготения Ньютона.

Эйнштейн так формулирует суть своей общей теории относительности:

Все тела отсчета, К, К* и т.д., равноценны для описания природы (формулировки общих законов природы), в каком бы состоянии движения они ни находились.

Теперь мы в состоянии по-иному взглянуть на инерциальные и не-инерциальные системы отсчета. Различие между ними выражается прежде всего в том, что если в инерциальных системах все процессы и описывающие их законы являются одинаковыми по своей форме, то в неинерциальных системах они происходят по-другому. В качестве примера рассмотрим, как представляется падение камня на Землю с точки зрения теории тяготения Ньютона и общей теории относительности. Когда задают вопрос, почему камень падает на Землю, то обычно отвечают, что он притягивается Землей. Но закон всемирного тяготения Ньютона ничего не говорит о самом механизме действия сил тяготения.

Опираясь на результаты электродинамики, в которой вводятся представления о полях действия электромагнитных сил, Эйнштейн стал рассматривать тяжесть как силу, действующую в определенном поле тяготения. С этой точки зрения камень падает на Землю потому, что на него действует поле тяготения Земли. Сила, действующая на камень, может быть выражена в виде следующих уравнений. С одной стороны, всякая сила придает телу некоторое ускорение, которое может быть представлено в виде второго закона Ньютона:

 

С другой стороны, сила поля тяготения, действующая на тело, связана с напряжением поля b:

В вышеуказанных формулах т обозначает инертную массу, а т * — тяготеющую массу, а — ускорение, b — напряженность гравитационного поля. Из равенства левых частей формул непосредственно следует:

или

При соответствующем выборе единиц отношение Ъ/а можно приравнять к единице и, следовательно, т будет равно т*.

Равенство инертной массы тяготеющей массе — один из важных результатов общей теории относительности, которая считает равноценными все системы отсчета, а не только инерциальные системы.

Очевидно, что по отношению к неинерциальной системе отсчета движение тела описывается иначе, в чем мы можем убедиться, если сидим в вагоне поезда, который начинает тормозить. В этом случае мы почувствуем толчок, означающий, что в движении возникает торможение, или ускорение с отрицательным знаком. Там же, где появляется ускорение, возникает и соответствующее ему поле тяготения. В отличие от

 

других полей, например электромагнитных, поле тяготения обладает одним замечательным свойством: все находящиеся в нем тела испытывают ускорение, не зависящее ни от материала, ни от их физического состояния. Поэтому кусок свинца и равный ему по массе кусок дерева ведут себя в таком поле совершенно одинаково: они падают на Землю вблизи ее поверхности с тем же самым ускорением, равным 9,81 м/с².

5.5. Проверка общей теории относительности

Поскольку по отношению к разным системам отсчета механические движения происходят по-разному, то возникает естественный вопрос: как будет двигаться световой луч в разных системах. Мы уже знаем, что в инерциальной системе отсчета свет распространяется по прямой линии с постоянной скоростью 300 000 км/с. Относительно системы отсчета, имеющей ускоренное движение, световой луч не будет двигаться прямолинейно, ибо в этом случае он будет находиться в поле тяготения. Следовательно, в поле тяготения световые лучи распространяются криволинейно. Точнее говоря, в таком поле они распространяются по геодезическим линиям как кратчайшим расстояниям между двумя точками. Этот результат имеет важнейшее значение для проверки и обоснования общей теории относительности. Для полей тяготения, доступных нашему наблюдению, такое искривление световых лучей слишком мало, чтобы проверить ее экспериментально, но если такой луч будет проходить, например, вблизи Солнца, обладающего огромной массой в сравнении с массой Земли, то его искривление можно измерить. Впервые такие измерения были сделаны во время полного солнечного затмения в 1919 г., и они полностью подтвердили предсказание общей теории относительности.

Искривление светового луча в поле тяготения свидетельствует, что скорость света в таком поле не может быть постоянной, а изменяется от одной точки к другой.

Отсюда некоторые ученые сделали вывод, что общая теория относительности отвергает специальную теорию, где скорость света считается постоянной величиной. Автор обеих теорий — А. Эйнштейн считает такой вывод совершенно необоснованным.

На самом деле из этого сопоставления, указывает он, можно только заключить, что специальная теория относительности не может претендовать на безграничную область применения: результаты ее обоснованны, пока можно пренебрегать влиянием полей тяготения на явления (например, световые).

Кроме такого решающего эксперимента выводы общей теории относительности подтверждаются другими фактами, которые были известны до появления этой теории. Было известно, например, что эллипс, по которому обращается ближайшая к Солнцу планета Меркурий, медленно вращается относительно системы координат, связанной с Солнцем. Полный оборот, как предсказывает общая теория относительности, происходит в течение 3 миллионов лет. Этот эффект, каким бы незначительным он ни был, объясняется действием поля тяготения Солнца. Чем дальше находится планета от Солнца, тем меньше сказывается его действие на планету и тем труднее обнаружить этот эффект.

Наконец, отметим еще действие сильных полей тяготения на ритм часов, вследствие чего, например, ритм часов, помещенных вблизи поля тяготения Солнца, сильно отличался бы от ритма часов, находящихся в поле тяготения Земли.

5.6. Геометрия и общая теория относительности

Рассмотрим теперь, как можно интерпретировать пространственно-временные свойства в общей теории относительности. Для этого представим, что имеется такая область, где отсутствует поле тяготения или оно крайне незначительно, так что им практически можно пренебречь. Поэтому в ней будут справедливы положения специальной теории относительности. В этом случае всегда можно выбрать галилее-ву систему отсчета. Теперь отнесем выбранную область к системе отсчета, которая равномерно вращается относительно галилеевой системы. Пусть новым телом отсчета будет плоский диск, вращающийся вокруг своего центра. Тогда наблюдатель, расположенный на диске, будет подвержен действию силы, направленной наружу в радиальном направлении, которую наблюдатель в галилеевой системе будет истолковывать как действие силы инерции (центробежную силу). Допустим, что наблюдатель на диске будет считать свою систему неподвижной, а силы, действующие на него, связывать с действием поля тяготения. Предприняв эксперименты с часами и линейками на вращающемся диске, он скоро убедится, что положения евклидовой геометрии на таком диске, а следовательно, в любом поле тяготения не выполняются. Действительно, с точки зрения наблюдателя в галилеевой системе отсчета часы, расположенные в центре диска, не будут иметь никакой скорости, а находящиеся на периферии движутся с вращением диска. Тогда, согласно специальной теории относительности, они будут идти медленнее, чем часы в центре диска. Следова-

тельно, в любом поле тяготения часы будут идти быстрее или медленнее в зависимости от того, где они расположены. Аналогичным образом длины линеек, расположенных по касательной к направлению вращения диска, будут сокращаться в соответствии с требованиями специальной теории относительности.

Таким образом, для пространственно-временного описания событий в общей теории относительности необходима совсем иная, неевклидова геометрия, в которой вместо декартовых координат используются гауссовы координаты. Такая неевклидова геометрия переменной отрицательной кривизны была создана еще до открытия теории относительности немецким математиком Б. Риманом (1826—1866) и положена Эйнштейном в основу его общей теории относительности.

Все гауссовы системы координат принципиально равноценны для описания общих законов природы.

5.7. Философские выводы из теории относительности

Теория относительности была первой физической теорией, которая радикально изменила взгляды ученых на пространство, время и движение. Если раньше пространство и время рассматривались обособленно от движения материальных тел, а само движение независимо от систем отсчета, т.е. считалось движением абсолютным, то с возникновением специальной теории относительности было твердо установлено:

Всякое движение может описываться только по отношению к другим телам, которые могут приниматься за системы отсчета, связанные с определенной системой координат.

Пространство и время тесно взаимосвязаны друг с другом, ибо только совместно они определяют положение движущегося тела. Именно поэтому время в теории относительности выступает как четвертая координата для описания движения, хотя и отличная от пространственных координат.

Специальная теория относительности показала, что ковариантность, или одинаковость, формы законов механики для всех инерциаль-ных систем отсчета сохраняет свою силу и для законов электродинамики, но только для этого вместо преобразований Галилея используются преобразования Лоренца.

При обобщении принципа относительности и распространении его на электромагнитные процессы постулируется постоянство скорости света, которое никак не учитывается в механике.

Общая теория относительности отказывается от требования рассматривать лишь инерциальные системы отсчета, что соблюдается в специальной теории относительности. Благодаря такому глубокому обобщению общая теория относительности приходит к выводу:

Все системы отсчета являются равноценными для описания законов природы.

Важнейший вывод теории относительности о физической эквивалентности массы и энергии Е= тс2 может навести на мысль, что вещество представляет собой… Концепцию относительности, лежащую в основе общей и специальной физической… 104

Глава 6

Концепция дискретности и квантовая механика

Переходя к изучению свойств и закономерностей микромира, необходимо сразу же отказаться от привычных представлений, которые навязаны предметами и… В первое время физики были поражены необычными свойствами тех мельчайших… щие из корпускул, или частиц. В дальнейшем за механикой микрообъектов утвердилось название квантовой механики.

По

атома. Согласно этой модели, атом представлялся в виде сгустка материи, в который вкраплены, подобно изюму в пудинг, электроны. В целом же атом рассматривался как электрически нейтральный объект. Но такая модель была совершенно не в состоянии объяснить результаты экспериментов Резерфорда, и поэтому он выдвинул свою планетарную модель, в которой электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца.

Впоследствии эта модель была значительно модифицирована выдающимся датским физиком Н. Бором (1885—1962) и другими учеными. Оказалось, что модель Резерфорда противоречит принципам электромагнитной теории, согласно которым электроны, вращаясь вокруг ядра, должны излучать энергию и в конце концов упасть на него и разрушить атом. Ничего подобного в действительности не наблюдается, поскольку требуются огромные усилия, чтобы разрушить атом.

Чтобы разрешить возникшее противоречие, Н. Бор впервые заявил, что принципы электромагнитной теории неприменимы для исследования микромира, и предложил внести изменения в планетарную модель атома. Эти изменения он сформулировал в виде двух постулатов, которые впоследствии стали называть постулатами Бора.

Первый постулат устанавливает, что в атоме существуют стационарные состояния, в которых он не излучает энергии. Им соответствуют стационарные орбиты, двигаясь по которым электроны не излучают электромагнитную энергию.

Второй постулат утверждает, что при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую атом испускает энергию, равную одному фотону.

где E_n и Е_т обозначают значения энергий соответствующих стационарных орбит, a hv — энергию фотона.

Переход электрона с более удаленной орбиты на орбиту, более близкую к ядру, сопровождается поглощением фотона, противоположный переход — испусканием фотона.

Эти теоретические предположения Н. Бора были экспериментально подтверждены опытами Г. Герца и Д. Франка. Поэтому видоизмененная модель строения атома, названная моделью Резерфорда—Бора, получила всеобщее признание в науке. Однако эта модель все еще сохраняла связь со старыми, классическими представлениями. Поэтому необходимо было создать совершенно новую, неклассическую теорию, которая могла бы с принципиально иных позиций объяснить все накопившиеся экспериментальные результаты.

Ill

Такой новой фундаментальной теорией и стала квантовая механика, которая ввела совершенно неизвестные для классической физики принципы дуализма волны и частицы, неопределенности (неточности) и дополнительности, а вместо универсальных законов прежней физики стала широко применять статистические законы и вероятностные методы исследования.

6.3. Корпускулярно-волновая природа микрообъектов

Обсуждение необычных свойств микрообъектов начнем с описания экспериментов, посредством которых впервые было установлено, что эти объекты в одних опытах обнаруживают себя как материальные частицы, или корпускулы, в других — как волны.

Новый радикальный шаг в развитии физики был связан именно с распространением корпускулярно-волнового дуализма на мельчайшие частицы вещества — электроны, протоны, нейтроны и другие микрообъекты. В классической физике вещество всегда считалось состоящим из частиц, и потому волновые свойства казались явно чуждыми ему. Тем удивительнее оказалось обнаружение существования у микрочастиц волновых свойств.

Первым гипотезу о наличии волновых свойств у микрочастиц материи высказал в 1924 г. известный французский ученый Л. де Бройль. По-видимому, он руководствовался при этом интуитивной идеей о симметрии между веществом и полем и особенно новыми взглядами на свет, элементарные объекты которого — фотоны — обладают одновременно волновыми и корпускулярными свойствами. Несмотря на коренное различие между веществом и полем, такая глубокая аналогия оказалась верной и послужила исходной точкой для разработки новой квантовой физики.

Гипотеза де Бройля состояла в следующем:

Каждой материальной частице независимо от ее природы следует поставить в соответствие волну, длина которой обратно пропорциональна импульсу частицы:

 

где — длина волны, р — импульс частицы, равный произведению ее массы на скорость: р =mv, h — постоянная Планка.

Экспериментально эта гипотеза была подтверждена в 1927 г. американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером, впервые обнаружившими явление дифракции электронов на кристалле никеля. Как мы уже знаем, явление дифракции свидетельствует о типично

 

волновом характере явления. Впоследствии такая же дифракционная картина была обнаружена у протонов, нейтронов и других элементарных частиц при прохождении ими через дифракционную решетку.

Таким образом, было установлено, что как фотоны, т.е. кванты света, так и вещественные частицы, такие, как электрон, протон, нейтрон и другие, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Это принципиально новое явление, названное впоследствии дуализмом волны и частицы, совершенно не укладывалось в рамки классической физики. Действительно, раньше считали, что объекты ее изучения могли обладать либо корпускулярными, либо волновыми свойствами. В отличие от этого микрообъекты, имеющие квантовый характер, обладают одновременно как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Например, в одних экспериментальных условиях электрон обнаруживает типично корпускулярные свойства, а в других — волновые свойства, так что его можно было назвать как частицей, так и волной. Тот факт, что поток электронов представляет собой поток мельчайших частиц вещества, знали и раньше, но то, что этот поток обнаруживает волновые свойства, образуя типичные явления интерференции и дифракции, подобно волнам света, звука или жидкости, оказалось полной неожиданностью для физиков.

Для лучшего понимания всех дальнейших вопросов проделаем такой мысленный эксперимент. Пусть мы имеем устройство, которое дает поток электронов, например электронную пушку. Поставим перед ней тонкую металлическую пластинку с двумя булавочными отверстиями, через которые могут пролетать электроны. Прохождение электронов через эти отверстия регистрируется специальным прибором, например счетчиком Гейгера или электронным множителем, подсоединенным к динамику. Если подсчитать количество электронов, прошедших отдельно через первое отверстие, когда второе закрыто, и через второе, когда первое закрыто, а потом через оба открытых отверстия, то окажется, что сумма вероятностей прохождения электронов, когда открыто отдельно одно из отверстий, а потом другое, не будет равна вероятности их прохождения при двух открытых отверстиях: где Р — вероятность прохождения электронов при двух открытых отверстиях, Р₁ — вероятность прохождения электронов при открытии первого отверстия, Р₂ — вероятность при открытии второго отверстия.

Это неравенство свидетельствует о наличии интерференции при прохождении электронов через оба отверстия. Интересно отметить, что если на прошедшие за экраном электроны воздействовать светом, то интерференция исчезнет. Следовательно, фотоны, из которых состоит свет, влияют на характер движения электронов и изменяют его.

Здесь перед нами совершенно новое явление, заключающееся в том, что всякая попытка наблюдения микрообъектов сопровождается изменением характера их движения. Поэтому любое наблюдение микрообъектов с помощью приборов и измерительных средств исследователя в мире мельчайших частиц материи сопровождается изменением их состояния. Конечно, влияние средств наблюдения на наблюдаемые объекты было известно ученым и в классической физике. Но оно никак не учитывалось в классических теориях. В квантовой же физике этим влиянием уже нельзя было пренебречь. Именно это обстоятельство вызывает обычно возражение со стороны тех, кто не видит различия между микро- и макрообъектами. В макромире, в котором мы живем, мы не замечаем влияния приборов наблюдения и измерения на макротела, которые изучаем, поскольку практически такое влияние чрезвычайно мало и поэтому им можно пренебречь. В этом мире как приборы и инструменты, так и сами изучаемые тела характеризуются тем же порядком величин. Совершенно иначе обстоит дело в микромире, где макроприбор не может не влиять на микрообъекты.

Другое принципиальное отличие микрообъектов от макрообъектов заключается в наличии у первых корпускулярно-волновых свойств, но наличие таких взаимоисключающих, противоречивых свойств у макрообъектов целиком отвергается сторонниками классической физики. Хотя классическая физика и признает обособленное существование корпускулярных свойств у вещества и волновых свойств у поля, но отрицает существование объектов, обладающих одновременно такими свойствами. Корпускулярные свойства она приписывает только веществу, а волновые — исключительно физическим полям (акустическим, гидродинамическим, оптическим или электромагнитным).

6.4. Статистическая природа законов квантовой физики

Принципиальное отличие квантовой физики от классической физики заключается прежде всего в том, что ее законы являются статистическими по своей природе, а предсказания имеют вероятностный характер. В классической механике, если заданы координаты и скорость тела, можно полностью описать его состояние в любой момент времени в будущем или прошлом. Соответственно этому предсказания здесь имеют вполне однозначный и достоверный характер.

В классических теориях, например в статистической физике, когда описывают поведение систем, состоящих из большого числа элементов, скажем молекул газа, также прибегают к статистическим методам. Но

8-925

здесь статистика используется скорее по практическим, чем чисто теоретическим соображениям. Действительно, описывая поведение молекул газа в сосуде, мы в принципе могли бы по их начальному состоянию, т.е. координатам и скоростям, вычислить их состояние в любой момент времени, как это делается для отдельных частиц в механике. Однако ввиду огромного числа молекул газа такой метод оказывается практически не только невыгодным, но и неосуществимым. Поэтому здесь поступают так, как и в любом статистическом исследовании. Можно установить, например, какое количество молекул в среднем будет обладать некоторой скоростью v и, опираясь на эти данные, с определенной вероятностью предсказать, как будет вести себя система в дальнейшем. Следовательно, такой усредненный подход статистики используется в данном случае для облегчения решения задачи.

Совершенно иначе обстоит дело в квантовой физике, поскольку в ней все законы являются статистическими по своему характеру и вероятностными по результатам предсказаний.

Это означает, что мы не можем точно предсказать, в какое именно место попадет, например, электрон в определенном эксперименте, какие бы совершенные средства наблюдения и измерения ни использовали. Можно лишь оценить его шансы попасть в определенное место, а следовательно, применить для этого понятия и методы теории вероятностей, которая служит для анализа неопределенных ситуаций. Независимо от того, описываем ли мы при этом движение отдельного электрона или целого их ансамбля, результат оказывается вероятностно-статистическим по своему характеру.

Подчеркивая это «очень важное различие между классической и квантовой механикой», видный американский физик Р. Фейнман признает, что «мы не умеем предсказывать, что должно было бы случиться в данных обстоятельствах».

«Мало того, — добавляет он, — мы уверены, что это немыслимо: единственное, что поддается предвычислению, — это вероятность различных событий. Приходится признать, что мы изменили нашим прежним идеалам понимания природы. Может быть, это шаг назад, но никто не научил нас, как избежать его!»¹

Идеалом классической механики было стремление к точному и достоверному предсказанию изучаемых явлений и событий. В самом деле, небесная механика, опираясь на этот принцип, дает на много лет вперед точные и достоверные прогнозы о солнечных и лунных затмениях, так же как и о прошлых затмениях.

¹ Фейнмановские лекции по физике. Вып. 3. М., 1967. С. 214.

Ничего подобного не встречается в мире мельчайших частиц материи, о свойствах которых мы можем судить лишь косвенно по показаниям наших макроскопических приборов. Вот почему явления, происходящие в микромире, трудно поддаются пониманию не только людьми, впервые знакомящимися с ними, но исамими учеными, многие годы потратившими на их изучение.

6.5. Принцип неопределенности в квантовой механике

Этот принцип впервые сформулировал известный немецкий физик В. Гейзенберг (1901—1976) в виде соотношения неточностей при определении сопряженных величин в квантовой механике. Теперь его обычно называют принципом неопределенности. Суть его заключается в следующем: если мы стремимся определить значение одной из сопряженных величин в квантово-механическом описании, например координаты х, то значение другой сопряженной величины, а именно импульса р = mv, нельзя определить с такой же точностью. Иначе говоря, чем точнее определяется одна из сопряженных величин, тем с меньшей точностью определяется другая величина. Это соотношение неточностей, или принцип неопределенности, выражается следующей формулой: , где — обозначает изменение или приращение координаты, — приращение импульса, — постоянную Планка.

Таким образом, принцип неопределенности постулирует:

Невозможно с одинаковой точностью определитьи положение,и импульс микрочастицы. Произведение их неточностей не должно превышать постоянную Планка.

Из принципа неопределенности непосредственно следует, что вполне возможно осуществить эксперимент, с помощью которого   можно с большой точностью определить положение микрочастицы, но в таком случае импульс ее будет определен менее точно.…

Концепция атомизма и элементарные частицы

Античная гипотеза об атомах не основывалась на каких-либо эмпирических данных и была лишь гениальной догадкой, но тем не менее она определила на… Эта концепция, как уже отмечалось раньше, несомненно, обладает огромными… В этой главе мы продолжим дальнейшее рассмотрение концепции атомизма в широкой перспективе, обратив внимание на…

Сильное взаимодействие является наиболее интенсивным, и именно оно обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах.

Электромагнитное взаимодействие менее интенсивно по своему характеру и определяет специфику связи между электронами и ядрами в атоме, а также между атомами в молекуле.

Слабое взаимодействие — наименее интенсивно, оно вызывает медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в частности распад так называемых квазичастиц.

Гравитационное взаимодействие осуществляется на чрезвычайно коротких расстояниях и вследствие крайней малости масс частиц дает весьма малые эффекты.

Электромагнитное взаимодействие является менее интенсивным, чем сильное. С помощью такого взаимодействия осуществляется, во-первых, взаимосвязь и… Слабое взаимодействие значительно слабее не только сильного, но и… погасло бы наше Солнце, был бы невозможен -распад радиоактивных атомных ядер, эволюция звезд и многое другое.

Глава 8

Концепция детерминизма и статистические законы

Наряду с ними в науке с середины прошлого века стали все шире применяться законы другого типа. Их предсказания не являются однозначными, а только… 8.1. Универсальные законы и классический детерминизм Наиболее ясная и точная формулировка сущности классического детерминизма принадлежит П. Лапласу. Подробную…

Глава 9

Концепция необратимости и термодинамика

Рассматривая законы движения в классической механике, мы не обращали внимания на характер времени, посредством которого описываются процессы… Такое представление о времени противоречит как повседневной нашей практике,… Наиболее резкое противоречие в XIX в. возникло между прежней физикой и эволюционной теорией биологии. Если в механике…

Невозможно получить работу за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии.

Например, нельзя произвести работу за счет охлаждения озера, моря или иного резервуара при установившейся постоянной температуре. Иногда этот закон выражают в еще более простой форме: тепло не может… В дальнейшем немецкий физик Р. Клаузиус (1822—1888) использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие…

Глава 10

Концепция Вселенной и космическая эволюция

Бесспорно, что атомистический подход имеет большое значение для объяснения явлений природы, но он акцентирует внимание на строении и структуре… трономическими наблюдениями ее области, называемой Метагалактикой. Мы коснемся… 10.1. Космологические модели Вселенной

Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения. Такая модель «горячей» Вселенной впоследствии была названа стандартной.

Эта модель предполагает, что начальная температура внутри сингулярности превышала 10¹³ градусов (10 трлн) по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало шкалы соответствует 273 градусам шкалы Цельсия. Плотность материи равнялась бы приблизительно 10⁹³г/см³, огромная величина, которую трудно даже вообразить.

В подобном состоянии неизбежно должен был произойти «большой взрыв», с которым связывают начало эволюции в стандартной модели Вселенной, называемой также моделью «большого взрыва». Предполагают, что такой взрыв произошел примерно 15—20 млрд лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более медленным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее эволюции. Полагают, например, что после 0,01 секунды после взрыва плотность материи с невообразимо большой величины должна была упасть до 10¹⁰ г/см³. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов). При этом могли происходить непрерывные превращения пары электрон+позитрон в пару фотонов и обратно, пары фотонов в пару электрон+позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: ²/з водорода и ¹/₃ гелия.

10.2. Космическая эволюция материи

По современным представлениям космическая эволюция дает начало всем процессам и формам развития материальных систем во Вселенной. Хотя в настоящее время существует множество различных гипотез ее происхождения и эволюции, но в качестве стандартной модели принимается гипотеза «большого взрыва». Она опирается на следующие эмпирические и теоретические данные:

во-первых, на эмпирические факты внегалактической астрономии о непрерывном удалении наиболее далеких от нас галактик;

во-вторых, на открытие в 1965 г. микроволнового излучения, названного впоследствии реликтовым, поскольку оно несет информацию о ранней истории Вселенной;

в-третьих, на постулат о разрушении симметрий между микрочастицами, с одной стороны, и силами, действующими между ними, — с другой.

По стандартной модели, как отмечено выше, первоначально Вселенная находилась в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. После взрыва она начала быстро расширяться и постепенно охлаждаться. Эти процессы привели к разрушению прежней симметрии между материальными частицами и связывающими их силами, а также единства и простоты в природе.

Что собой представляла Вселенная до взрыва, никаких надежных данных пока не существует. Высказываются лишь некоторые предположения и гипотезы. Один из инициаторов гипотезы «большого взрыва» Г.А. Гамов считал, что вещество Вселенной вначале состояло из нейтронов, которые в дальнейшем превращались в протоны, а из них возникли сначала ядра атомов, а затем и атомы. Однако эта гипотеза оказалась теоретически несостоятельной. Поэтому в стандартной модели предполагается, что первоначально Вселенная могла состоять из электронов, позитронов и фотонов, а также нейтрино и антинейтрино. В настоящее время популярной становится кварковая модель в силу того, что эти гипотетические частицы считаются теперь основой для построения существующих элементарных частиц. Но такая модель, как указывалось выше, вызывает возражения многих специалистов прежде всего потому, что сами кварки являются лишь гипотетическими частицами и экспериментально непосредственно не обнаружены.

Относительно более надежными являются представления об эволюции Вселенной после взрыва и начавшегося ее расширения. Предполагают, что в первую сотую долю секунды после взрыва материя составляла своеобразную смесь вещества, состоящую из электронов и позитронов, и излучения, или фотонов, которые непрерывно взаимодействовали между собой. Электроны и позитроны превращались в фотоны, а последние в результате взаимодействия образовывали пару электрон и позитрон.

Подобное превращение вещества в излучение и обратно продолжалось до тех пор, пока существовало термодинамическое равновесие между ними. Вследствие этого существовала также и симметрия между веществом и излучением, с одной стороны, и веществом и антивеществом — с другой.

Как возникло впоследствии отделение антивещества от вещества и разрушение симметрии между веществом и излучением, остается только догадываться. Поэтому здесь можно прибегнуть лишь к исторической реконструкции. Поскольку доказано, что частицы вещества и антивещества при взаимодействии «аннигилируют», а точнее, превращаются в излучение, постольку предполагают, что в далеком прошлом наш вещественный мир каким-то образом оказался изолированным от антивещественного, ибо в противном случае все превратилось бы в излучение.

С падением температуры и дальнейшим расширением Вселенной возникли условия сначала для образования ядер легких атомов — водорода и гелия, а затем и соответствующих нейтральных атомов за счет захвата ядрами электронов. В общих чертах процесс космической эволюции и формирование Вселенной, по мнению нобелевского лауреата С. Вайнберга, можно представить в виде следующей последовательности кадров кинофильма¹.

Первый кадр. Начиная с ¹/₁₀₀ секунды после взрыва, когда температура стала равной 100 млрд градусов по Кельвину (в дальнейшем температура будет указываться по этой шкале), Вселенная была «заполнена везде одинаковым, однородным по свойствам супом из вещества и излучения, причем каждая частица в нем очень быстро сталкивается с другими частицами»².

Такими частицами были электрон и позитрон, а также фотон, нейтрино и антинейтрино. Кроме того, там существовало небольшое число ядерных частиц, около одного протона или нейтрона на каждый миллиард фотонов.

Второй кадр. Температура Вселенной упала до 30 млрд градусов, но качественно ее состав не изменился. Вселенная по-прежнему состоит из электронов, позитронов, фотонов, нейтрино и антинейтрино, которые находятся в тепловом равновесии. Небольшое число ядерных частиц все еще не объединяются в атомные ядра.

Третий кадр. Со времени первого кадра прошло чуть больше секунды, и температура Вселенной упала до 10 млрд градусов. К этому времени уменьшение плотности и температуры настолько увеличили среднее свободное время существования нейтрино и антинейтрино, что они начинают вести себя как свободные частицы и перестают находиться в тепловом равновесии с другими частицами. Однако существующая температура все еще не позволяет протонам и нейтронам объединиться в атомные ядра.

¹ См.: Вайнберг С. Первые три минуты. М., 1981.

² Там же. С. 99.

Четвертый кадр. Температура Вселенной теперь понизилась до 3 млрд градусов, которая ниже пороговой для электронов и позитронов. Поэтому они начинают быстро исчезать, превращаясь в излучение. Уменьшение температуры создает также условия для образования небольшого числа стабильных легких ядер, например, гелия. Нейтроны продолжают превращаться в протоны, хотя и значительно медленнее.

Пятый кадр. Теперь температура Вселенной упала до 1 млрд градусов, что, однако, в 70 раз выше, чем в центре Солнца. При этих условиях уже могут удерживаться ядра трития и гелия-3, а позднее и ядра дейтерия. Однако ядра тяжелее гелия в заметном количестве не образуются. Со времени первого кадра проходит чуть больше 3 минут.

Шестой кадр. Теперь температура Вселенной упала до 300 млн градусов, а со времени первого кадра прошло свыше 34 минут. В этот период все электроны и позитроны исчезают, за исключением небольшого количества электронов, необходимых для компенсации зарядов протонов. Но температура еще слишком высока, чтобы могли возникнуть стабильные ядра.

Пройдет еще свыше 700 000 лет, когда электроны и ядра начнут образовывать устойчивые атомы легких элементов, преимущественно водорода и гелия. В этот период происходит разъединение вещества и излучения. Одним из первых его следствий стало образование звезд, состоящих на три четверти из водорода и одну четверть из гелия. Другим следствием было то, что Вселенная стала прозрачной для излучения. Именно тогда возникает ставшее теперь широко известным космическое микроволновое излучение с температурой 3 градуса по Кельвину, которое часто называют реликтовым, ибо оно напоминает об истории возникновения Вселенной.

Самым главным результатом на стадии микроэволюции Вселенной бьио образование крайне незначительного перевеса над антивеществом вещества. Из него в результате дальнейшей эволюции возникло все богатство и разнообразие материальных образований и форм, начиная от атомов, молекул, кристаллов, минералов и кончая галактиками.

Разумеется, в стандартной гипотезе образования Вселенной много еще неясного и спорного. Прежде всего, остается нерешенным вопрос о структуре и состоянии материи первоначальной Вселенной. Ведь, кроме тех элементарных частиц, которые рассматриваются в стандартной модели, существуют и другие «кандидаты» на эту роль. Популярной остается также кварковая модель. Такая модель значительно проще объяснила бы состояние ранней Вселенной. Однако са-

11-925

ми кварки в свободном состоянии пока не обнаружены, и, как указывает С. Вайнберг, отсутствие изолированных, свободных кварков есть одна из самых важных проблем, с которыми в настоящее время сталкивается теоретическая физика¹.

По этой причине наряду со стандартной моделью была предложена также гипотеза пульсирующей Вселенной, которая предполагает, что в ходе своей эволюции Вселенная подвергается периодическому расширению и сжатию. По мнению ее защитников, она удовлетворительно объясняет наличие гигантского количества фотонов во Вселенной во время циклов ее расширения и сжатия. Однако никаких эмпирических фактов, свидетельствующих о сжатии Вселенной, пока не обнаружено.

Четверть века назад была выдвинута гипотеза, которая рассматривает Вселенную как гигантскую флуктуацию вакуума и пытается объяснить разрушение в ней симметрий между веществом и антивеществом, а также между различными силами взаимодействия частиц и полей. В последние годы она приобрела особую популярность потому, что пытается раскрыть состояние Вселенной до взрыва. Согласно такой модели, Вселенная возникла из первоначального вакуума, который обладал огромной энергией, но находился в неустойчивом состоянии. Поскольку в этом вакууме, который называют возбужденным или ложным, господствовали космические силы отталкивания, постольку они и «раздували» занимаемое им пространство, а выделившаяся при этом энергия быстро нагревала Вселенную. В конце концов огромное повышение температуры и давления в процессе быстрого расширения возбужденного вакуума привело к взрыву сверхгорячей материи. После взрыва наступило резкое понижение температуры и давления, и в дальнейшем расширение Вселенной происходило по сценарию стандартной модели.

Стандартная гипотеза хотя и не раскрывает причин «большого взрыва» и первоначального состояния материи до этого, но отличается от многих гипотез в первую очередь тем, что, во-первых, опирается на важные эмпирические данные внегалактической астрономии; во-вторых, учитывает фундаментальную роль нарушения симметрий в процессе формирования все более сложных материальных систем; в-третьих, в ее основе лежит концепция самоорганизации синергетики об образовании и усложнении материальных систем.

¹ См.: Вайнберг С. Первые три минуты. С. 132.

10.3. Взаимодействие микро- и макропроцессов в ходе эволюции Вселенной

Как уже указывалось выше, эволюция Вселенной началась приблизительно 15—20 млрд лет назад, и соответственно она охватывает две стадии: микро- и макроэволюцию.

Микроэволюция привела к образованию атомов и молекул, а тем самым явилась предпосылкой для возникновения макроэволюции, в результате которой появились окружающие нас макротела и их системы вплоть до систем галактических и внегалактических. Однако для их формирования существенное значение имело нарушение симметрий между различными физическими взаимодействиями.

В настоящее время различают четыре основных типа физических взаимодействий, которые мы подробно рассматривали в 7-й главе. Здесь мы обсудим, какую роль они играли в становлении Вселенной.

Сильные взаимодействия, присущие ядерным частицам, в отличие от гравитационных, действуют на чрезвычайно коротких расстояниях, которые существуют между частицами в ядрах атомов. Без таких взаимодействий не могли бы начаться термоядерные реакции синтеза, следовательно, процессы функционирования звезд, звездных систем и галактик.

Слабые взаимодействия участвуют в радиоактивном распаде, без них, как мы отмечали, также невозможна была бы деятельность Солнца и других звезд.

Гравитационные взаимодействия, т.е. силы притяжения между массивными небесными телами, действующие на больших расстояниях, сыграли ключевую роль в возникновении первых звезд и галактик в далеком прошлом. В настоящее время они определяют закономерности движений существующих небесных тел. Предполагают, что первые галактики появились почти миллиард лет после «большого взрыва» в результате конденсации газообразных облаков, состоящих на три четверти из водорода. В процессе дальнейшего уплотнения газопылевой материи и последующего ее сжатия в глубинах звезд и галактик начались термоядерные реакции синтеза и превращения водорода в гелий.

Электромагнитные силы сыграли свою роль при образовании атомов, молекул, химических соединений, кристаллов и других систем, которые занимают промежуточное положение между микромиром и мегамиром, состоящим из космических объектов и систем.

В ходе эволюции рассмотренные взаимодействия не оставались неизменными. На первоначальной стадии, когда Вселенная была достаточно горячей, сильные ядерные взаимодействия были в симмет-

н*

рии с гравитационными, а электромагнитные — со слабыми взаимодействиями. Только благодаря нарушению симметрии между ядерными и гравитационными силами стало возможным образование звезд, галактик и других космических объектов и систем. Полагают, что именно разрушение симметрии между ядерными и гравитационными силами было самым первым и важнейшим условием структурирования материи на микро- и макроуровне¹.

Аналогично этому, нарушение симметрии между электромагнитными и слабыми взаимодействиями привело к образованию огромного множества тел, форм и систем, которые составляют окружающий нас мир. Таким образом, благодаря разрушению симметрии между разными типами физических взаимодействий стало возможным не только возникновение микро- и макрообъектов, но и последующее взаимосвязанное развитие микроскопической и макроскопической ветвей эволюции. Микроэволюция обеспечила условия для развертывания макроэволюции, поскольку именно воздействие гравитационных сил привело к образованию звезд, галактик и других космических объектов и систем. В свою очередь, гравитационные силы и ударные волны способствовали возникновению и развитию ядерных реакций внутри звезд, ядер галактик и их скоплений. Следовательно, микро- и макроэволюция взаимно обусловливали и дополняли друг друга. Поэтому здесь допустимо говорить об их коэволюции. Отсюда становится ясным, что возникновение и эволюция физических, химических, геологических и других систем неорганической природы прочно укладываются в рамки космической и земной эволюции. Как уже отмечалось выше, первые атомы водорода и гелия возникли на стадии микроэволюции. Остальные химические элементы образовались в результате ядерных реакций из дозвездного вещества, состоящего из легких элементов.

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших раньше симметрий и возникновения на этой основе новых структур.

Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением симметрий, непосредственно следует из принципа положительной обратной связи, согласно которому неравновесность и неустойчивость, возникающие в открытой системе вследствие взаимодействия системы со средой, со временем не исчезают или ослабляются, а, наоборот, усиливаются. Это приводит в конечном счете к разрушению прежних симметрий и, как следствие, к возникновению новой структуры. Очевидно, что о первоначальной эволюции Вселенной мы можем судить

¹ См.: Jantsch E. The Self-Organizing Universe. Oxford, 1980. P. 84.

только на основании тех результатов, которые известны нам сегодня. Поэтому любая модель Вселенной, которая строится для объяснения современного ее состояния, в частности «разбегания галактик», сопровождающегося расширением Вселенной, должна учитывать эти факты. Другими словами, о ранней эволюции Вселенной мы можем делать заключения только путем экстраполяции, или распространения известного на неизвестное, и выдвижения гипотез о неизвестных этапах ее развития.

Предполагают, что одним из первых результатов расширения и соответственно охлаждения Вселенной было нарушение симметрии между веществом и антивеществом, например такими одинаковыми по свойствам, но разноименно заряженными материальными частицами, как электрон, несущий отрицательный заряд, и позитрон с противоположным положительным зарядом. Как возникло подобное нарушение симметрии, остается только догадываться. Неясным остается также то, каким способом антивещество оказалось отделенным от вещества и что удерживает их от аннигиляции, или уничтожения.

В общих чертах формирование Вселенной, согласно стандартной модели, представляется следующим образом. Пока температура была далека от точки перехода, первоначальная смесь вещества и антивещества находилась в тепловом равновесии и количество частиц разного рода оставалось приблизительно одинаковым. Между частицами происходили непрерывные столкновения, в результате чего возникали пары фотонов, а из столкновения последних - электрон и позитрон.

На этой стадии происходило непрерывное превращение вещества в излучение и, наоборот, излучения в вещество. Вследствие этого междувеществом и излучением сохранялась симметрия.

По-видимому, этот период существования Вселенной можно образно представить как периодическую смену темноты светом. Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и соответственно понижения ее температуры. Именно на этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы — протоны и нейтроны. Самым же главным результатом этой стадии микроэволюции нашей области Вселенной было образование крайне незначительного перевеса вещества. Как раз из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникло то огромное богатство и разнообразие материальных образований, явлений и форм, начиная от атомов, молекул, кристаллов, минералов и кончая разнообразными горными образованиями, планетами, звездами и звездными ассоциациями, галактиками и скоплениями галактик.

Разумеется, в стандартной гипотезе имеется еще немало неясного и даже спорного, но она опирается на такой твердо установленный факт, как смещение спектральных линий света, идущего от далеких галактик, который интерпретируется как удаление, или «разбегание», их от наблюдателя. Кроме того, эта гипотеза основывается на такой фундаментальной идее, как нарушение симметрии в процессе образования все новых и более сложных материальных структур и систем, которая лежит в фундаменте современной концепции системного подхода и синергетической самоорганизации. Этим, однако, не ограничивается связь синергетики со стандартной моделью Вселенной. Процессы микроэволюции Вселенной, продолжавшиеся не менее 10 млрд лет, привели к образованию молекул и тем самым явились предпосылкой для начала макроэволюции Вселенной. Микро- и макроэволюции взаимно обусловливали и дополняли друг друга, вот почему они представляют собой две ветви единого процесса.

Однако наиболее важным для понимания места человека во Вселенной является возникновение жизни на Земле и социально-экономическая и культурно-историческая эволюция человечества.

Биологическая и экологическая эволюции представляют собой необходимые предпосылки для возникновения общества, не говоря уже о том, что многие наши интуитивные представления об эволюции вообще заимствованы из существовавших в разное время биологических знаний. Поэтому нам особенно важно познакомиться с ними, во-первых, для того, чтобы выявить в дальнейшем специфику социальных процессов, а во-вторых, показать ошибочность редукционистских и социал-дарвинистских взглядов на общество.

Собственно биологической эволюции предшествовала длительная предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Началом предбиотической эволюции было постепенное возникновение органических молекул из неорганических. Предполагают, что по мере охлаждения Земли возникали все условия для образования сложных органических молекул из молекул неорганических. Такая возможность действительно была доказана экспериментально, и поэтому указанная гипотеза представляется достаточно обоснованной. Но ранее существовавшие гипотезы, защищая автономность элементарной системы жизни, слишком изолировались от взаимодействия с окружающей средой. Даже гипотеза, выдвинутая в 1938 г. А.И. Опариным (1894—1980), хотя и постулировала процесс возникновения биополимеров из мономеров, все же недостаточно подчеркивала роль среды в дальнейшей эволюции жизни.

Парадигма самоорганизации может помочь лучшему пониманию процессов происхождения жизни и дальнейшей ее эволюции. Действительно, с ее помощью можно более адекватно объяснить, каким образом из неорганических молекул возникли органические молекулы, а из последних — первые живые молекулы и клетки. Согласно гипотезе немецкого биофизика М. Эйгена (р. 1927), процесс возникновения живых клеток тесно связан с взаимодействием нуклеотидов, являющихся материальными носителями информации, и протеинов (полипептидов), служащих катализаторами химических реакций. В процессе взаимодействия нуклеотиды под влиянием протеинов воспроизводят себя и, в свою очередь, передают информацию следующему за ним протеину, так что в результате возникает замкнутая автокаталитическая цепь, которую Эйген называет гиперциклом.

В ходе дальнейшей эволюции появляются первые живые клетки: сначала без ядер, называемые прокариотами, а затем клетки с ядрами — экуариоты.

На предбиотической стадии эволюции до возникновения первых живых клеток, как показывают современные исследования, существовали материальные системы, обладавшие способностью к самовоспроизведению, метаболизму и развитию через мутации. Эти фундаментальные свойства, характеризующие жизнь, возникли в результате самоорганизации структур.

В ходе эволюции принцип автокатализа, или самоускорения, химических реакций дополняется принципом самовоспроизведения целого циклически организованного процесса в гиперциклах, предложенных Эйгеном. Воспроизведение компонентов гиперциклов, так же как и их объединение в новые гиперциклы, сопровождается быстрорастущим метаболизмом, связанным с синтезированием богатых энергией молекул и выведением как «отбросов» бедных энергией молекул. Примечательно, что вирусы, лишенные способности к метаболизму, внедряются в клеточные организмы и начинают пользоваться их метаболической системой. Особо следует отметить, что в ходе самоорганизации постоянно возникают мутации, а с ними неизбежно связан отбор.

Парадигма самоорганизации позволяет установить связь между неживым и живым в ходе эволюции, так что возникновение жизни представляется отнюдь не чисто случайной и крайне маловероятной комбинацией условий и предпосылок для ее появления, как заявляли некоторые авторитетные биологи. Нельзя также не отметить, что жизнь сама готовит условия для своей дальнейшей эволюции. Предполагают, что первыми стали осваивать Землю растения, которые появились примерно 50 млн лет назад. Такое предположение представляется доста-

точно обоснованным, так как именно растения способны к фотосинтезу и, следовательно, в состоянии накапливать энергию и отдавать свободный кислород в атмосферу. Затем появились первые животные — гипертрофы, которые стали использовать растения в качестве пищи. В результате дальнейшей эволюции из этих основных царств живых систем возникло огромное разнообразие форм и видов растений и животных, которые, постепенно адаптируясь к окружающей среде, усложняли свою структуру и функции и влияли также на свою среду, главным образом через те экосистемы, в которые они входили.

10.4. Антропный принцип в космологии

Анализируя мировые физические постоянные, или константы, такие, как постоянную Планка, массу протона, заряд электрона, скорость света и другие, ученые задались вопросом: что случилось бы с Вселенной, если бы значения этих постоянных изменились? Например, если бы масса протона возросла на треть, тогда был бы невозможен ядерный синтез, а следовательно, микро- и макроэволюция Вселенной не пошли бы по тому сценарию, который был рассмотрен выше. Аналогично этому при равенстве вещества и антивещества Вселенная превратилась бы в чистое излучение. Негативные последствия могли бы произойти от увеличения или уменьшения значений других физических постоянных.

В связи с этим невольно возникает впечатление о необъяснимом совпадении значений мировых констант. Совокупность таких совпадений называют «тонкой подстройкой Вселенной». Является ли такая подстройка случайной или же она вызвана какими-то неизвестными нам закономерными процессами?

Признание закономерности приводит к выводу, что на какой-то стадии эволюции неминуемо должен появиться человек, который в состоянии наблюдать эти процессы и оценивать значения мировых физических постоянных. Выходит, что Вселенная как-то подстраивается к возможности появления в будущем человека-наблюдателя. Некоторые сторонники крайних взглядов допускают даже, что появление такого наблюдателя является целью развития Вселенной и заложено в ней потенциально с самого начала. Многие ученые, привыкшие рассматривать природу как господство стихийных сил, считают «тонкую подстройку» чисто случайным совпадением.

Эти дискуссии в 70-х гг. XX в. привели к выдвижению так называемого антропного принципа, который существует в двух вариантах. Сто-

ронники сильного антропного принципа, например английский математик Б. Картер, считают, что Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на определенной стадии неминуемо появился наблюдатель.

П. Девис в своей книге «Случайная Вселенная», критикуя сильный вариант антропного принципа, утверждает, что его сторонники считают, что Вселенная изначально приспосабливалась для существования жизни. Поэтому и начальные условия, и законы физики подстраивались так, чтобы гарантировать возникновение жизни и появление наблюдателя.

Защитники слабого варианта считают, что появление наблюдателя должно быть связано с определенной стадией эволюции Вселенной, когда сложатся условия, которые допускают такую возможность.

Таким образом, антропный принцип должен объяснить, почему Вселенная именно такова, какой мы ее наблюдаем. Поиски такого объяснения предполагают использование не только философско-ми-ровоззренческих, но и естественнонаучных аргументов. Поэтому антропный принцип включает разнородное содержание. С философской точки зрения можно утверждать, что объективно существующие фундаментальные свойства Вселенной таковы, что на определенном этапе ее эволюции они привели к появлению наблюдателя.

С естественнонаучной точки зрения возникновение антропного принципа следует рассматривать в тесной связи с происхождением жизни во Вселенной, а также принципиальной возможностью появления других, отличных от нашей Вселенной миров. По мнению Р. Дикке, жизнь во Вселенной не может появиться раньше, чем сменится первое поколение звезд, в результате разрушения которых появится вещество, содержащее углерод, кислород и другие химические элементы, необходимые для возникновения жизни. Только после возникновения звезд второго поколения начинается отсчет звездного времени и появляется возможность зарождения жизни. Таким образом, рассматривая зависимость появления человека от универсальных мировых констант, в частности от возраста Вселенной, Дикке попытался дать биологическое объяснение антропному принципу.

Дискуссии вокруг антропного принципа в космологии, как нетрудно заметить, приобретают философский характер, поскольку они касаются проблемы предопределенности развития Вселенной фундаментальными исходными мировыми константами. Многие исследователи видят в этом возврат к антропоцентризму во взгляде на мир, признанию существования целей в природе, отход от революционной точки зрения Коперника, отрицающей выделенное место Земли и человека во Вселенной. Однако противоположный подход, преувеличи-

вающий роль случайностей в развитии мира и отрицающий его закономерный характер, также нельзя считать правильным. По-видимому, существование фундаментальных мировых констант, зависимость от них всего последующего развития Вселенной требуют также поиска тех общих универсальных закономерностей, которые детерминируют такое развитие. Обсуждение вопросов взаимосвязи между случайным и закономерным в эволюции Вселенной приводит нас к анализу ряда других философских и мировоззренческих проблем, выдвинутых развитием современной космологии.

10.5. Философско-мировоззренческие проблемы современной космологии

Возникновение и развитие современной релятивистской космологии имеет большое мировоззренческое значение. Она во многом изменила наши прежние представления о научной картине мира. Особенно радикальным было открытие так называемого красного смещения, свидетельствующего о расширении Вселенной. Этот факт нельзя было не учитывать при построении космологических моделей. Считать ли Вселенную бесконечной или конечной, зависит от конкретных эмпирических исследований, и прежде всего от определения плотности материи во Вселенной, что имеет решающее значение для оценки кривизны пространства-времени. Очевидно, что при нулевой или отрицательной кривизне модель должна быть открытой, при положительной — замкнутой. Однако оценка плотности распределения материи во Вселенной наталкивается на серьезные трудности, связанные с наличием так называемого скрытого (невидимого) вещества в виде темных облаков космической материи. Хотя никакого окончательного вывода о том, является ли Вселенная открытой или замкнутой, сделать пока еще нельзя, но многие научные факты свидетельствуют, по-видимому, в пользу модели открытой бесконечной Вселенной. Во всяком случае, такая модель лучше согласуется с неограниченно расширяющейся Вселенной. Замкнутая же модель предполагает конец такого расширения и допущение ее последующего сжатия. Как мы уже отмечали выше, коренной недостаток такой модели состоит в том, что пока современная наука не располагает какими-либо фактами, подтверждающими подобное сжатие. К тому же сторонники замкнутой Вселенной признают, что ее эволюция началась с «большого взрыва». Наконец, остается нерешенной и проблема оценки плотности распределения материи и связанной с ней величины кривизны пространства-времени.

Важной проблемой остается и оценка возраста Вселенной, которая определяется по длительности ее расширения. Если бы расширение Вселенной происходило с постоянной скоростью, равной в настоящее время 75 км/с, то время, истекшее с начала «большого взрыва», составило бы 13 млрд лет. Однако есть основания считать, что ее расширение происходит с замедлением. Тогда возраст Вселенной будет больше.

Значительные трудности связаны также с обоснованием первоначальной «горячей» модели в сингулярной области, поскольку предполагаемые плотности и температуры в ней никогда не наблюдались и не анализировались в современной астрофизике. Но развитие науки продолжается, и есть основания надеяться, что и эти труднейшие проблемы со временем будут разрешены. Главный же итог современных космологических исследований состоит в том, что они показали, что Вселенная не находится в стационарном состоянии, а непрерывно изменяется. Именно в результате такого процесса происходит эволюция материи, ведущая к появлению все новых и сложных структур.

Основные понятия, вопросы и задания

Антивещество	«Красное смещение»
Антропный принцип	Макроэволюция
Бесконечность	Метагалактика
«Большой взрыв»	Микроэволюция
Вещество	Разрушение симметрий
Вселенная	Расширение Вселенной
Галактика	Реликтовое излучение
Гравитация	Стандартная модель

1. На какую физическую теорию опирается современная космология?

2. Какие этапы в своем развитии прошла эта космология?

3. На каких данных основывается современная космология?

4. Что собой представляет стандартная модель Вселенной?

5. Когда, по стандартной модели, произошел «большой взрыв»?

6. Что вкратце можно рассказать об эволюции Вселенной до возникновения макротел?

7. Как реликтовое излучение подтверждает стандартную модель?

8. Как связана эволюция Вселенной с разрушением прежних симметрий между физическими взаимодействиями?

9. Назовите основные типы физических взаимодействий. Какую роль они играют в образовании новых структур?

10. Какое значение имеет парадигма самоорганизации материи в космологии?

11. В чем заключается сущность антропного принципа?

12. Какое значение имеют открытия в космологии для формирования мировоззрения?

Литература

Основная:

Бесконечность и Вселенная. М., 1969.

Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М., 1990.

Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. М., 1995.

Философия науки. Современные философские проблемы областей научного

знания. М., 2005. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М., 1988.

Дополнительная:

Девис П. Случайная Вселенная. М., 1985.

Казютинский В.В. Антропный принцип // Философский словарь. М., 2001. Картер Б. Совпадение больших чисел и антропологический принцип космологии // Космология: теория и наблюдения. М., 1978. Физический энциклопедический словарь. М., 1983. С. 316. Философия: энциклопедический словарь / Под ред. А.А. Ивина. М., 2004. Шама Д. Современная космология. М., 1973.

 

Глава 11

Концептуальные уровни в познании веществ и химические системы

Поскольку при химических реакциях происходят качественные изменения и превращения веществ, то одна из основных задач химии состоит в тщательном… В этой главе мы рассмотрим, как исторически формировалось понятие химического… ку химия занимается прежде всего изучением различных типов химических реакций, постольку мы обсудим также, какие…

В настоящее время химическим элементом называют вещество, все атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра, хотя и различаются по своей массе, вследствие чего атомные веса элементов не всегда выражаются целыми числами.

С позиций атомизма решается также проблема химического соединения. Что считать смесью, а что химическим соединением? Обладает ли такое соединение постоянным или переменным составом?

Еще в начале XIX в. по этим вопросам возникла острая дискуссия между известными французскими химиками Ж. Прустом (1754—1826) и К. Бертолле (1748—1822). Пруст считал, что любое химическое соединение должно обладать вполне определенным, постоянным составом, и это свое убеждение сформулировал в виде закона постоянства состава. По его мнению, именно постоянный состав отличает химические соединения от смесей. Впоследствии закон постоянства состава с позиций атомно-молекулярного учения обосновал выдающийся английский химик Дж. Дальтон (1766—1844). Он утверждал, что всякое индивидуальное вещество — простое или сложное — состоит из мельчайших частиц — молекул, которые, в свою очередь, образованы из атомов. Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами вещества. Например, молекула такого простого вещества, как кислород (O₂), образована из двух атомов и характеризуется всеми теми свойствами, которые присущи этому веществу. Молекулы сложных веществ, или химических соединений, образованы из разных атомов и поэтому обладают свойствами, отличными от свойств составных частей. Так, например, вода (Н_2O) представляет собой жидкость, а образована она из двух атомов водорода и одного атома кислорода, веществ, которые в свободном состоянии являются газами. Важно подчеркнуть, что, каким бы способом то или иное химическое соединение ни было получено, оно всегда будет иметь тот же самый состав.

Долгое время закон постоянства химического состава считался абсолютной истиной, не допускающей никаких исключений, хотя уже Бертолле указывал на существование соединений переменного состава в форме растворов и сплавов. Впоследствии были найдены более убедительные доказательства существования химических соединений переменного состава в школе известного русского физикохимика Н.С. Курнакова (1860—1941). В честь К. Бертолле он назвал их бертол-лидами. К ним он отнес те соединения, состав которых зависит от способа их получения. Например, соединения таких двух металлов, как марганец и медь, магний и серебро и других, характеризуются переменным составом, но они представляют собой единые химические соединения. Со временем химики открыли другие соединения такого же переменного состава и пришли к выводу, что они отличаются от соединений постоянного состава тем, что не обладают специфическим молекулярным строением. Однако такой вывод оказался неубедительным с точки зрения современных научных представлений о строении атомов и молекул. Было установлено, что постоянство и непостоянство состава химических соединений являются внешней их характеристикой, поэтому и сами нуждаются в дальнейшем анализе. Такой анализ

)2-925

показывает, что природа соединения, т.е. характер взаимосвязи атомов в молекуле, зависит от их химических связей, определяемых обменным взаимодействием валентных электронов. В связи с этим изменилось и само классическое понятие молекулы, хотя основное его содержание сохранилось. Молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может существовать самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также разнообразные другие квантово-механические системы (ионные, атомные монокристаллы, полимеры и другие макромолекулы). В них химическая связь осуществляется путем взаимодействия не только внешних, валентных электронов, но и ионов, радикалов и других компонентов.

Таким образом, в свете современных физико-химических представлений исчезает резкое прежнее противопоставление химических соединений постоянного состава, обладающих специфическим молекулярным строением, и соединений переменного состава, лишенных этой специфики. Точно так же теряет силу отождествление химического соединения со сложным веществом или, точнее, молекулой, состоящей из нескольких разных атомов химических элементов. В принципе молекула может состоять и из двух или нескольких атомов одного элемента.

11.3. Структура вещества и химические системы

Характер любой системы, как известно, зависит не только от ее строения и состава ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет специфические, целостные свойства самой системы. Поэтому при исследовании разнообразных веществ и их реакционной способности ученым приходится заниматься и изучением их структур. Соответственно уровню достигнутых знаний менялись и представления о химической структуре веществ. Хотя разные ученые по-разному истолковывали характер взаимодействия элементов химических систем, тем не менее все они подчеркивали, что целостные свойства этих систем определяются именно специфическими особенностями взаимодействий их элементов.

В качестве первичной химической системы рассматривалась при этом молекула, и поэтому когда речь заходила о структуре веществ, то имелась в виду именно структура молекулы как наименьшей единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались, уточнялись и конкретизировались, начиная от общих предположений отвлеченного характера и кончая гипотезами, обоснованными с помощью определенных химических эксперимен-

тов. По мнению известного шведского химика Й. Берцелиуса (1779— 1848), структура молекулы имеет дуалистический характер, так как связана с взаимодействием разноименно заряженных атомов или атомных групп. Так, например, любая соль, образуемая основанием и кислотой, имеет положительный и отрицательный электрические заряды. Но дуалистическая гипотеза структуры молекулы подверглась серьезной критике. Она, например, не могла объяснить многочисленные примеры строения молекул, которые образуют прочные связи со своими атомами. Поэтому еще французский химик Ш. Жерар (1816— 1856) справедливо указывал на весьма ограниченный характер представлений, развитых Берцелиусом. В противовес этому он подчеркивал, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так что в результате возникает определенная целостность, или, как мы сказали бы теперь, система. Однако эти общие и в целом правильные представления не содержали фактических указаний, как применить их на практике для синтеза новых химических соединений и получения веществ с заранее заданными свойствами.

Такую попытку раскрытия структуры молекул и синтеза новых веществ осуществил известный немецкий химик Ф. Кекуле (1829— 1896). Он стал связывать структуру с понятием валентности элемента, или числа единиц его химического сродства. Известно, что некоторые элементы обладают определенной валентностью (от лат. valentia — сила, способность) образовывать соединения с другими элементами. Валентность как раз и определяет, с каким числом атомов способен соединяться атом данного элемента. Например, атом водорода способен соединяться с одним атомом другого элемента, атом кислорода— с двумя атомами, атом азота — с тремя атомами, а углерода — с четырьмя. Соответственно этому различают одновалентные, двух-, трех- и четырехвалентные элементы. Следовательно, валентность любого элемента может быть определена как число атомов одновалентного элемента, с которыми может взаимодействовать один атом данного элемента. Так, например, один атом кислорода, соединясь с двумя атомами водорода, образует воду, Н_2O, и поэтому является двухвалентным элементом, а азот в соединении NH₃ (аммиак) — трехвалентен. Однако такое представление о валентности нуждается в дальнейшем уточнении, так как существуют химические соединения, содержащие в своем составе ионы. Некоторые атомы, из которых они возникли, обладают способностью отдавать электроны, а другие — присоединять электроны. В результате этого полученные из них соединения обладают ионной валентностью. Существует, однако, еще

12*

большее количество соединений, которые характеризуются тем, что двум атомам одновременно принадлежит пара электронов. Связь подобного рода называется ковалентной связью, а открывший ее электронную структуру американский химик Д.Н. Льюис считает ее чисто химической связью.

На основе представлений о химическом сродстве, или валентности, и возникли те структурные формулы, которыми с незначительными видоизменениями пользуются при изучении химии, особенно органической, в школе. В этих формулах элементы связываются друг с другом, как отмечено выше, по числу единиц их сродства, или валентности. Комбинируя атомы различных химических элементов по их валентности, можно прогнозировать получение различных химических соединений в зависимости от исходных реагентов. Таким путем можно было управлять процессом синтеза различных веществ с заданными свойствами, а именно это и составляет важнейшую задачу химической науки.

Крупный шаг в эволюции понятия химической структуры связан с теорией химического строения А.М. Бутлерова (1828—1886), который хотя и признавал, что образование новых молекул из атомов происходит за счет их химического сродства, но обращал особое внимание на степень напряжения или энергии, с которой они связываются друг с другом. Именно поэтому новые идеи Бутлерова в свое время не только нашли широкое применение в практике химического синтеза, но и получили прочное обоснование в современной квантовой химии.

Этот краткий экскурс в историю химии показывает, что эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее составных частей или элементов, а с другой — установления характера физико-химического их взаимодействия. Последнее особенно важно для ясного понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие элементов системы, благодаря которым и возникают новые системные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия составляющих ее атомов или ионов определяет свойства молекулы.

11.4. Химические процессы и условия их протекания

Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. В практике химического эксперимента эти условия интуитивно осознавались и эмпирически

учитывались, но теоретически по-настоящему не исследовались. Между тем от них в значительной степени зависит выход получаемого продукта реакции.

К этим условиям относятся прежде всего термодинамические условия, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других факторов. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реагентам, а также влиянием растворителей, стенок реактора и иных условий.

Термодинамическими факторами, которые оказывают существенное влияние на скорость химических реакций, являются температура и давление в реакторе. Хотя для завершения любой реакции требуется определенное время, но одни реакции могут протекать очень быстро, другие — чрезвычайно медленно. Так, реакция образования осадка хлорида серебра при смешивании растворов, содержащих ионы серебра и хлора, занимает несколько секунд. А смесь водорода и кислорода в условиях комнатной температуры и нормального давления можно хранить годами, и никакой реакции при этом не произойдет. Но стоит пропустить через смесь электрическую искру, как произойдет взрыв. Этот пример свидетельствует о том, что на скорость протекания химических реакций влияет множество разнообразных условий: воздействие электричества, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, концентрации реагентов, их помешивание и даже присутствие других веществ, не участвующих в реакции.

При этом реакции в гомогенной системе, состоящей из одной фазы, протекают, как правило, быстрее, чем в гетерогенной системе, состоящей из нескольких фаз. Типичным примером гомогенной реакции является реакция естественного распада радиоактивного вещества, скорость которого пропорциональна концентрации вещества R. Эта скорость может быть выражена дифференциальным уравнением: —dR/dt = kR, где к — константа скорости реакции, a R — концентрация вещества. Такую реакцию называют реакцией первого порядка, а время, необходимое для того, чтобы исходное количество вещества уменьшилось наполовину, называют периодом полураспада.

Если реакция происходит в результате взаимодействия двух молекул, A и В, тогда ее скорость будет пропорциональна числу их столкновений. Установлено, что это число пропорционально концентрации молекул А и В. Тогда можно определить скорость реакции второго порядка в дифференциальной форме: —dA/dt = dB/dt = к[А][В].

Скорость в существенной степени зависит от температуры. Эмпирическими исследованиями установлено, что почти для всех химических

реакций скорость большинства из них при повышении температуры на 10 градусов возрастает приблизительно в два раза. Наблюдаются, однако, и отклонения от этого эмпирического правила, когда скорость может увеличиться только в 1,5 раза, и, наоборот, в отдельных случаях скорость реакции, например при денатурации яичного альбумина (при варке яиц), возрастает в 50 раз. Не следует, однако, забывать, что эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций при определенной структуре молекул химических соединений.

Наиболее активны в этом отношении соединения переменного состава с ослабленными связями между их компонентами. Именно на них и направлено в первую очередь действие разных катализаторов, которые значительно ускоряют ход химических реакций. Для сравнения можно привести реакцию синтеза аммиака из азота и водорода. Вначале его не удавалось осуществить ни с помощью большого давления, ни высокой температуры, и только использование в качестве катализатора специально обработанного железа впервые привело к успеху. Однако эта реакция сопряжена с большими технологическими трудностями, которые удалось преодолеть после того, как был использован металлорганичес-кий катализатор. В его присутствии синтез аммиака происходит при обычной температуре — 18°С — и нормальном атмосферном давлении, что открывает большие перспективы не только для производства удобрений, но и в будущем для такого изменения генной структуры злаков (ржи и пшеницы), при котором они не будут нуждаться в азотных удобрениях. Еще большие возможности и перспективы возникают с использованием катализаторов в других отраслях химической промышленности, в особенности в «тонком» и «тяжелом» органическом синтезе.

Не приводя больше примеров о чрезвычайно высокой эффективности катализаторов в ускорении химических реакций, следует обратить особое внимание на то, что возникновение и эволюция жизни на Земле была бы невозможна без существования ферментов, служащих, по сути дела, живыми катализаторами.

Несмотря на то что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире наталкиваются на серьезные ограничения. Речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично — практического применения выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций.

11.5. Самоорганизация и эволюция химических систем

Тот факт, что катализ играл решающую роль в процессе перехода от химических систем к биологическим системам, т.е. на предбиотичес-кой стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными и аргументами. Наиболее убедительные результаты связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые наблюдали наши соотечественники Б.П. Белоусов и А.М. Жаботинский. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Однако в отличие от самоорганизации открытых физических систем в указанных химических реакциях важную роль играют каталитические процессы.

Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. На этом основании некоторые ученые, например А.П. Руденко, напрямую связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Другими словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем. Следует, однако, помнить, что переход даже к простейшим формам жизни предполагает также особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно отметить, что из более ста химических элементов лишь шесть, названных органогенами, служат основой для построения живых систем.

Такими органогенами являются углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Они составляют примерно 98% весовой доли живых организмов. Аналогично этому, из миллионов органических соединений в их построении принимают участие лишь несколько сотен органических соединений, а из ста аминокислот в состав белков входит только 20.

Все это свидетельствует о том, что в ходе предбиотической эволюции происходит отбор тех органических структур, которые отличаются особой активностью и своим содействием усилению каталитических систем. Ключевую роль таких биокатализаторов, как ферменты, отмечали многие выдающиеся химики и биологи XIX—XX вв. Однако если химики склонны были рассматривать ферменты как обычные катализаторы, то биологи вслед за Л. Пастером (1822—1895) подчеркивали их специфическую природу. В настоящее время такое противопоставление преодолено и установлено, что единые физические и химические законы управляют процессами развития в природе. Одна-

ко в живой природе мы встречаемся с весьма сложными процессами эволюции, связанными с упорядочением и самоорганизацией систем. В сущности, как мы убедимся в дальнейшем, подлинная самоорганизация, основанная на самообновлении, усовершенствовании и усложнении систем, встречается именно в живой природе.

Решающую роль на предбиотической стадии эволюции, т.е. при переходе от химической эволюции к биологической, сыграли каталитические системы, которые в значительной степени ускорили процессы химических реакций. Наряду с другими формами катализа особое значение здесь приобрело явление автокатализа, которое основано на использовании продуктов реакции как катализаторов для ускорения реагирования вновь поступающих веществ. Поэтому многие исследователи не без оснований считают важнейшим условием перехода от химической формы движения материи к жизни эволюцию каталитических систем. Так, упоминавшийся выше проф. МГУ А.П. Руденко рассматривает химическую эволюцию как процесс саморазвития и самоорганизации открытых каталитических систем. Такие системы являются открытыми, поскольку их функционирование основано на постоянном притоке новой энергии и выводе готовых продуктов. Основным источником энергии является базисная химическая реакция, которая служит для совершения полезной работы, направленной против равновесия, а также самоорганизации каталитических систем. В конкуренции этих систем преимущество получает та из них, которая развивается на основе реакции с большим выделением тепла. С наибольшей вероятностью и скоростью реализуются при этом наиболее прогрессивные пути развития каталитических систем, связанные с максимальным ростом их активности. Благодаря возникновению автокатализа происходит самоускорение базисной реакции, которое на определенном этапе будет сдерживаться постоянным уровнем температуры в системе. Возникает первый кинетический предел, который преодолевается за счет превращения отдельных каталитических центров, которые раньше осуществляли один цикл, в центр функциональных циклов.

В дальнейшем развитии предбиотической стадии скорость реакции может сдерживаться концентрацией реагирующих веществ, и тогда появится второй кинетический предел. Этот предел преодолевается пространственным дублированием сложных каталитических систем, их разъединением и дальнейшим самостоятельным существованием. Самовоспроизведение и дубликация системы означают уже переход от химической эволюции к биологической. С появлением второго кинетического предела, таким образом,

кончается химическая эволюция и начинается новая, биологическая эволюция.

Следует, однако, отметить, что в изложенной концепции А.П. Ру-денко главное внимание обращается на эволюцию каталитических систем. Но предбиотическая эволюция не могла осуществиться без отбора тех химических элементов и их соединений, которые сыграли решающую роль в самоорганизации процессов вместе с каталитическими системами, являющимися необходимым условием их возникновения и значительно ускорившими эволюционные процессы.

Основные понятия и вопросы

 

Автокатализ	Каталитическая система
Атом	Простое вещество
Атомный вес (масса)	Самоорганизация в химии
Атомный номер элемента	Скорость реакции
Закон постоянства состава	Сложное вещество (соединение)
Изотоп	Структурные формулы
Катализ	Химический элемент

1. Что изучает химия и какие основные методы она использует?

2. Что называется простым и сложным веществом?

3. Какая связь существует между атомным весом и зарядом ядра атома?

4. Что называют химическим элементом?

5. Какие основные уровни химических структур?

6. Что лежит в основе деления веществ на соединения постоянного и переменного состава?

7. От чего зависит динамика химических процессов?

8. Какие вещества называют катализаторами?

9. Какую роль играет катализ в эволюции химических систем?

 

10. Что называют автокатализом?

11. Что служит катализатором в живых системах?

12. Как происходит самоорганизация химических систем?

13. Какой опыт может извлечь химия из изучения живых систем?

14. Какие элементы называются органелами?

15. Как связана химическая эволюция с катализом?

16. Чем отличаются ферменты от химических катализаторов?

Литература

Основная:

Кузнецов В.И. Общая химия. Тенденция развития. М., 1989.

Печенкин А.А. Взаимодействие физики и химии (философский анализ). М.,

1986. Полинг Л. Общая химия. М., 1964. Философия науки. Современные философские проблемы областей научного

знания. М., 2005.

Дополнительная:

Браун Т., Лемей Т. Химия — в центре наук. М., 1983. Т. 1—2.

Философия: энциклопедический словарь/ Под ред. А.А. Ивина. М., 2004.

Глава 12

Концепция геологических процессов и геосферных оболочек

Переходя к обсуждению вопроса об эволюции геологических процессов на нашей планете, необходимо прежде всего выяснить более общий вопрос о… 12.1. Уникальна ли Солнечная система во Вселенной? Представление о случайном характере возникновения Солнечной системы и ее уникальности в настоящее время подвергается…

Глава 13

Концепция уровней биологических структур и организация живых систем

Исторически биология развивалась как описательная наука о многообразных формах и видах растительного и животного царства. Поэтому важнейшее место в… Без такого исследования невозможно было бы, во-первых, перейти на новый… Во-вторых, обобщение и систематизация знаний об отдельных видах и родах растений и животных требовали перехода от…

К первому, автотрофному типу относились организмы, которые не нуждались в органической пище и могли жить либо за счет ассимиляцииуглекислоты (бактерии), либо фотосинтеза (растения). Ко второму, гетеротрофному типу принадлежали все организмы, которые не могли жить без органической пищи.

По вопросу о том, какой тип питания возник в начале становления живых систем, мнения расходятся. Одни ученые не без основания полагают, что сначала появился автотрофный тип, поскольку сложные органические вещества, необходимые для гетеротрофного питания, могли образоваться лишь после того, как автотрофные организмы создали для этого необходимые условия. Другие исследователи считают, что гетеротрофное питание появилось раньше автотрофного. Такого допущения, в частности, придерживается в своей гипотезе происхождения жизни А.И. Опарин, полагая, что уже первичный «бульон», в котором зародилась жизнь, содержал органические соединения как питательную среду для дальнейшего развития.

Простая первоначальная классификация основных типов питания и соответственно организмов на автотрофы и гиперотрофы в дальнейшем подверглась изменениям и уточнениям, в которых выявлялись такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества для роста (витамины, гормоны и специфические ферменты), обеспечивать себя энергией, источниками получения углерода, азота и водорода; зависимость от экологической среды и т.п. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических потребностей организмов свидетельствует о необходимости целостного, системного подхода к изучению живых систем и на онтогенетическом уровне.

Целостность, взаимосвязь и взаимодействие выступают в общейформе функциональной системности, которая находит выражение в согласованном функционировании различных компонентов одноклеточных и многоклеточных организмов.

При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность в осуществлении всех процессов жизнедеятельности всего организма. Подобная функциональная системность в специфических формах выступает и на других уровнях организации живых организмов. Она является конкретным воплощением системного характера организации живой природы на всех ее уровнях, которая может лишь возрастать и усиливаться в зависимости от места, занимаемого организмом на эволюционной лестнице развития природы.

13.4. Уровни организации живых систем

Онтогенетический уровень организации относится к отдельным живым организмам — одноклеточным и многоклеточным. Его называют также организменным уровнем, поскольку при этом речь идет о структуре и функциях отдельного организма без учета его связей и взаимодействий с другими организмами. Поскольку живой минимальной системой служит клетка, постольку на этом уровне уделяется такое большое внимание анализу структуры и функционирования различных клеточных образований. При переходе к популяциям все внимание сосредоточивается на изучении совокупности или, точнее, системы взаимодействующих отдельных организмов. Если клетки и их структуры изучаются на молекулярном и микробиологическом уровне, то популяции становятся доступными для непосредственного наблюдения.

Популящонный уровень начинается с изучения взаимосвязи и взаимодействия между совокупностями особей одного вида, которые имеют единый генофонд и занимают единую территорию. Такие совокупности, или системы, живых организмов составляют определенную популяцию. Очевидно, что популящонный уровень выходит за рамки отдельного организма, и поэтому его называют надорганизменным уровнем организации.

Приведенное общее определение популяции дает возможность отличать организменный уровень живого от уровня надорганизменно-го. Сам термин «популяция» (от фр. — население) был введен одним из основателей генетики — В. Иогансоном (1857—1927), который с его помощью обозначал генетически неоднородную совокупность организмов в отличие от однородной, называемой им «чистой линией».

В дальнейшем этот термин и обозначаемое им понятие приобрели более глубокий смысл. Многие современные ученые характеризуют популяцию не столько как простую совокупность отдельных организмов, сколько как целостную их систему, в которой они непрерывно

взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Благодаря этому они оказываются способными к трансформациям, изменению своего ареала и, самое главное, к развитию.

Популяции представляют собой первый надорганизменный уровень организации живых существ. Хотя он тесно связан с онтогенетическим и молекулярным уровнями, но качественно отличается от них по характеру взаимодействия составляющих компонентов, ибо в этом взаимодействии они выступают как целостные общности организмов. По современным представлениям, именно популяции служат элементарными единицами эволюции.

Второй надорганизменный уровень организации живого составляют различные системы популяций, которые называют биоценозами.

Они являются более обширными объединениями живых существ и в значительно большей мере зависят от небиологических, или абиотических, факторов развития.

Третий надорганизменный уровень организации содержит в качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени характеризуется зависимостью от многочисленных земных и абиотических условий своего существования (географических, климатических, гидрологических, атмосферных и т.п.).

Для его обозначения академик В.Н. Сукачев (1880—1967) ввел термин биогеоценоз.

Четвертый надорганизменный уровень организации возникает из объединения самых разнообразных биогеоценозов и называется биосферой.

Таким образом, в функционировании и развитии живой природы особенно наглядно и убедительно выступает ее целостность и системность, которая проявляется в существовании различных иерархических уровней ее организации. При этом каждый новый уровень характеризуется особыми свойствами и закономерностями, несводимыми к закономерностям прежнего, низшего уровня.

Поскольку основу надорганизменных уровней организации живого составляют популяции, целесообразно остановиться на характеристике их несколько подробнее.

Изучением популяций и биоценозов занимается интенсивно развивающаяся в последние годы отрасль биологической науки, называемая популяционной биологией. Одна из основных проблем, которую она призвана решить, заключается в установлении пространственной структуры и объемов популяций. Определить границу между популяциями чрезвычайно трудно, так как в силу подвижности элементов популяции, т.е. составляющих ее организмов, происходит непрерывное перемешивание популяций. Другая трудность заключается в на-

208

линии внутри популяций различных группировок и даже существовании популяций разных рангов.

В рамках популяционной биологии исследуются также весьма важные проблемы метаболического взаимодействия между популяциями и биоценозами, которые относятся прежде всего к изучению их трофических, или пищевых, связей. Именно на этой основе происходит разграничение популяций и биоценозов. Оно состоит в том, что популяции представляют собой незамкнутые, открытые метаболические системы, которые могут существовать и развиваться только при взаимодействии с другими популяциями. В отличие от них биоценозы — относительно замкнутые метаболические системы, в которых обмен и круговорот веществ может осуществляться в рамках входящих в биоценоз популяций. Однако эта замкнутость имеет ограниченный и относительный характер, хотя бы потому, что разные биоценозы также взаимодействуют.

Для характеристики трофического взаимодействия популяций и биоценозов существенное значение имеет общее правило, согласно которому чем длиннее и сложнее пищевые связи между организмами и популяциями, тем более жизнеспособной и устойчивой является живая система любого надорганизменного уровня. Отсюда становится ясным, что с биологической точки зрения на таком уровне решающее значение приобретает трофический характер взаимодействия составляющих живую систему элементов.

Поскольку популяции, как отмечалось выше, являются элементарными единицами эволюции, то необходимо также рассмотреть и эту их характерную особенность, но мы отложим данный вопрос до освещения общих проблем эволюции. В следующей главе перейдем к анализу биосферного уровня организации живого.

 

Основные понятия и вопросы
Аминокислоты	Мембрана
Белок	Метаболизм
Биоценоз	Молекулярный уровень
Вирус	Мутации
Витализм	Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК)
Генетическая информация	Прокариоты
Геном	Редукционизм
Живая структура	Хиральность
Классификация	Эукариоты
Клетка

1. В чем состоят характерные особенности описательной биологии?

2. Как пытались объяснить процессы жизнедеятельности сторонники механицизма и редукционизма?

3. В чем заключается ошибочность витализма в биологии?

4. Какую роль играют аминокислоты в живом организме?

5. Чем отличается молекулярная структура живых систем от неживых?

6. Что называют молекулярной хиральностыо, и кто открыл ее?

7. Можно ли отнести вирусы к живым организмам?

8. Какую роль играют молекулы ДНК в передаче наследственности и как был расшифрован генетический код?

9. Какой уровень организации живых систем называется онтогенетическим?

 

10. Чем отличаются прокариоты от эукариотов?

11. Какие гипотезы существуют о происхождении эукариотов?

12. Какие основные способы питания существуют в живой природе?

13. Какой уровень организации называется популяционным и чем он отличается от уровня онтогенетического?

14. В чем состоит разница между биоценозами и биогеоценозами?

15. Какое воздействие сложность трофических связей оказывает на устойчивость и жизнеспособность живых систем?

Литература

Основная:

Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М., 1986.

Философия науки. Современные философские проблемы областей научного знания. М., 2005.

Дополнительная:

Глобальный эволюционизм. М., 1994.

Заренков Н.А. Теоретическая биология. М., 1988.

Философия: энциклопедический словарь / Под ред. А.А. Ивина. М., 2004.

14-925

Глава 14

Концепция биосферы и экология

14.1. Эволюция представлений о биосфере В буквальном переводе термин «биосфера» обозначает сферу жизни, и в таком… Первоначально под всеми этими названиями подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей…

Кроме растений и животных он включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

Это воздействие выражается прежде всего в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие новые виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества, как работу единого целого.

По мнению Вернадского, в прошлом не придавали достаточно значения двум важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:

• открытию Л. Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул как отличительной особенностью живых тел, что подробно рассматривалось в предыдущей главе;

• вкладу живых организмов в энергетику биосферы и их влиянию на неживые тела.

В состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т.д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т.п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Не случайно поэтому Вернадский считает, что «живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически сней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение на-

шей планеты, и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний, в свою очередь, жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту ее роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Ю. Майер (1814—1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.

Основное отличие живого вещества от косного заключается в следующем:

1. Изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Вот почему для характеристики изменений в живом веществе пользуются понятием исторического времени, а в косных телах — геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического времени.

2. В ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает Вернадский, проявляется прежде всего в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно.

3. Только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории Ч. Дарвина о происхождении видов путем естественного отбора.

4. Живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней, и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции. Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени вне зависимости от изменения среды.

Для подтверждения своей мысли он ссылается на непрерывный рост центральной нервной системы животных и ее значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. В упрощенной форме эту организованность, по его мнению, можно выразить так: ни одна из точек биосферы «не попадает в то же место, в ту же точку биосферы, в какой она когда-нибудь была раньше. В современных терминах это явление можно описать как необратимость изменений, которые присуши любому процессу эволюции и развития.

Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные биокосные тела: почвы, наземные и подземные воды и т.д. Это подтверждается тем, что почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и тем более нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.

Поскольку эволюция и возникновение новых видов предполагают существование своего начала, постольку закономерно возникает вопрос: а есть ли такое начало у жизни? Если есть, то где его искать — на Земле или в космосе? Может ли возникнуть живое из неживого?

Над этими вопросами на протяжении столетий задумывались многие религиозные деятели, представители искусства, философы и ученые. В.И. Вернадский подробно рассматривает наиболее интересные точки зрения, которые выдвигались выдающимися мыслителями разных эпох, и приходит к выводу, что никакого убедительного ответа на эти вопросы пока не существует. Сам он как ученый вначале придерживался эмпирического подхода к решению указанных вопросов, когда утверждал, что многочисленные попытки обнаружить в древних геологических слоях Земли следы присутствия каких-либо переходных форм жизни не увенчались успехом. Во всяком случае, некоторые останки жизни были обнаружены даже в докембрийских слоях, насчитывающих 600 млн лет. Это, по мнению Вернадского, дает возможность высказать предположение, что жизнь как материя и энергия существует во Вселенной вечно и поэтому не имеет своего начала. Такое заключение основано на том, что следы начального живого вещества до сих пор не обнаружены в земных слоях, но чтобы стать обоснованной гипотезой, оно должно быть согласовано с другими результатами научных исследований, в том числе с существующими естественнонаучными гипотезами, например известной гипотезой происхождения жизни А.И. Опарина. Во всяком случае, здесь нельзя не считаться со взглядами тех натуралистов и философов, которые защищали тезис о возникновении живой материи из неживой. Предположения относительно абиогенного, или неорганического, происхождения жизни делались неоднократно еще в Античную эпоху, например Аристотелем, который допускал возможность возникновения мелких организмов из неорганического вещества. С возникновением экспериментального естествознания и появлением таких наук, как геология, палеонтология и историческая биология, эта точка зрения подверглась критике как не обоснованная эмпирическими фактами. Еще во второй половине XVII в. широкое распространение получил принцип, провозглашенный известным

флорентийским врачом и натуралистом Ф. Реди: все живое возникает из живого. Утверждению этого принципа содействовали исследования знаменитого английского физиолога У. Гарвея (1578—1657), который считал, что всякое животное происходит из яйца, хотя он и допускал возможность возникновения жизни абиогенным путем.

В дальнейшем, по мере проникновения физико-химических методов в биологические исследования, снова и все настойчивее стали выдвигаться гипотезы об абиогенном происхождении жизни. Выше мы уже говорили о химической эволюции как предпосылке предбиотиче-ской, или предбиологической, стадии возникновения жизни. С указанными результатами Вернадский не мог не считаться, и поэтому его взгляды по этим вопросам не оставались неизменными, но, опираясь на почву точно установленных фактов, он не допускал ни божественного вмешательства, ни земного происхождения жизни. По-видимому, здесь на него повлияли взгляды ряда выдающихся ученых, как, например, химика С. Аррениуса, который настойчиво защищал такую точку зрения. Поэтому Вернадский перенес возникновение жизни за пределы Земли, но также допускал возможность ее появлении в биосфере при определенных условиях.

Несмотря на некоторые противоречия, учение Вернадского о биосфере представляет собой новый крупный шаг в понимании не только живой природы, но и ее неразрывной связи с исторической деятельностью человечества.

14.3. Переход от биосферы к ноосфере

Превращение разума и труда человечества в геологическую силу планетного масштаба происходило в рамках биосферы, составной частью которой оно является. В. И. Вернадский в своих исследованиях неизменно подчеркивал, какое огромное воздействие человечество оказывает на расширение жизни путем создания новых культурных видов растений и животных. Опираясь на идеи Вернадского, изложенные в лекциях о биогеохимической основе биосферы, французский математик и философ Э. Леруа (1870—1954) ввел в 1927 г. понятие ноосферы, или сферы разума, для характеристики современной геологической стадии развития биосферы. Его позицию разделял также крупнейший французский палеонтолог и философ П. Тейяр де Шарден (1881— 1955), который в своем труде «Феномен человека» определил ноосферу как одну из стадий эволюции мира. Признавая, что эта стадия, как и сам человек, является результатом тысячелетней истории развития

органического мира, он, однако, считал движущей силой эволюции целеустремленное сознание («ортогенез»).

В отличие от него Вернадский рассматривает возникновение сознания как закономерный результат эволюции биосферы, которое, однажды возникнув, затем начинает оказывать все возрастающее влияние на биосферу благодаря трудовой деятельности человека. Но трудовая деятельность человечества напрямую зависит от развития его сознания и познания, которое находит наивысшее выражение в результатах научной деятельности, направленной на открытие объективных законов окружающего мира.

Ноосфера, указывал он, есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше.

Первоначальные представления о направленности эволюционного процесса в сторону возникновения мыслящих существ и признание геологической роли человечества были свойственны многим ученым и до Вернадского. Так, уже в XVIII в. известный французский естествоиспытатель Ж. Бюффон высказал идею о царстве человека, которая в XIX в. была развита основателем современной геологии Ж.Л. Агассисом (1807—1873). Хотя эти идеи и опирались на признание все возрастающей роли человечества в изменении лика Земли, но не были связаны с принципом направленности эволюции живого вещества биосферы. Этот принцип в качестве эмпирического обобщения выдвинул американский ученый Дж. Дана (1813—1895), который еще до появления труда Дарвина впервые четко заявил, что эволюция живого вещества идет в определенном направлении. Основываясь на своих исследованиях ракообразных и моллюсков, Дана пришел к выводу, что в течение, по крайней мере, двух миллиардов лет происходило усовершенствование и рост центральной нервной системы животных, начиная от ракообразных и кончая человеком. Этот процесс он назвал цефализацией, при которой достигнутый уровень организации нервной системы никогда не снижается. Хотя при этом возможны и остановки, и скачки, но направление эволюции не идет вспять. Ле Конт, основываясь на принципе направленности эволюции, назвал эру, связанную с появлением на Земле человека, психо-зойской. Ближе к нашему времени известный русский геолог А.П. Павлов (1854—1929), оценивая чрезвычайно возросшую роль человечества как мощного геологического фактора, в последние годы жизни настойчиво говорил об антропогенной эре в эволюции

биосферы. Подобных высказываний можно было бы привести много, но, за редкими исключениями, они ограничиваются лишь констатацией разрозненных фактов, не рассматривают их в системе и не дают им теоретического объяснения.

Концепция Вернадского впервые привела все известные эмпирические факты и данные в единую, целостную систему знания, которая убедительно объясняет, какие факторы способствовали переходу от биосферы к ноосфере. Концепция основывается на признании решающей роли человеческой деятельности, труда и, главное, мысли в эволюции биосферы, а через нее в изменениях происходящих на Земле геологических процессов и лика Земли в целом. Важно подчеркнуть, что Вернадский не ограничивался исследованием влияния трудовой, производственной деятельности на процессы, происходящие в биосфере и на земной поверхности. Хорошо сознавая, что труд представляет собой целесообразную деятельность, основанную на мысли и воле, он указывает, что ноосфера, или сфера разума, будет все больше и больше определять не только прогресс общества, но и эволюцию биосферы в целом, а через нее и процессы, совершающиеся на Земле. Недаром он рассматривает мысль как планетное явление.

Эволюционный процесс получает особое геологическое значение благодаря тому, что он создал новую геологическую силу — научную мысль социального человечества... Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние — в ноосферу.

Каким же образом человеческая деятельность влияет на процессы в биосфере, как она способствует ее эволюции? Почему именно эта деятельность придает эволюции биосферы направленный характер?

Прежде всего отметим, что биологическая эволюция присуща лишь живому веществу биосферы, т.е. различным видам растений и животных и, разумеется, человеку в той мере, в какой он развивался до возникновения цивилизации и превращения в Homo sapiens (человека разумного). В дальнейшем, как мы покажем, биологическая эволюция человека переходит в эволюцию социально-культурную.

Эволюция живого вещества биосферы приводит к возникновению новых видов растений и животных, которые, как и остальные виды, неразрывно и непрерывно связаны с окружающей их средой, прежде всего питанием и дыханием как наиболее характерными процессами обмена веществ. Такой обмен приводит к миграции, движению атомов от живого вещества к неживому, в особенности к биогенному, в котором живые элементы объединены с элементами неживыми. Нельзя также забывать, что во время эволюции молекулы и атомы живого вещества не остаются неизменными. А все это во многом меняет

характер взаимодействия живого вещества биосферы не только с ее неживой частью, но и с остальными сферами оболочки Земли.

В период перехода от биосферы к ноосфере на сцену выступает такой мощный геохимический фактор, как постоянно увеличивающееся количество зеленного вещества в биосфере, получаемого посредством расширения посевных площадей и интенсификации земледелия. В результате искусственного отбора новых сортов растений и пород животных значительно ускоряются процессы эволюции, быстрее возникают новые виды. А это, в свою очередь, в еще большей мере способствует ускорению процессов обмена между живым и косным веществом в биосфере.

По-видимому, постепенный переход к ноосфере начался еще сотни тысяч лет назад, когда человек овладел огнем и стал изготовлять первые, весьма несовершенные орудия производства и охоты. Благодаря этому он получил огромное преимущество перед животными, но с геологической точки зрения гораздо более важным был длительный процесс приручения диких стадных животных и создания новых сортов культурных растений. Как известно, именно этот процесс положил начало скотоводству и земледелию, что исторически привело к первому, наиболее значительному разделению общественного труда и систематическому обмену его продуктами между разными племенами.

Человек этим путем, — указывает Вернадский, — стал менять окружающий его мир и создавать для себя новую, не бывшую никогда напланете живую природу. Огромное значение этого проявилось еще и в другом — в том, что он избавился от голода новым путем, лишь в слабой степени известным животным, — сознательным, творческим обеспечением от голода и, следовательно, нашел возможность неограниченного проявления своего размножения».

Что же касается борьбы с животными, то человек одержал в ней победу, по существу, с изобретением огнестрельного оружия, и поэтому теперь он должен предпринимать особые меры, чтобы не допустить истребления всех диких животных. Еще большие усилия необходимы для сохранения самой биосферы в связи с многократно возросшими техногенными нагрузками на нее. Возникает общая для всего человечества глобальная проблема сохранения окружающей среды, ипрежде всего живой природы.

14.4. Современная концепция экологии

О проблемах экологии по-настоящему заговорили в 70-х гг. XX в., когда не только специалисты, но ирядовые граждане почувствова-

ли, какую возрастающую угрозу несет существующему и будущим поколениям техногенная цивилизация. Загрязнение атмосферы, отравление рек и озер, кислотные дожди, все увеличивающиеся отходы производства, в особенности использованных радиоактивных веществ, и многое другое — все это не могло не повлиять на рост интереса широких слоев населения к проблемам экологии. В связи с этим изменился и сам взгляд на предмет экологии. Хотя термин «экология» был введен Э. Геккелем свыше столетия назад и как самостоятельная научная дисциплина она сформировалась еще в 1900 г., тем не менее долгое время экология оставалась чисто биологической дисциплиной. В настоящее время она вышла уже из этих узких рамок и стала, по сути дела, междисциплинарным направлением исследований процессов, связанных с взаимодействием биосферы и общества. Как указывает известный специалист по этим вопросам Ю. Одум, сейчас экология оформилась в принципиально новую интегрированную дисциплину, связывающую физические и биологические явления и образующую мост между естественными и общественными науками.

О связи экологии с общественными и гуманитарными науками свидетельствует появление таких ее разделов, как социальная, медицинская, историческая, этическая экологии.

Более полное представление об экологии, ее задачах и проблемах мы получим, если будем рассматривать структуру и динамику различных экологических систем, а также разные уровни их иерархической организации.

Экологические системы и их структура. К экологическим системам обычно относят все живые системы вместе с их экологической нишей, т.е. окружающей средой, начиная от отдельной популяции и кончая биосферой. Все они являются открытыми системами, которые обмениваются с окружающей природной средой веществом, энергией или информацией. Наименьшей единицей экологии является популяция. Следовательно, ни молекулярный, ни клеточный, ни организменный уровни, о которых шла речь в предыдущей главе, не рассматриваются в экологии, хотя и живая молекула, и клетка, и тем более организм представляют собой открытые системы, которые могут существовать благодаря взаимодействию со средой.

На популяционном уровне, как мы уже отмечали, различают такие сообщества, как биоценозы и биогеоценозы, в которых сообщества живых организмов исследуются не только во взаимодействии между собой, но и в тесной связи с неорганическими условиями своего существования: почвой, микроклиматом, гидрологией местности и т.п.

Еще более крупным системным объединением в экологии считается биом, который включает в свой состав живые системы и неживые факторы на обширной территории, например лиственные породы деревьев на Среднерусской возвышенности.

Наконец, биосфера охватывает, согласно Вернадскому, все живое, биокосное и косное вещество на поверхности нашей планеты. И хотя она в известных пределах функционирует автономно, но в конечном счете может существовать и развиваться только благодаря энергии Солнца и потому является также открытой системой, которую в отличие от других систем называют экосферой.

В экологии наибольшее значение для изучения структуры ее систем приобретает анализ тех трофических, или пищевых, связей, которые соединяют различные популяции друг с другом. Они рассматривались в предыдущей главе, но теперь мы обратимся к более подробной классификации, чтобы выяснить механизм функционирования трофических связей. Как и раньше, будем различать автотроф-ные и гетеротрофные организмы соответственно тому, питаются ли они самостоятельно за счет преобразования неорганической энергии или же поедают другие живые организмы. Поэтому в экосистеме можно выделить два уровня:

• на верхнем, автотрофном уровне, который называют также зеленым поясом, мы встречаемся с растениями, содержащими хлорофилл и перерабатывающими солнечную энергию и простые неорганические вещества в сложные органические соединения;

• на нижнем, гетеротрофном уровне происходит преобразование и разложение этих органических соединений в простые, неорганические.

Таким образом, в механизме трофических связей можно выделить следующие элементы:

• продуценты автотрофных организмов, главным образом зеленых
растений, которые могут производить пищу из простых, неорганиче
ских веществ;

• фаготрофы, гетеротрофные животные, к которым принадлежат животные, питающиеся другими живыми организмами, растительными и животными;

• сапротрофы, организмы, которые получают энергию путем раз
ложения мертвых тканей или растворенного органического вещества.

В связи с этим гетеротрофные организмы разделяют на биофагов, поедающих живые организмы, и сапрофагов, питающихся мертвыми тканями.

Одна из характерных черт всех экосистем состоит в том, что в них происходит постоянное взаимодействие автотрофных и гетеротроф-

ных подсистем организмов. Такое взаимодействие приводит к круговороту вещества в природе, несмотря на то что иногда организмы разделены в пространстве. Автотрофные процессы наиболее интенсивно протекают на зеленом ярусе системы, где растениям доступен солнечный свет, а на нижнем ярусе усиленно протекают гетеротрофные процессы. Причем значительный временной разрыв между производством органического вещества автотрофами и его использованием приводит к его накоплению. Именно благодаря такому временному разрыву на нашей планете образовались огромные запасы ископаемого топлива, которые до сих пор служат важнейшим источником энергии для человечества.

Взаимодействия частей и целого в экологических системах могут исследоваться двумя путями. С одной стороны, изучением свойств частей и экстраполяцией их на свойства целого. Такое сведение свойств целого к сумме свойств его частей представляет собой типичный случай редукционизма и потому сталкивается с немалыми трудностями. С другой стороны, признание специфичности свойств целого, несводимости их к свойствам частей открывает значительные перспективы для исследования и получения эффективных новых результатов. Обычно в конкретных исследованиях системный метод изучения становится совершенно необходимым в тех случаях, когда части целого настолько тесно связаны между собой, что их трудно отделить друг от друга и посредством такого приема получить знание о свойствах системы в целом. В противоположность этому суммативный метод используется тогда, когда отдельные части совокупности могут изучаться относительно независимо друг от друга и поэтому свойства целого можно выявить путем суммирования свойств частей. Отсюда становится ясным, что каждый из этих методов следует применять в зависимости от конкретных условий исследования. Следовательно, они не исключают, а предполагают и дополняют друг друга.

Суммативный подход часто оказывается целесообразным при проведении экспериментов с экологическими совокупностями, когда исследуют, например, воздействие различных внешних факторов на систему. Системный подход нередко используется при построении теоретических моделей, когда необходимо выяснить взаимодействие различных частей экосистемы.

Теоретическое моделирование представляет собой абстрактное выражение реальных процессов, происходящих в природе. Оно может осуществляться с помощью соответствующих понятий и величин, характеризующих поведение и развитие экосистем. Нередко для большей ясности и наглядности в этих же целях используются графические мо-

дели. Поскольку важной целью моделирования является предсказание поведения системы в различных условиях и в разные периоды времени, постольку в последние годы в экологии стали чаще прибегать к построению математических моделей, начиная от простейших, типа так называемого черного ящика, и кончая сложнейшими, в которых учитывается действие большого числа переменных. Для их расчета используются мощные компьютеры и другая вычислительная техника.

Взаимодействие экосистемы и окружающей ее среды. В биологических исследованиях, в особенности в классической теории эволюции, обычно делается упор на изучение воздействия окружающей среды на живые организмы и их системы. Именно под таким углом зрения рассматривается действие различных факторов на эволюцию. Однако живые системы отнюдь не являются пассивными в этом взаимодействии. Они, в свою очередь, оказывают мощное воздействие на окружающую их среду.

В наибольшей степени такое воздействие можно проследить на примере больших экосистем. Именно на подобного рода факты опирается известная гипотеза Геи-Земли, которая упоминалась в гл. 12. Она предлагает совершенно иной подход к причинам и факторам становления жизни на нашей планете. Если традиционно допускают, что жизнь на Земле появилась после того, как возникла атмосфера со значительным содержанием в ней кислорода, то гипотеза Геи-Земли предлагает другой подход. Она считает, что образование кислорода и атмосферы в целом обязано воздействию тех простейших живых организмов, которые в анаэробных условиях, т.е. при существовании без кислорода, стали выделять в окружающее пространство кислород. Свое предположение авторы гипотезы подтверждают ссылкой на то, что на близких к Земле планетах Марсе и Венере их атмосфера состоит соответственно на 95 и 98% из углекислого газа, а кислорода в атмосфере Марса 0,13%, в атмосфере Венеры замечены лишь его следы. Примерно такая же картина наблюдалась бы на безжизненной Земле. Конечно, гипотеза Геи-Земли нуждается в дальнейшей разработке и обосновании, но она опирается на важную и в целом признаваемую многими учеными идею, что жизнь обеспечивает условия для своего дальнейшего существования и развития. Эта идея отнюдь не является чистым умозрением, а подтверждается многочисленными фактами из истории развития органического мира.

Поскольку экосистема — система открытая, то она не может не взаимодействовать со своим окружением и тем самым не влиять на него. Только постоянное и непрерывное взаимодействие со средой поддерживает жизненные процессы в любой экосистеме. В результа-

те такого взаимодействия осуществляется постоянный обмен энергией и веществом между экосистемой и средой, что выражается:

во-первых, в усвоении системой абиотических, или неорганических, факторов среды (солнечная энергия, вода, минеральные вещества и т.п.);

во-вторых, биотических, или органических, факторов посредством тех трофических, или пищевых, связей, которые существуют между разными живыми системами.

Функционирование и эволюция экосистем зависит не только от круговорота вещества и энергии, существующего в природе. Чтобы выжить, а тем более развиваться, экосистемы должны соответствующим образом регулировать свою деятельность и управляться, а это требует установления информационных связей между различными подсистемами и элементами системы.

Информация и управление в экосистемах. Управление и регулирование в экосистемах осуществляется с помощью физических и химических элементов. Такие управляющие системы по своему функциональному назначению можно рассматривать как кибернетические. Однако в отличие от искусственных систем, созданных человеком, в природных экосистемах элементы управления рассредоточены внутри самой системы.

Согласно кибернетическим принципам, всякий процесс управления связан с передачей и преобразованием информации. Для устойчивого динамического функционирования системы необходимо наличие, во-первых, прямых сигналов, несущих информацию от управляющего к исполнительному устройству, во-вторых, обратных сигналов, которые информируют управляющее устройство об исполнении команд. Получив такие сигналы, управляющее устройство отдает команду о корректировке системы, если ее положение отклоняется от заданного или установленного. Именно таким способом осуществляется автоматическое регулирование не только в кибернетических системах, но и в живых организмах. Принцип такого динамического равновесия был сформулирован американским физиологом У. Кенноном (1871—1945) в виде принципа гомеостаза, согласно которому все важнейшие параметры организма (температура тела, частота пульса и дыхания, состав крови и кровяное давление и др.) поддерживаются на постоянном уровне благодаря обратным сигналам, поступающим из органов в головной мозг.

Кибернетика обобщила это положение в виде принципа отрицательной обратной связи. Нетрудно понять, что указанный принцип объясняет лишь процесс достижения и сохранения динамического

равновесия в любой системе, но для того чтобы понять, как происходит эволюция и развитие систем, необходимо признать возникновение изменений в состоянии и структуре систем. А для этого следует ввести принцип положительной обратной связи, согласно которому непрерывные воздействия на систему, постепенно накапливаясь, приводят к разрушению прежних связей между ее частями и возникновению новой ее структуры. В экосистемах живой природы действие этих принципов приобретает более сложный характер, поскольку, как мы отмечали, регулирующие центры в них распределены внутри всей системы, а наличие избыточности, когда одна и та же функция выполняется несколькими компонентами, обеспечивает необходимую стабильность системы. Эта стабильность зависит от множества условий, но определяющие среди них — степень сопротивления внешней среды и эффективность работы управляющих механизмов самой системы.

Для более конкретной характеристики стабильности экосистем обычно вводят понятие резистентной устойчивости, которая определяется как способность системы сопротивляться внешним нагрузкам и оставаться при этом устойчивой. Понятие упругой устойчивости характеризует способность системы быстро восстанавливать свою устойчивость. При благоприятных условиях внешней среды экосистемы обычно повышают свою сопротивляемость усложнением внутренней структуры. Внезапные и случайные изменения внешней среды (например, штормы) могут резко снизить устойчивость экосистемы и даже разрушить ее. Таким образом, тесная взаимосвязь и взаимодействие живых организмов и окружающей среды представляют собой характерную особенность всех экосистем. Хотя отдельный организм, будучи открытой системой, также взаимодействует с окружением, тем не менее взаимодействие экосистемы со средой имеет более эффективный и устойчивый характер. Эта особенность экосистем проявляется прежде всего в достижении большей стабильности их функционирования и развития в сравнении с отдельными организмами в результате установления информационных связей между отдельными организмами в рамках системы, возникновения иерархических отношений между отдельными ее подсистемами, которые приводят к усложнению ее структуры. В связи с этим еще раз следует подчеркнуть, что любая экосистема, начиная от популяции и кончая экосферой, представляет собой надорганизменный уровень существования живого в природе, качественно отличающийся от отдельного организма. Именно в результате объединения отдельных организмов в границах целого, их взаимодействия друг с другом экосистема приобретает новые, системные свойства, которые отсутствуют у отдельных

организмов. Соответственно этому меняются и различные связи экосистемы с окружающей средой. Наиболее важными и, по существу, решающими являются энергетические связи.

Энергетическая характеристика экосистем. Если проследить процессы превращения и получения энергии в экосистемах, то нельзя не прийти к тому выводу, который сделал упоминавшийся выше Майер, утверждавший, что жизнь есть создание солнечного луча. Действительно, лучистая энергия Солнца посредством фотохимического синтеза сначала преобразуется зелеными растениями в органические соединения, которые впоследствии служат пищей для растительноядных животных, а последние, в свою очередь, пищей для других животных.

В экосистемах происходит постоянное преобразование рассеянной в пространстве солнечной энергии в более концентрированные ее формы сначала автотрофными растениями, а затем гетеротрофными животными и человеком. При этом на каждой стадии превращения энергии происходит также ее диссипация, или рассеяние, в окружающее пространство. Для характеристики этих процессов нам необходимо привлечь законы термодинамики, с которыми мы уже знакомы, но их необходимо конкретизировать применительно к экосистемам.

Закон сохранения энергии полностью применим и к экологическим системам, ибо никогда не наблюдались случаи создания энергии из ничего. Энергия может лишь превращаться из одной формы в другую, но она никогда и никуда не исчезает.

Второй закон термодинамики, который в физике обычно формулируют с помощью понятия энтропии, в экологии предпочитают выражать посредством утверждения о преобразовании концентрированной энергии в рассеянную энергию. Процесс концентрации рассеянной солнечной энергии происходит, как уже отмечалось выше, в различных живых системах и охватывает длительный период времени. Полученная концентрированная энергия может быть в дальнейшем использована в экосистемах в виде пищи, а в технике — как ископаемое топливо. В обоих случаях будет происходить преобразование концентрированной энергии в рассеянную энергию.

Какую энергию можно считать концентрированной?

С экологической точки зрения такая энергия по способу своего получения будет тем больше концентрированной, чем дальше отстоит источник ее получения, например пища, от начала превращения рассеянной солнечной энергии, т.е. от автотрофных организмов, а именно зеленых растений и микроорганизмов.

В физических терминах концентрированную энергию можно определить как обладающую низкой степенью энтропии, т.е. характери-

15-925

зующуюся меньшей степенью беспорядка. Ведь в результате концентрации энергии происходит выведение беспорядка из системы во внешнюю среду. Поэтому если беспорядок в системе уменьшается, то во внешней среде он увеличивается.

В отличие от концентрации рассеяние энергии сопровождается возрастанием беспорядка в системе. Если система останется закрытой, то она окажется полностью дезорганизованной, т.е. придет в состояние максимального беспорядка, соответствующего установлению теплового равновесия в системе.

Таким образом, с энергетической точки зрения системы могут описываться не только количественно, но и качественно, причем высококачественными будут считаться наиболее концентрированные формы энергии, которые могут обладать более высоким рабочим потенциалом, т.е. возможностью произвести соответствующую работу. Например, ископаемое топливо обладает большим рабочим потенциалом, чем рассеянная солнечная энергия. Аналогично этому животная пища является более качественной, чем растительная. Опосредованно качество используемой энергии определяется химической структурой ее источника.

Все приведенные выше рассуждения показывают, что при энергетическом подходе задача экологии, по сути дела, сводится к изучению связи между рассеянным солнечным излучением и экосистемами, а также процессами последовательного превращения менее концентрированных форм энергии в более концентрированные.

Поскольку материальное производство общества существенным образом зависит от использования энергии, постольку представляется целесообразным провести классификацию экосистем с точки зрения использования их энергии в интересах развития общества, и прежде всего его производительных сил. На этой основе можно выделить четыре фундаментальных типа экосистем:

1. Природные системы, полностью зависящие от энергии солнечного излучения, которые можно назвать системами, движимыми Солнцем. Несмотря на то что такие системы не в состоянии поддерживать самостоятельное энергетическое существование живых организмов, они, тем не менее, важны для сохранения необходимых экологических условий на планете. Следует также отметить, что такие природные системы занимают огромную площадь на земной поверхности. Ведь только одни океаны покрывают 70% этой поверхности.

2. Природные системы, движимые Солнцем, а также получающие энергию из других природных источников, к которым относятся прибрежные участки морей и океанов, большие тропические леса и неко-

торые другие экосистемы. Кроме солнечной энергии такие системы функционируют за счет энергии морских прибоев, приливов, глубоководных течений, рек, дождей, ветра и т.п.

3. Природные системы, движимые Солнцем и получающие энергию от ископаемого топлива (нефть, уголь, древесина и др.). Исторически такие смешанные естественные и искусственные экосистемы впервые возникли в сельском хозяйстве для возделывания культурных растений и улучшения пород домашних животных. Сначала там применялась мышечная сила человека и животных, а впоследствии и энергия машин, работающих на ископаемом топливе.

4. Современные индустриально-городские системы, которые используют главным образом энергию ископаемых горючих, преимущественно нефти, угля, газа, а также радиоактивных веществ для получения атомной энергии. В этих системах производится основное богатство страны в виде разнообразных промышленных товаров, а также переработка пищевых продуктов для питания большого количества населения, сконцентрированного в городах и индустриальных центрах. Сырье для такой переработки они получают из сельскохозяйственных экосистем. Энергетическая зависимость индустриальных центров от Солнца минимальна, так как энергоносители они получают от добывающей промышленности, а продукты питания от сельского хозяйства.

Интенсивный рост промышленности в развитых странах сопровождается все возрастающим потреблением энергии и одновременно все увеличивающимися отходами производства. Загрязнение атмосферного воздуха, отравление водных источников, накопление радиоактивных отходов — неизбежные спутники жизни в крупных индустриальных центрах. Хищническая эксплуатация быстро сокращающихся запасов ископаемого топлива, погоня за прибылью любой ценой и особенно за счет нарушения экологического баланса в окружающей среде — все это с особой остротой выдвигает перед человечеством, и прежде всего перед промышленно развитыми странами, глобальную экологическую проблему сохранения динамического равновесия биосферы и нормального жизнеобеспечения людей. Поскольку сейчас наша цивилизация находится в процессе перехода от биосферы к ноосфере, когда разум становится определяющей силой общества, то вполне естественно задуматься над глобальной стратегией и перспективами дальнейшего развития мира. Хотя строить прогнозы всегда рискованно, тем не менее они необходимы для того, чтобы наметить основные направления, по которым с определенной степенью вероятности можно эффективно подготовиться к встрече будущего.

15-

Недостатка в таких прогнозах и сценариях будущего развития не ощущается. Одни из них имеют оптимистический характер и делают ставку главным образом на то, что новая технология будет принципиально отличаться от современной, станет безотходной, менее энергоемкой и более совершенной по другим параметрам. Другие считают, что при установившейся тенденции развития никакая технология не спасет общество, если люди будут непрерывно увеличивать потребление, предприниматели добиваться получения максимальной прибыли, а промышленно развитые страны неизменно стремиться к экономическому росту. Выход из надвигающегося экологического кризиса многие видят в радикальном изменении сознания людей, их нравственности, в отказе от взгляда на природу как объект бездумной эксплуатации ее человеком. Однако одного изменения и совершенствования взглядов и нравственности людей явно недостаточно для выхода из экологического кризиса и решения экологических проблем в будущем. Для этого необходимо прежде всего, чтобы общество в своей экономической деятельности учитывало не только непосредственные материальные и трудовые ресурсы, затрачиваемые на производство товаров и услуг, но и тот вред, который наносится окружающей среде в результате такого производства. Все признают, что рыночная экономика пока еще не научилась это делать. Очевидно, что экономия энергоносителей и других, быстро уменьшающихся запасов сырья, создание малоотходной и безотходной технологии, поиски и использование альтернативных источников энергии — все это во многом сможет помочь решению экологической проблемы и, по крайней мере, ослабить ее остроту.

В этой связи заслуживает особого внимания инициатива ученых и общественных деятелей, объединившихся в рамках Римского клуба, участники которого собрались в 1968 г. для обсуждения актуальных глобальных проблем человечества. Первый же доклад, «Пределы роста», представленный американскими учеными Д. и Д. Медоузами в 1972 г., вызвал сильнейший шок среди многих политических деятелей и представителей общественности. Основываясь на фактических данных и тенденциях экономического, технического и социального развития, авторы построили компьютерную модель современного общества, в которой были учтены связи между различными подсистемами общества и воздействие на них разных факторов роста. Они показали, что если потребление ресурсов и промышленный рост вместе с увеличением численности населения будут продолжаться прежними темпами, то будет достигнут «предел роста», за которым неизбежно последует катастрофа. Хотя многие специалисты критиковали доклад за то,

что в нем не учитываются усилия общества по совершенствованию технологии, поискам новых источников энергии и сырья и т.д., но все вынуждены были признать, что в нем содержится обоснованная тревога за будущее человечества.

Во втором докладе, «Человечество на перепутье», представленном М. Месаровичем и Э. Пестелем, преодолены некоторые недостатки первого и намечены перспективы развития не столько мирового сообщества, сколько отдельных его регионов. Такой подход учитывает конкретные особенности и условия роста отдельных регионов мира, и поэтому он лучше подходит для решения экологических, энергетических, сырьевых и других глобальных проблем. В последующих докладах обсуждались более конкретные проблемы, касающиеся отношений со слаборазвитыми странами, переработки отходов, использования энергии и др.

Деятельность Римского клуба привлекла внимание широкой публики к актуальным глобальным проблемам современности, в частности к такой жизненно важной для всего человечества проблеме, как сохранение окружающей природной среды. Участники клуба наметили также возможные пути решения проблем, однако мало преуспели в том, чтобы убедить общество следовать их советам и сделать конкретные усилия по реализации выдвинутых ими программ и рекомендаций.

 

Основные понятия и вопросы
Атмосфера	Косное вещество
Биокосное вещество	Ноосфера
Биосфера	Принцип Реди
Гидросфера	Рассеяние энергии
Гомеостаз	Римский клуб
Живое вещество	Трофические связи
Концентрация энергии	Экосистемы

1. Что включает В.И. Вернадский в понятие биосферы?

2. Какие элементы называются в биосфере биогенными и косными?

3. Как осуществлялся переход от биосферы к ноосфере?

4. Почему В.И. Вернадский сравнивает деятельность разума человека с геологической силой?

5. Что изучает экология?

6. Что служит наименьшей единицей в экологии?

7. Каковы основные трофические (пищевые) связи в экологических системах?

8. Почему солнечная энергия служит источником функционирования и развития экосистем?

9. Какую энергию в экологии считают концентрированной и рассеянной?
10. Как связана деятельность общества с функционированием экологических

систем?

Литература

Основная:

Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. М., 1989. Одум Ю. Экология: В 2 т. ML, 1986. Т. 1. Гл. 1-2.

Философия науки. Современные философские проблемы областей научного знания. М., 2005.

Дополнительная:

Вернадский В.И. Начало и вечность жизни. М., 1989.

Красилов В.А. Охрана природы: принципы, проблемы, приоритеты. М., 1992.

Моисеев Н.Н. Человек и биосфера. М., 1990.

Философия: энциклопедический словарь / Под ред. А.А. Ивина. М., 2004.

Глава 15

Концепция эволюции в биологии

В этой главе мы познакомимся с основными идеями как классической эволюционной теории Дарвина, так и неклассических теорий, в которых были обобщены… 15.1. Предшественники эволюционного учения Идеи о постепенном и непрерывном изменении всех видов растений и животных высказывались задолго до Ч. Дарвина многими…

Первый принцип постулирует, что изменчивость является неотъемлемым свойством живого.

Дарвин различает два типа изменчивости. К первому типу, который называется индивидуальной или неопределенной изменчивостью, он относит ту, которая… 234 скольку ей подвержены те группы организмов, которые оказываются под воздействием определенного фактора внешней среды.…

Второй принцип теории Дарвина заключается в раскрытии внутреннего противоречия в развитии живой природы. Оно состоит в том, что, с одной стороны, все виды организмов имеют тенденцию к размножению в геометрической прогрессии, а с другой — выживают и достигают зрелости лишь в арифметической прогрессии, т.е. небольшая часть потомства.

Достаточно отметить, что многие растения дают десятки и сотни тысяч семян, а рыбы выметывают от нескольких сот до нескольких миллионов икринок. В этих условиях как раз и развертывается борьба за выживание, которую чаше всего называют борьбой за существование. Однако, как подчеркивает Дарвин, термин «борьба за существование» представляет собой метафорическое выражение, с помощью которого характеризуются различные отношения между организмами.

Она охватывает как сотрудничество внутри одного вида в борьбе против другого, так и конкуренцию между ними (в добывании пищи, занятии лучшего места обитания, за лидерство в группе и т.п.). Соответственно этому различают межвидовую и внутривидовую борьбу, причем наиболее ожесточенная борьба возникает между сходными организмами, поскольку именно они имеют одинаковые потребности.

Третий принцип обычно называют принципом естественного отбора, который играет фундаментальную роль в теории эволюции не только Дарвина, но и большинства теорий, появившихся позднее.

С его помощью удалось удовлетворительно объяснить, почему из громадного потомства живых организмов выживает и достигает зрелости лишь небольшое число особей.

Дарвин выдвинул гипотезу общего характера, согласно которой в природе существует особый механизм отбора, который приводит к избирательному уничтожению организмов, оказавшихся неприспособленными к существующим или изменившимся условиям окружающей среды. Эти результаты, указывает он, представляют собой следствия одного общего закона, обусловливающего прогресс всех органических существ, именно — размножения, изменения, выживания наиболее сильных и гибели наиболее слабых.

Разрабатывая свое учение об эволюции и естественном отборе, Дарвин обращает внимание на такие его характерные особенности, как постепенность и медленность процесса изменений и способность суммировать эти изменения в крупные, решающие, которые в конечном итоге приводят к формированию новых видов. Иногда в нашей

отечественной литературе, особенно философской, высказывалось мнение, что теория Дарвина не подчеркивает решающей роли коренных, качественных изменений в развитии органического мира, и даже обвиняли ее в «плоском эволюционизме». На самом же деле Дарвину важно было, в противовес сторонникам идеи катастрофизма в духе Кювье, обратить внимание на постепенный характер изменений в биологии.

В связи с этим он писал:

Выражаясь метафорически, можно сказать, что естественный отбор ежедневно и ежечасно расследует по всему свету мельчайшие изменения, отбрасывая дурные, сохраняя и слагая хорошие, работая неслышно и невидимо, где бы и когда бы ни представился к тому случай, над усовершенствованием каждого органического существа в связи с условиями его жизни, органическими и неорганическими».

Самым слабым местом в учении Дарвина были представления о наследственности, которые подверглись серьезной критике его противниками. Действительно, если эволюция связана со случайным появлением полезных изменений и наследственной передачей приобретенных признаков потомству, то в течение ряда поколений случайно возникшие полезные изменения, как уже отмечалось в гл. 14, должны постепенно ослабнуть, а затем и вовсе исчезнуть.

Сам Дарвин вынужден был признать эту критику весьма убедительной, поскольку при тогдашних представлениях о наследственности ее невозможно было опровергнуть. Вот почему в последние годы жизни он стал все больше подчеркивать воздействие на процесс эволюции направленных групповых изменений, происходящих под влиянием определенных факторов внешней среды. Нетрудно понять, что такое изменение взглядов означает, по сути дела, признание правильности позиции Ж.Б. Ламарка, согласно которому эволюция происходит под управляющим воздействием внешней среды, которая заставляет организмы изменяться в определенном направлении. Но тогда исчезает необходимость устранения неприспособленных особей, а тем самым и основного принципа дарвиновской теории эволюции — естественного отбора. Между тем реальные факты свидетельствовали, что такой отбор происходит повсеместно, хотя действие принципа отбора в передаче наследственных признаков было обосновано недостаточно убедительно. В дальнейшем были выявлены и некоторые другие недостатки теории Дарвина, касающиеся основных причин ифакторов органической эволюции. Стало очевидным, что эта теория нуждалась в дальнейшей разработке и обосновании с учетом последующих достижений всех биологических дисциплин.

15.3. Основные факторы и движущие силы эволюции

Дарвин и его последователи к основным факторам эволюции относили изменчивость, наследственность и естественный отбор, связанный с борьбой за существование. В настоящее время к ним добавляют множество других дополнительных факторов, которые, не являясь основными, тем не менее оказывают влияние на эволюционный процесс. Сами основные факторы теперь также понимаются по-новому. К ведущим факторам эволюции теперь относят мутационные процессы, по-пуляционные волны численности особей и их изоляцию.

Прежде чем перейти к их характеристике, заметим, что трудности, с которыми встретился Дарвин при объяснении наследственной передачи полезных признаков потомству, легко преодолеваются уже с помощью тех эмпирических законов наследственности, которые установил еще австрийский ученый Г. Мендель (1822—1884). Действительно, один из его законов утверждает, что отдельные наследственные признаки родителей при скрещивании не сливаются, а передаются потомству в первоначальном виде. Поэтому никакого «растворения» наследственного вещества, о котором говорили критики Дарвина, на самом деле не происходит. Дальнейшее развитие эти идеи получили в современной теории генетики при интерпретации процессов изменения и наследственности.

Важнейшим из них является мутационный процесс, что следует из признания того неоспоримого теперь факта, что основную массу эволюционного материала составляют различные формы мутаций, т.е. изменения наследственных свойств организмов, возникающие естественным путем или вызванные искусственными средствами.

Мутации являются теми наследственными изменениями, которые либо отдельно, либо совместно определяют изменения свойств, признаков, особенностей или норм реакции организмов. В своей совокупности они представляют то, что Дарвин называл индивидуальной или неопределенной изменчивостью. Факторы, которые вызывают мутации, называют мутагенами. К ним относятся космические, рентгеновские, радиоактивные лучи и вредные химические вещества, а также вирусы. Они вызывают изменения и перестройку генетического материала.

Поскольку мутации возникают случайно, постольку их результат действительно является неопределенным. Однако случайное изменение становится необходимым, когда оно оказывается полезным для организма, помогает ему выжить в борьбе за существование. Закрепляясь и повторяясь в ряде поколений, такие случайные изменения вызывают перестройку в структуре живых организмов и их популяций и таким

образом приводят к возникновению новых видов. Хотя мутации — главные поставщики эволюционного материала, но они относятся к изменениям случайным, подчиняющимся вероятностным, или статистическим, законам. Поэтому они не могут служить направляющей силой эволюционного процесса. Тем не менее некоторые ученые рассматривают мутационный процесс в качестве определяющей силы эволюции, но забывают, что в таком случае приходится признать изначальную полезность и пригодность всех возникающих случайных изменений, что противоречит наблюдениям в живой природе и практике селекции. В действительности, кроме отбора — естественного или искусственного, — не существует никакого другого средства регулирования наследственной изменчивости. Только случайные изменения, оказавшиеся полезными в определенных условиях окружающей среды, отбираются в естественной природе или искусственно человеком для дальнейшей эволюции.

Вторым основным фактором эволюции служат популяционные волны, которые часто называют «волнами жизни». Они определяют количественные флуктуации, или отклонения, от среднего значения численности организмов в популяции, а также области ее расположения(ареала).

Установлено, что малочисленные и многочисленные популяции не являются благоприятными для эволюции и возникновения новых форм живых организмов. В больших популяциях новым наследственным изменениям гораздо труднее проявиться, а в малочисленных такие изменения подвержены воздействию случайных процессов. Поэтому наиболее подходящими для эволюции и возникновения новых видов оказываются популяции средних размеров, в которых постоянно происходит изменение численности особей.

В качестве третьего основного фактора эволюции признается обособленность группы организмов.

(непреодолимая водная среда, болота, высокие горы и т.п.), экологические условия (предпочтения в выборе экологической ниши или места обитания,… К указанным основным факторам эволюции часто добавляют частоту смены поколений… Самое же главное заключается в том, что хотя все факторы эволюции и являются необходимыми ее предпосылками, но сами по…

Глава 16

Концепция человека в естествознании

Трудовая деятельность, так же как и речь, сознание и мышление являются отнюдь не биологическими, а социальными характеристиками человека, которые он… 16.1. Биологические предпосылки возникновения человека Научное исследование происхождения человека стало возможным только после появления эволюционной теории возникновения…

Трудовая теория антропогенеза

Одним из авторов трудовой теории антропогенеза является Ф. Энгельс, который в своей статье «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека»1 подчеркнул решающую роль труда не только в изготовлении… Начало использования природных вещей в качестве орудий труда и особенно их производство долгое время связывали с…

17-

Глава 17

Концепция самоорганизации и синергетика

Основоположники синергетики рассматривают ее как новое междисциплинарное направление исследований, как учение о сложноорганизованных системах. Г.… В настоящее время синергетика стала парадигмой исследования… В этой главе мы рассмотрим, как изменились традиционные и классические научные представления о сложноорганизованных…

Средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды.

Взаимодействуя со средой, открытая система не может оставаться замкнутой, ибо она вынуждена заимствовать извне либо новое вещество, либо свежую энергию и одновременно выводить в окружающую среду использованное вещество и отработанную энергию, т.е. то, что в термодинамике характеризуют термином «энтропия». В открытых системах эта энтропия, характеризующая степень беспорядка в системе, не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Это означает, что использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая, свежая энергия, способная производить полезную работу.

Отсюда становится ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывает Шрёдингер, извлекает порядок из окружающей среды и вместе с тем вносит в нее беспорядок. Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете, прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, со временем разрушается. Между элементами системы возникают кооперативные процессы, которые приводят к коллективному поведению элементов системы. Именно кооперативные процессы ведут к возникновению новых динамических структур. Так

схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах.

Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера, с помощью которого можно получать мощные оптические излучения. Не вдаваясь в детали его функционирования, отметим, что хаотические колебательные движения составляющих его частиц, скажем газа, приводятся в согласованное коллективное движение благодаря поступлению энергии извне, например электрическому разряду. Частицы газа начинают колебаться в одинаковой фазе, и вследствие интерференции мощность лазерного излучения многократно увеличивается. Этот пример свидетельствует о том, что в результате взаимодействия системы со средой за счет поступления дополнительной энергии прежние флуктуации, или случайные колебания, ее элементов превращаются в когерентное, согласованное коллективное движение. На этой основе возникают кооперативные процессы, и в результате происходит самоорганизация системы.

Другим примером может служить самоорганизация, которая возникает в химических реакциях. В них она связана с поступлением извне новых химических реагентов, т.е. веществ, обеспечивающих продолжение реакции, с одной стороны, и удаление в окружающую среду продуктов реакции — с другой. Самоорганизация обнаруживается здесь в появлении на поверхности раствора концентрических волн или в периодическом изменении цвета раствора. Например, раствор может строго периодически менять свою окраску с синего цвета на красный и обратно — явление, которое впоследствии было названо «химическими часами». Эти реакции впервые экспериментально были изучены нашими отечественными учеными Б.П. Белоусовым и А.М. Жаботинским.

На экспериментальной основе российских исследователей бельгийскими учеными во главе с И.Р. Пригожиным, русским по происхождению (1917—2003), была построена, как мы уже указывали выше, теоретическая модель, названная брюсселятором. Эта модель легла в основу исследований неравновесной термодинамики. Как отмечает Пригожин, переход от термодинамики (правильнее термостатики) равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов, несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей науки.

Отличительная черта моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации, состоит в том, что для их описания используются нелинейные математические уравнения, в которые входят переменные в степени выше первой (линейной). Хотя линейные уравнения и до сих пор часто применяются в физике и точном естест-

вознании в целом, они оказываются неадекватными при описании открытых систем или же рассмотрении весьма интенсивных сил воздействия на системы. Именно с подобными нелинейными системами и процессами имеет дело новая термодинамика, и поэтому ее нередко называют нелинейной.

Открытие самоорганизации в простейших системах неорганической природы, прежде всего в физике и химии, имеет огромное научное и философско-мировоззренческое значение. С позиции самоорганизации становится ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые служат основой любой эволюции.

Как же объясняет современная наука, в частности синергетика, процесс самоорганизации систем?

1. Для этого система должна быть открытой, потому что закрытая, изолированная система, в соответствии со вторым законом термодинамики, в конечном счете должна прийти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком, или дезорганизацией.

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому неспособна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум ее дезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и в конце концов тоже попадет в эту точку и придет в состояние полной дезорганизации.

 

3. Если упорядочивающим принципом для закрытых, изолированных систем является эволюция в сторону увеличения энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах, благодаря усилению их неравновесности, эти отклонения со временем возрастают и приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового порядка. В этом выводе можно найти связь с гениальной догадкой античных философов Эпикура (341—270 до н.э.) и Лукреция Кара (99—45 до н.э.), которые допускали случайность для объяснения возникновения нового в развитии мира.

4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равнове-

сия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип — положительной обратной связи. Функционирование различных технических регуляторов и автоматов основывается на принципе отрицательной обратной связи, т.е. получении обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировки этого положения управляющими устройствами. Для понимания самоорганизации следует обратиться к принципу положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а, напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Мы уже знаем, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых симметрии и структур.

6. Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Мы перечислили необходимые, но далеко не достаточные условия для возникновения самоорганизации в системах разной конкретной природы. Даже в химических самоорганизующихся системах, которые изучали Белоусов и Жаботинский, в «игру» вступают такие новые факторы, как процессы катализа, автокатализа и кросс-катализа, которые ускоряют химические реакции. Отсюда можно сделать вывод, что чем выше мы поднимаемся по эволюционной лестнице развития систем, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, которые играют роль в самоорганизации.

17.3. Синергетический анализ сложноорганизованных систем

Если редукционизм и атомизм классической физики основываются на редукции, или сведении сложных явлений к простым явлениям, то синергетика стремится понять связь и взаимодействие сложных явлений. Поэтому она рассматривает, например, изменения, которые про-

исходят на макроскопическом, наблюдаемом уровне, как результат взаимодействия огромного числа элементов и частиц системы на ненаблюдаемом микроуровне.

Чтобы пояснить механизм такого взаимодействия приведем простейший пример образования шестиугольных ячеек, которые впервые наблюдал французский физик Ш. Бенар на поверхности подогреваемой жидкости. Если разница температуры жидкости между нижней частью и верхней поверхностью будет ниже некоторого критического значения , т. е. когда , тогда нагревание жидкости будет происходить путем теплопроводности, и оно не отразится внешне на ее поведении. Но как только эта разница превысит критическое значение, спонтанно возникнет конвекция, и огромное число частиц, как по команде, начнут участвовать в этом движении. Результатом такого процесса будет образование гексагональных ячеек на поверхности жидкости.

Классическая термодинамика равновесных систем не могла объяснить это явление, ибо оно не укладывалось в рамки предстаыений о замкнутых, изолированных системах. Поэтому оно долгое время оставалось непонятным, и на него обратили внимание только с возникновением неравновесной термодинамики и синергетики. С точки зрения новых направлений исследования появление ячеек Бенара обязано обмену энергией между рассматриваемыми системами: жидкостью и окружающей средой. Флуктуации, или случайные отклонения системы, от некоторого среднего состояния в открытых системах не подавляются, а, напротив, по мере возрастания неравновесности между системой и окружающей средой усиливаются. В результате этого беспорядочное тепловое движение молекул в критической точке сменяется согласованным, кооперативным их движением, что и приводит к образованию новой структуры в жидкости. Возникающая при этом энтропия в системе диссипируется в окружающую среду.

Более сложный характер имеют процессы самоорганизации, происходящие при химических реакциях, которые впервые еще в 1950-х гг. исследовал Б.П. Белоусов и позднее обобщил А.М. Жаботинский со своими сотрудниками. О них уже упоминалось выше, здесь же обратим внимание на то, что в них кроме обмена энергией происходит также обмен между реагирующими веществами: новые реагенты вступают в реакцию, а использованные — выводятся из нее. Кроме того, важным условием возникновения такой самоорганизующейся реакции является наличие катализаторов, ускоряющих ее процесс. Все эти примеры можно описать с помощью единой схемы. Любая открытая система, взаимодействуя с окружающей средой, испытывает опреде-

ленные флуктуации. Под воздействием энергии или веществ, поступающих извне, эти флуктуации усиливаются и начинают «расшатывать» старые связи между элементами старой системы. Возникает неустойчивость, которая со временем усиливается, и, когда она достигает определенного критического значения, система резко меняет свое макроскопическое состояние.

Основная идея, выдвигаемая синергетикой, заключается, таким образом, в том, что сложные системы качественно меняют свое макроскопическое состояние в результате изменений, происходящих на микроуровне. Изменения на макроуровне описываются управляющими параметрами системы. При критическом значении этих параметров система переходит в новое макроскопическое состояние. Установить связь между невидимыми изменениями на микроуровне и видимыми изменениями на макроуровне, так же как и определить критические значения управляющих параметров из чисто абстрактных, теоретических соображений не представляется возможным. Поэтому здесь прибегают к конкретному исследованию сложноорганизованных систем с помощью наблюдений или экспериментов. В опыте Бенара управляющим параметром является градиент температуры подогреваемой жидкости, в реакции Белоусова — Жаботинского — концентрация химических веществ, в лазере — напряженность электромагнитного поля внутри него. Изменяя управляющие параметры, можно достичь критического значения, когда система резко и спонтанно переходит в качественно новое состояние. Поэтому анализ поведения системы при переходе от прежнего состояния к новому состоянию в критической точке имеет решающее значение для понимания процесса самоорганизации.

Во-первых, именно здесь ясно прослеживается взаимосвязь между случайностью и необходимостью в процессе самоорганизации системы. Флуктуации, представляющие собой случайные отклонения от равновесия в ходе взаимодействия со средой и возрастания неравновесности системы, постепенно усиливаются, пока не достигнут определенной критической точки, в которой и происходит превращение случайных изменений в детерминированное, необходимое движение системы. Однако какое направление дальнейшего движения, или траекторию, после критической точки выберет при этом система, зависит, в свою очередь, от ряда случайных обстоятельств. Используя заимствованный из математики термин бифуркации, можно сказать, что в зависимости от таких сложившихся случайных обстоятельств система может выбрать по меньшей мере две возможных траектории будущего движения, хотя их может быть и больше.

Во-вторых, в процессе постепенного изменения состояний на микроуровне обычно возникает множество различных конфигураций состояний, и их будет тем больше, чем большее число компонентов содержит система. Но все такие конфигурации управляются параметрами порядка.

Этот принцип управления параметрами порядка впервые четко сформулировал Хакен, сравнивая его с действиями кукловода.

«В определенном смысле, — пишет он, — параметры порядка действуют как кукловоды, заставляющие марионеток двигаться. Однако между наивным представлением о параметрах порядка как о кукловодах и тем, что происходит в действительности, имеется одно важное различие. Оказывается, что, совершая коллективное действие, индивидуальные части системы, или "куклы", сами воздействуют на параметры порядка, т.е. на "кукловодов"»¹.

Принцип подчинения параметрам порядка играет важнейшую роль в понимании процессов самоорганизации. В каждом таком процессе параметров порядка существует сравнительно немного, в то время как система может состоять из большого числа компонентов, которые могут создавать огромное количество состояний. Это значительно облегчает анализ самоорганизующихся процессов и проливает дополнительный свет на понимание категории причинности в современном научном познании. Если традиционное понимание линейной причинности предполагает, что только причина вызывает или порождает действие, то процессы самоорганизации ясно показывают, что действия также могут оказывать влияние на породившую их причину или причины. Действительно, поведение компонентов системы подчиняется и управляется параметрами порядка, но в то же время сами параметры порядка возникают в результате взаимодействия компонентов системы. Так возникает представление о циклической причинности, включающее признание обратного влияния действия на породившую его причину. Хотя в диалектической философии такая взаимосвязь между причиной и действием в абстрактном виде и признавалась, но конкретные механизмы ее взаимодействия подробно никогда не рассматривались.

В-третьих, существенная особенность самоорганизующихся процессов и систем заключается в том, что взаимодействие между элементами системы имеет нелинейный характер, что математически может быть выражено дифференциальными уравнениями степени выше первой, откуда и происходит название таких систем как нелинейных.

¹ Хакен Г. Основные понятия синергетики // Синергетическая парадигма. С. 42.

18-

В-четвертых, если в классическом естествознании хаос играл чисто негативную роль, являясь символом дезорганизации и разрушения порядка, то в синергетике он выступает в качестве конструктивного фактора. С одной стороны, из хаоса, или беспорядка, возникает порядок, а с другой — сам хаос представляет собой весьма сложную форму упорядоченности.

Наконец, в-пятых, в синергетике становится возможным говорить о категории времени, отображающем реальные процессы изменения систем не только в направлении их дезорганизации и разрушения, но и самоорганизации и становления.

Относительность противопоставления простого сложному

Начнем с того, что простое может состоять из громадного числа частиц, например в 1 см3 воды содержится 1019 молекул. Но такое огромное число частиц… этого предпочтительнее говорить о сложном и простом поведении систем, а не о… Заслуга синергетики как раз и состоит в том, что она впервые показала, что элементы сложноорганизованного поведения…

Глава 18

Концепция системного метода

Главное, что определяет систему, — это взаимосвязь и взаимодействие частей в рамках целого. Если такое взаимодействие существует, то допустимо… Понятие системы и системный метод в целом формировались постепенно, по мере… 18.1. Становление системного метода исследования

19-

тывать разнообразные алгоритмически описанные процессы. Алгоритмизация и компьютеризация целого ряда производственно-технических, управленческих и других процессов явилась, как известно, одним из составных элементов современной научно-технической революции, связавшей воедино новые достижения науки с результатами развития техники.

Чтобы лучше понять сущность системного метода, необходимо с самого начала отметить, что понятия, теории и модели, на которые он опирается, применимы для исследования предметов и явлений самого конкретного различного содержания. В этих целях приходится абстрагироваться, отвлекаться от конкретного содержания отдельных, частных систем и выявить то общее, существенное, что присуще всем системам определенного рода.

Наиболее общим приемом для реализации этой цели служит математическое моделирование. С помощью математической модели отображаются наиболее существенные количественные и структурные связи между элементами некоторых родственных систем. Затем эта модель рассчитывается на компьютере и результаты вычислений сравниваются с данными наблюдений и экспериментов. Возникающие расхождения устраняются путем внесения дополнений и изменений в первоначальную модель.

Обращение к математическим моделям диктуется самим характером системных исследований, в процессе которых приходится иметь дело с наиболее общими свойствами и отношениями разнообразных конкретных, частных систем. В отличие от традиционного подхода, оперирующего двумя или несколькими переменными, системный метод предполагает анализ целого множества переменных. Связь между этими многочисленными переменными, выраженными на языке различных уравнений и их систем, и представляет собой математическую модель. Эта модель вначале выдвигается в качестве некоторой гипотезы, которая в дальнейшем должна быть проверена с помощью опыта.

Очевидно, что, прежде чем построить математическую модель какой-либо системы, необходимо выявить то общее, качественно однородное, что присуще разным видам однотипных систем. До тех пор, пока системы не будут изучены на качественном уровне, ни о какой количественной математической модели не может быть речи. Ведь для того, чтобы выразить любые зависимости в математической форме, необходимо найти у разных конкретных систем предметов и явлений однородные свойства, например размеры, объем, вес и т.п. С помощью выбранной единицы измерения эти свойства можно представить в виде чисел и затем выразить отношения между свойствами как зависи-

 

мости между отображающими их математическими уравнениями и функциями. Построение математической модели имеет существенное преимущество перед простым описанием систем в качественных терминах потому, что оно дает возможность делать точные прогнозы о поведении систем, которые гораздо легче проверить, чем весьма неопределенные и общие качественные предсказания. Таким образом, при математическом моделировании систем наиболее ярко проявляется эффективность единства качественных и количественных методов исследования, характеризующая магистральный путь развития современного научного познания.

Обратимся теперь к вопросу о преимуществах и перспективах системного метода исследования.

Прежде всего заметим, что возникновение самого системного метода и его применение в естествознании и других науках знаменуют значительно возросшую зрелость современного этапа их развития. Прежде чем наука могла перейти к этому этапу, она должна была исследовать отдельные стороны, особенности, свойства и отношения тех или иных предметов и явлений, изучать части в отвлечении от целого, простое отдельно от сложного. Такому периоду, как отмечалось в 1-й главе, соответствовал дисциплинарный подход, когда каждая наука сосредоточивала все внимание на исследовании специфических закономерностей изучаемого ею круга явлений. Со временем стало очевидным, что такой подход не дает возможности раскрыть более глубокие закономерности, присущие широкому классу взаимосвязанных явлений, не говоря уже о том, что он оставляет в тени взаимосвязь разных классов явлений, каждый из которых был предметом обособленного изучения отдельной науки.

Междисциплинарный подход, сменивший дисциплинарный, стал все шире применяться для установления закономерностей, присущих разным областям явлений, и получил дальнейшее развитие в различных формах системных исследований как в процессе своего становления, так и в конкретных приложениях.

Системный метод прошел разные этапы, что отразилось на самой терминологии, которая, к сожалению, не отличается единством. С точки зрения практической значимости можно выделить:

• системотехнику, занимающуюся исследованием, проектированием и конструированием новейших технических систем, в которых учитывается не только работа механизмов, но и действия человека — оператора, управляющего ими. Это направление разрабатывает некоторые принципы организации и самоорганизации, выявленные кибернетикой, и в настоящее время приобретает все большее значение в

связи с внедрением человеко-машинных систем, в том числе и компьютеров, работающих в режиме диалога с исследователем;

• системный анализ, который занимается изучением комплексных и многоуровневых систем. Хотя такие системы обычно состоят из элементов разнородной природы, но они определенным образом связаны и взаимодействуют друг с другом и поэтому требуют целостного, системного анализа. К ним относятся, например, система организации современной фабрики или завода, в которых в единое целое объединены производство, снабжение сырьем, сбыт товаров и инфраструктура;

• теорию систем, которая изучает специфические свойства систем, состоящих из объектов единой природы, например физические, химические, биологические и социальные системы.

Если системотехника и системный анализ фактически являются приложениями некоторых системных идей в области организации производства, транспорта, технологии и других отраслей народного хозяйства, то теория систем исследует общие свойства систем, изучаемых в естественных, технических, социально-экономических и гуманитарных науках.

Может возникнуть вопрос: если конкретные свойства упомянутых выше систем изучаются в отдельных науках, то зачем нужен особый системный метод? Чтобы правильно ответить на него, необходимо ясно указать, что именно изучают конкретные науки и теория систем, когда применяются к одной и той же области явлений. Если для физика, биолога или социолога важно раскрыть конкретные, специфические связи и закономерности изучаемых систем, то задача теоретика систем состоит в том, чтобы выявить наиболее общие свойства и отношения таких систем, показать, как проявляются в них общие принципы системного метода. Иначе говоря, при системном подходе каждая конкретная система выступает как частный случай общей теории систем.

Говоря об общей теории систем, следует отдавать себе ясный отчет о характере ее общности. Дело в том, что в последние годы выдвигается немало проектов построения таких общих теорий, принципы и утверждения которых претендуют на универсальность. Один из инициаторов создания подобной теории Л. фон Берталанфи, внесший значительный вклад в распространение системных идей, формулирует ее задачи следующим образом: «Предмет этой теории составляет установление и вывод тех принципов, которые справедливы для «систем» в целом... Мы можем задаться вопросом о принципах, применимых к системам вообще, независимо от их физической, биологической или социальной природы. Если мы поставим такую задачу и подходящим образом определим понятие системы, то обнаружим, что существуют модели, прин-

ципы и законы, которые применимы к обобщенным системам независимо от их частного вида, элементов или «сил», их составляющих».

Спрашивается, какой характер должна иметь такая, не просто общая, а, по сути дела, универсальная теория систем? Очевидно, чтобы стать применимой везде и всюду, такая теория должна абстрагироваться от любых конкретных, частных и особенных свойств отдельных систем. Но в таком случае из ее понятий и принципов нельзя логически вывести конкретные свойства отдельных систем, как на этом настаивают сторонники общей, или, можно сказать, универсальной, теории. Другое дело, что некоторые общие системные понятия и принципы могут быть использованы для лучшего понимания и объяснения конкретных систем.

Фундаментальная роль системного метода заключается в том, что с его помощью достигается наиболее полное выражение единства научного знания. Это единство проявляется, с одной стороны, во взаимосвязи различных научных дисциплин, которая выражается в возникновении новых дисциплин на «стыке» старых (физическая химия, химическая физика, биофизика, биохимия, биогеохимия и др.), в появлении междисциплинарных направлений исследования (кибернетика, синергетика, экологические программы и т.п.). С другой стороны, системный подход дает возможность выявить единство и взаимосвязь в рамках отдельных научных дисциплин. Как уже отмечалось выше, свойства и закономерности реальных систем в природе находят свое отображение прежде всего в научных теориях отдельных дисциплин естествознания. Эти теории, в свою очередь, связываются друг с другом в рамках соответствующих дисциплин, а последние как раз и составляют естествознание как учение о природе в целом. Итак, единство, которое выявляется при системном подходе к науке, заключается прежде всего в установлении связей и отношений между самыми различными по сложности организации, уровню познания и целостности охвата концептуальными системами, с помощью которых как раз и отображается рост и развитие нашего знания о природе. Чем обширнее рассматриваемая система, чем сложнее она по уровню познания, иерархической организации, тем больший круг явлений она в состоянии объяснить. Таким образом, единство знания находится в прямой зависимости от его системности.

С позиций системности, единства и целостности научного знания становится возможным правильно подойти к решению таких проблем, как редукция, или сведение одних теорий естествознания к другим, синтез, или объединение, кажущихся далекими друг от друга теорий, их подтверждение и опровержение данными наблюдений и экспериментов.

Редукция, или сведение одних теорий к другим, представляет вполне допустимую теоретическую процедуру, ибо выражает тенденцию к установлению единства научного знания. Когда Ньютон создал свою механику и теорию гравитации, то тем самым он продемонстрировал единство законов движения земных и небесных тел. Аналогично этому использование спектрального анализа для установления единства химических элементов в структуре небесных тел было крупным достижением в физике. В наше время редукция некоторых свойств и закономерностей биологических систем к физико-химическим свойствам явилась основой эпохальных открытий в области изучения наследственности, синтеза белковых тел и эволюции.

Однако редукция оказывается приемлемой и эффективной только тогда, когда она используется для объяснения однотипных по содержанию явлений и систем. Действительно, когда Ньютону удалось свести законы движения небесной механики к законам земной механики и установить единство между ними, то это оказалось возможным только потому, что они описывают однотипные процессы механического движения тел. Чем больше одни процессы отличаются от других, чем они качественно разнороднее, тем труднее поддаются редукции. Поэтому закономерности более сложных систем и форм движения нельзя полностью свести к законам низших форм или более простых систем. Обсуждая концепцию атомизма, мы убедились, что, несмотря на огромные успехи в объяснении свойств сложных веществ посредством простых свойств составляющих их атомов, эта концепция имеет определенные границы. Ведь общие, целостные свойства систем не сводятся к сумме свойств их компонентов, а возникают в результате их взаимодействия. Такой новый, системный подход в корне подрывает представления о прежней естественнонаучной картине мира, когда природа рассматривалась как простая совокупность различных процессов и явлений, а не тесно взаимосвязанных и взаимодействующих систем, различных как по уровню организации, так и по их сложности.

18.4. Системный метод и современное научное мировоззрение

Широкое распространение идей и принципов системного метода способствовало выдвижению ряда новых проблем мировоззренческого характера. Более того, некоторые западные лидеры системного подхода стали рассматривать его в качестве новой научной философии, которая в отличие от господствовавшей раньше философии позитивизма, подчеркивавшей приоритет анализа и редукции, главный упор делает на

синтез и антиредукционизм. В связи с этим особую актуальность приобретает старая философская проблема о соотношении части и целого.

Многие сторонники механицизма и физикализма утверждают, что определяющую роль в этом соотношении играют части, поскольку именно из них возникает целое. Но при этом они игнорируют тот непреложный факт, что в рамках целого части не только взаимодействуют друг с другом, но и испытывают действие со стороны целого. Попытка понять целое путем анализа частей оказывается несостоятельной именно потому, что она игнорирует синтез, который играет решающую роль в возникновении каждой системы. Любое сложное вещество или химическое соединение по своим свойствам отличается от свойств составляющих его простых веществ или элементов. Каждый атом обладает свойствами, отличными от свойств образующих его элементарных частиц. Короче, всякая система характеризуется особыми целостными, интегральными свойствами, отсутствующими у ее компонентов.

Противоположный подход, опирающийся на приоритет целого над частью, не получил в науке широкого распространения потому, что он не может рационально объяснить процесс возникновения целого. Нередко поэтому его сторонники прибегали к допущению иррациональных сил, вроде энтелехии, жизненной силы и т.п. В философии подобные взгляды защищают сторонники холизма (от греч. — целый), которые считают, что целое всегда предшествует частям и всегда важнее частей. В применении к социальным системам такие принципы обосновывают подавление личности обществом, игнорирование ее стремления к свободе и самостоятельности.

На первый взгляд может показаться, что концепция холизма о приоритете целого над частью согласуется с принципами системного метода, который также подчеркивает большое значение идей целостности, интеграции и единства в познании явлений и процессов природы и общества. Но при более внимательном знакомстве оказывается, что холизм чрезмерно преувеличивает роль целого в сравнении с частью, значение синтеза по отношению к анализу. Поэтому он является такой же односторонней концепцией, как атомизм и редукционизм.

Системный подход избегает этих крайностей в познании мира. Он исходит из того, что система как целое возникает не каким-то мистическим и иррациональным путем, а в результате конкретного, специфического взаимодействия вполне определенных реальных частей. Именно вследствие такого взаимодействия частей и образуются новые интегральные свойства системы. Но вновь возникшая целостность, в свою очередь, начинает оказывать воздействие на части, подчиняя их функционирование задачам и целям единой, целостной

системы. Мы отмечали, что не всякая совокупность или целое образует систему, и в связи с этим ввели понятие агрегата. Но всякая система есть целое, образованное взаимосвязанными и взаимодействующими его частями. Таким образом, процесс познания природных и социальных систем может быть успешным только тогда, когда в них части и целое будут изучаться не в противопоставлении, а во взаимодействии друг с другом, анализ будет сопровождаться синтезом.

Основные понятия и вопросы

Агрегат Множество

Аддитивность Подсистема

Внешняя среда Система

Детерминизм Системный анализ

Иерархия Системотехника

Информация Стохастика

Математическое моделирование Структура

1. В чем состоит специфика системного исследования?

2. Чем отличается система от агрегата?

3. Какое различие существует между строением и структурой системы?

4. На чем основано применение математики в системных исследованиях?

5. В чем состоят преимущества системного метода исследования?

6. Можно ли применить системный метод к отдельному предмету?

7. Чем отличается системотехника от системного анализа?

8. Можно ли построить универсальную теорию систем?

9. Чем отличается системный подход от редукционизма и холизма?
10. Какое мировоззренческое значение имеет системный метод?

Литература

Основная:

Блауберг И.В., Юдин Э.Г. Становление и сущность системного подхода. М., 1973.

Рузавин Г. И. Системный подход и единство научного знания // Единство научного знания. М., 1988. С. 237-252.

Философия науки. Современные философские проблемы областей научного знания. М., 2005.

Дополнительная:

Системные исследования. Методологические проблемы: Ежегодник. М., 1982.

Философия: энциклопедический словарь / Под ред. А.А. Ивина. М., 2004.

Словарь терминов, встречающихся в книге

Агрегат (лат. aggregatus — присоединение) — механическое соединение в целое разнородных частей и объектов. Адаптация (лат. adaptare — приспособлять) — приспособление функций и строения… Адроны (греч. adros — сильный) — общее название элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию.

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие..................................................................................................... 5

Глава 1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры.................... ..... 7

1.1. Естествознание и обществознание................................................... ..... 7

1.2. Две традиции в объяснении, понимании и предсказании явлений 9

1.3. Взаимосвязь и единство в развитии науки...................................... 17

1.4. Научный метод....................................................................................... 21

1.5. Позитивизм и антипозитивизм в методологии науки................... 29

1.6. Особенности формирования естествознания и современные тенденции его развития 32

Глава 2. Естественнонаучная картина мира........................................... 36

2.1. Концепции естествознания и научная-картина природы.......... 37

2.2. Связь научной картины мира с мировоззрением и философией 44

2.3. Революции в естествознании и смена картин мира..................... 48

Глава 3, Механистическая картина мира................................................. 55

3.1. Галилей и Кеплер — научные предшественники Ньютона...... 55

3.2. Классическая механика Ньютона.................................................... 58

3.3. Триумф ньютоновской картины мира.............................................. 64

3.4. Основные принципы механистической картины мира............... 66

3.5. Редукционизм механистического мировоззрения......................... 71

Глава 4. Электромагнитная картина мира............................................... 76

4.1. Гипотезы о невесомых электрических и магнитных жидкостях................ 76

4.2. Электромагнитное поле и его особенности................................... .... 78

4.3. Связь электромагнетизма и оптики ................................................ 81

4.4. Поле и вещество..................................................................................... 84

Глава 5. Концепция относительности пространства-времени........... .... 88

5.1. Принцип относительности в классической механике................. 88

5.2. Специальная теория относительности и ее роль в науке ........ .... 89

5.3. Понятие пространства-времени в специальной теории относительности 93

5.4. Общая теория относительности........................................................ .... 96

5.5. Проверка общей теории относительности..................................... ... 100

5.6. Геометрия и общая теория относительности................................ .... 101

5.7. Философские выводы из теории относительности ..................... ... 102

Глава 6. Концепция дискретности и квантовая механика ................. ... 106

6.1. Дискретность физических величин и открытие кванта энергии .... 107

6.2. Революция в естествознании и возникновение учения о строении атома 108

6.3. Корпускулярно-волновая природа микрообъектов.................... .. 111

6.4. Статистическая природа законов квантовой физики ................. 113

6.5. Принцип неопределенности в квантовой механике .................... .. 115

6.6. Философские выводы из квантовой физики................................... 117

Глава 7. Концепция атомизма и элементарные частицы ................... 120

7.1. Дальнейшее развитие концепции атомизма................................... .. 121

7.2. Общие свойства элементарных частиц........................................... 122

7.3. Классификация элементарных частиц............................................ .. 124

7.4. Кварковая модель адронов................................................................. 126

7.5. Строение атомного ядра и ядерные процессы ............................. .. 128

Глава 8. Концепция детерминизма и статистические законы............. .. 134

8.1. Универсальные законы и классический детерминизм .............. 134

8.2. Стохастические законы и вероятностные предсказания ........ .. 136

8.3. Взаимосвязь разных концепций детерминизма............................ 140

Глава 9. Концепция необратимости и термодинамика........................ .. 144

9.1. Два способа описания термодинамических систем.................... .. 145

9.2. Классическая термодинамика и ее основные понятия и законы 146

9.3. Открытые системы и новая термодинамика.................................. .. 151

Глава 10. Концепция Вселенной и космическая эволюция................. .. 155

10.1. Космологические модели Вселенной.............................................. .. 156

10.2. Космическая эволюция материи....................................................... .. 158

10.3. Взаимодействие микро- и макропроцессов в ходе эволюции Вселенной , 163

10.4. Антропный принцип в космологии ................................................. .. 168

10.5. Философско-мировоззренческие проблемы современной космологии 170

Глава 11. Концептуальные уровни в познании веществ и химические

системы............................................................... '.............................. .. 173

11.1. Исторические уровни в познании химических веществ............. .. 174

11.2. Состав вещества, химические системы и их структура............. .. 175

11.3. Структура вещества и химические системы ................................. .. 178

11.4. Химические процессы и условия их протекания.......................... .. 180

11.5. Самоорганизация и эволюция химических систем...................... .. 183

Глава 12. Концепция геологических процессов и геосферных оболочек 187

12.1. Уникальна ли Солнечная система во Вселенной?....................... .. 187

12.2. Геологические процессы и строение Земли................................... .. 188

12.3. Геосферные оболочки и их взаимодействие в ходе эволюции Земли 192

Глава 13. Концепция уровней биологических структур и организация

живых систем ................................................................................... .. 196

13.1. Клеточный уровень исследования живых систем ..................... .. 197

13.2. Молекулярно-генетический уровень живых структур............... .. 199

13.3. Онтогенетический уровень живых систем...................................... 203

13.4. Уровни организации живых систем ............................................... .. 206

Глава 14. Концепция биосферы и экология ............................................ 210

14.1. Эволюция представлений о биосфере ........................................... 210

14.2. Концепция Вернадского о биосфере ............................................... 212

14.3. Переход от биосферы к ноосфере..................................................... .. 215

14.4. Современная концепция экологии........ '............................................ 218

Глава 15. Концепция эволюции в биологии ............................................ .. 231

15.1. Предшественники эволюционного учения..................................... 231

15.2. Чарлз Дарвин — основоположник теории эволюции................. 233

15.3. Основные факторы и движущие силы эволюции......................... 236

15.4. Синтетическая теория эволюции .................................................... 239

15.5. Философские проблемы эволюционной теории ......................... .. 243

Глава 16. Концепция человека в естествознании................................... 246

16.1. Биологические предпосылки возникновения человека ............. .. 246

16.2. Трудовая теория антропогенеза .... Г............................................ .. 249

16.3. Генезис сознания, мышления и речи ............................................... .. 253

16.4. Исследование проблем сознания в естествознании.................... .. 255

Глава 17. Концепция самоорганизации и синергетика........................ .. 260

17.1. Формирование синергетики как нового направления в науке.................... .. 260

17.2. Синергетика как парадигма междисциплинарных исследований 266

17.3. Синергетический анализ сложноорганизованных систем ....... .. 272

17.4. Относительность противопоставления простого сложному.... .. 276

17.5. Применение методов синергетики в других науках.................... .. 278

Глава 18. Концепция системного метода.................................................. 283

18.1. Становление системного метода исследования .......................... .. 283

18.2. Специфика системного метода исследования ............................. .. 285

18.3. Метод и перспективы системного исследования......................... .. 291

18.4. Системный метод и современное научное мировоззрение........ 296

Словарь терминов, встречающихся в книге ........................................... .. 299

Учебное издание

Г. И. Рузавин

Концепции современного естествознания

Редактор В.И. Евсевичев Корректор В.В. Евтюхина Внешнее оформление Н.Д. Горбуновой