Главная      Учебники - Биология     Лекции по биологии - часть 6

 

поиск по сайту            

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  155  156  157   ..

 

 

Концепции современного естествознания Бондарев

Концепции современного естествознания Бондарев



В.П. Бондарев

Концепции

современного

естествознания

Допущено Министерством образования Российской Федерации

в качестве учебного пособия по дисциплине

«Концепции современного естествознания»

для студентов вузов гуманитарных специальностей и направлений подготовки

Москва · 2003

УДК 50(075.8)

ББК20

Б81

Настоящая книга - победитель конкурса

Минобразования России (2000-2001) на создание учебников

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

для гуманитарных специальностей и направлений подготовки

Бондарев В.П.

Б81 Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов. - М.: Альфа-М, 2003. -464 с.: ил.

ISBN 5-98281-002-9 (в пер.)

Представляет собой обзор развития и современного состояния естественно-научной картины мира. Знакомит с историей, методологией естествознания и с такими его характерными чертами, как системность и модельность. Раскрывает проблемы пространства и времени как базисных понятий естествознания. Вводит читателя в курс концепций различных отраслей естествознания. Рассматривает общие вопросы, связанные с попытками создать теорию глобальной эволюции. Содержит именной указатель, контрольные вопросы и библиографические списки к каждой главе.

Для студентов гуманитарных специальностей вузов.

УДК 50(075.8)

ББК20

© «Альфа-М», 2003
ISBN 5-98281-002-9 © Бондарев В.П., 2003

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие

Глава 1. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ КАК ФЕНОМЕН КУЛЬТУРЫ

§1.1. Естественно-научная и гуманитарная культуры

Естествознание как элемент мировоззрения

Взаимодействие двух культур

Сциентизм и антисциентизм

§ 1.2. Классификация наук и отраслей естествознания

Подходы к классификации наук

Сложившееся разделение наук

§ 1.3. Естествознание и религия

Взаимоотношения религиозного и научного знаний

Естествознание с точки зрения теологов

§ 1.4. Естествознание и философия

Взаимоотношения философии и естествознания

Философские основания естествознания

§ 1.5. Естествознание и математика

Сущность математики и история ее развития

Математика как специфический язык естествознания

Приложение математики к разным отраслям естествознания

Вопросы для самоконтроля

Литература

Глава 2. ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ НАУКИ

§ 2.1. Сущность научного знания

Наука и научное знание

Познание как процесс отражения действительности

Критерии отграничения научного знания

§ 2.2. Средства и методы науки

Виды средств и методов науки

Характеристика основных методов науки

§ 2.3. Структура и уровни научного знания

Структура научного знания

Уровни научного знания и их соотношение

Индуктивный и рационалистический пути познания.

Проблема построения единой теории

§ 2.4. Этические проблемы в науке

Наука как социальный институт

Идеалы и ценности науки

Ученый, научное сообщество, общество

Вопросы для самоконтроля

Литература

Глава 3. ИСТОРИЯ НАУКИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

§ 3.1. История естествознания и модели развития науки

Подходы к изучению истории естествознания

Кумулятивная модель развития науки

Научные революции в истории науки

«Кейс стадис» как метод исследования

§ 3.2. Традиции и новации в истории естествознания

Традиции в истории естествознания

Незнание и неведение

Психологический контекст открытий

§ 3.3. Этапы становления современного естествознания

Этапы изменения характера науки

Научные революции Нового и Новейшего времени

Типы научной рациональности

§ 3.4. История отраслей естествознания

Физика

Химия

Геология

Биология

География

Вопросы для самоконтроля

Литература

Глава 4. СИСТЕМНОСТЬ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

§4.1. Системный подход

Системность и уровни системности труда

Свойства и классификация систем

Эволюция системных представлений

§ 4.2. Модели и моделирование систем

Понятие модели и моделирования

Классификация моделей

Особенности моделей

Основные типы моделей систем

§ 4.3. Системные исследования

Информационные аспекты изучения систем

Этапы системного исследования

Вопросы для самоконтроля

Литература

Глава 5. ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

§ 5.1. Пространство и время в естествознании

Эволюция взглядов на пространство и время

Пространство и время в различных отраслях естествознания

§ 5.2. Свойства пространства и времени

Самостоятельность пространства и времени

Мерность пространства и времени

Симметрия и асимметрия пространства и времени

Обратимость пространства и времени

Геометрические свойства пространства

§ 5.3. Методы оценки пространства

Размеры микрообъектов

Размеры макрообъектов

Межзвездные пространства

Межгалактические пространства

§ 5.4. Методы оценки времени

Малые интервалы времени

Исчисление лет и исторических эпох

Геологические интервалы времени

Космические интервалы времени

Вопросы для самоконтроля

Литература

Глава 6. ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

§ 6.1. Иерархичность миров и границы нашего познания

Проблема выделения фундаментальных физических

теорий

Фундаментальные типы физического взаимодействия

Иерархичность физических явлений

§ 6.2. Концепции макромира и классическая механика

Сущность классической механики и ее исторический обзор

Основные положения классической механики

§ 6.3. Концепции мегамира и теория относительности

Сущность теории относительности

Преобразования Х.А. Лоренца

Принцип относительности А. Эйнштейна

§ 6.4. Концепции микромира и квантовая механика

Сущность квантовой механики и границы ее применимости

История становления квантовой теории

Современные представления об элементарных частицах и атомах

§ 6.5. Концепции возникновения и развития Вселенной

Модели развития Вселенной

Происхождение и эволюция звезд и галактик

Происхождение Солнечной системы

Вопросы для самоконтроля

Литература

Глава 7. ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА

§7.1. Химические явления и их сущность

Сущность химических явлений

Основные концептуальные системы химии

§ 7.2. Химический состав вещества

Проблема химического элемента

Проблема химического соединения

Проблема вовлечения химических элементов

в производство новых материалов

§ 7.3. Химическая структура вещества

Проблемы, решаемые в рамках учения о химической структуре

Образование химических структур и химическая связь

§ 7.4. Химические процессы

Сущность химического процесса

Принципы управления химическим процессом

§ 7.5. Химическая эволюция

Этапы химической эволюции

Проблема самоорганизации химических систем

Вопросы для самоконтроля

Литература

Глава 8. КОСНОЕ ВЕЩЕСТВО ЗЕМЛИ

§8.1. Форма и строение Земли

Форма Земли

Внутреннее строение Земли

Основные характеристики Земли

§ 8.2. Вещественный состав и строение земной коры

Химический и минеральный состав Земли

Типы земной коры

§ 8.3. Гидросфера и атмосфера Земли

Водная оболочка Земли

Воздушная оболочка Земли

§ 8.4. Геодинамические процессы

Эндогенные (внутренние) процессы

Экзогенные (внешние) процессы

Взаимодействие экзогенных и эндогенных процессов

§ 8.5. Возникновение и геологическая история Земли

Возникновение Земли и ранние этапы ее становления

Принципы периодизации геологической истории Земли

Основные этапы эволюции земной коры

Вопросы для самоконтроля

Литература

Глава 9. ФЕНОМЕН ЖИЗНИ

§9.1. Сущность и уровни организации жизни

Сущность жизни и свойства живых организмов.

Уровни организации жизни

§ 9.2. Концепции возникновения жизни

Подходы к решению проблемы возникновения жизни

Условия и факторы зарождения жизни

Начальные этапы биологической эволюции

§ 9.3. Эволюционное учение в биологии

Становление эволюционного учения

Основные положения синтетической теории эволюции

§ 9.4. Развитие жизни на Земле

Криптозойский зон. Архейская и протерозойская эры

Фанерозойский зон. Палеозойская эра

Фанерозойский зон. Мезозойская и кайнозойская эры

§ 9.5. Человек: феномен, происхождение, биоэтика

Человек в системе животного мира

Этапы антропогенеза

Биоэтика

Вопросы для самоконтроля

Литература

Глава 10. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРИРОДЫ И ОБЩЕСТВА

§ 10.1. Основные свойства географической оболочки

Географическая оболочка и ее особенности

Энергетические источники существования географической оболочки

Структура географической оболочки

§ 10.2. Функционирование географической оболочки

Круговорот веществ в географической оболочке

Круговороты отдельных химических элементов

Ритмические процессы в географической оболочке

§ 10.3. История развития географической оболочки

§ 10.4. Географическая среда и глобальные проблемы человечества

Географическая среда и ее взаимосвязь с обществом

Глобальные проблемы человечества

Вопросы для самоконтроля

Литература

Глава 11. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ

§ 11.1. Глобальный эволюционизм

Становление эволюционных идей в науке

Основные принципы глобального эволюционизма

§ 11.2. Самоорганизация как элементарный процесс эволюции

Самоорганизация и классическая термодинамика.

Примеры процессов, происходящих в открытых системах

Свойства самоорганизующихся систем

§ 11.3. Закономерности самоорганизации и эволюционного процесса

Закономерности и факторы эволюции

Особенности эволюционного процесса

Вопросы для самоконтроля

Литература

Именной указатель

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие посвящено изложению наиболее общих концепций современного естествознания и его отраслей (в первую очередь физики, химии, геологии, биологии и географии). Естественно-научное знание всегда оказывало и продолжает оказывать глубочайшее влияние на культуру как отдельной личности, так и человечества в целом. Поэтому формирующемуся специалисту-гуманитарию очень важно разобраться в основах и традициях современного естествознания, складывавшихся на протяжении всего становления человеческого общества, а следовательно, проверенных временем. Благодаря естествознанию были объяснены феномены природы, казавшиеся нашим предкам непостижимыми, исследованы многие удивительные и необычные явления. Это в свою очередь открыло еще большие исследовательские перспективы для многих последующих поколений. Человеку, живущему в современном обществе и стремящемуся стать гармоничной личностью, необходимо хотя бы прикоснуться к тому огромному пласту естественнонаучной культуры, который составляет сокровищницу мировой цивилизации.

Дисциплина «Концепции современного естествознания» была введена в учебные планы вузов в середине 1990-х гг. Несмотря на сравнительную молодость этого предмета, уже опубликован целый ряд учебной литературы по курсу «Концепции современного естествознания». Однако в 2000 г. были введены новые образовательные стандарты и разработаны примерные программы курса. Поэтому потребовалось новое учебное пособие, учитывающее уже сложившийся опыт изложения материала и в то же время соответствующее новым стандартам. Книга написана в соответствии с требованиями (федеральный компонент) к обязательному минимуму содержания и уровню подготовки бакалавра и дипломированного специалиста по циклу «Общие математические и естественно-научные дисциплины» в государственных образовательных стандартах второго поколения, утвержденных Министерством образования Российской Федерации 21 февраля 2000 г. Были также учтены рекомендации двух примерных программ дисциплины «Концепции современного естествознания» (Буданов В.Г., Мелехова О.П., Степин B.C., 2000; Голубева О.Н., Добротина H.A., Суханов А.Д., 2000).

В учебной литературе по предмету «Концепции современного естествознания» сложилось несколько традиций подачи материала. Условно назовем эти традиции философской, физико-химико-биологической и геолого-географической.

В основе философской традиции лежало то, что многие представления в отдельных отраслях естествознания были объектом внимания философов. Философский подход распадается на два направления. Во-первых, изложение основ истории и методологии науки и выход на проблемы теории познания. Во-вторых, анализ философских вопросов естествознания.

Другая, получившая распространение в системе высшего образования традиция чтения курса «Концепции современного естествознания» может быть названа физико-химико-биологической. В случае использования этой идеологии преподавание соответствующей дисциплины направлено на изложение ярких фрагментов физики, химии и биологии, а также на демонстрацию важности стратегий мышления, выработанных в данных областях естествознания для культуры в целом.

Геолого-географическая традиция слабо выражена в системе высшего образования. Обычно о ней вспоминают, когда в конце курса необходимо подвести базу под связь природы и общества, а также рассмотреть проблемы, относящиеся к географической или окружающей природной среде. Но если мы обратимся к самому понятию «естествознание», то можем отметить, что у него есть синоним - «природоведение». Как известно, в системе среднего образования большая часть этой дисциплины посвящена рассмотрению именно геолого-географических идей, что отражено в соответствующих программах, учебниках и учебных пособиях.

В предлагаемом учебном пособии предпринимается попытка синтезировать все три перечисленные выше традиции. Это позволит студенту-гуманитарию в наиболее общем виде познакомиться с разными направлениями, развивающимися в рамках соответствующей дисциплины.

Данное пособие имеет целью познакомить студентов гуманитарных специальностей с естественно-научной картиной мира, которая составляет существенную часть человеческой культуры, и показать значение естественно-научной культуры в духовной и материальной жизни общества и каждого человека в отдельности. Автор исходил из представлений о том, что многие идеи, на которых строится современное естествознание, были сформулированы достаточно давно, однако их актуальность не вызывает сомнения, поэтому именно они должны стать базой курса. Но в то же время большое внимание уделяется проблемным вопросам естествознания, которые только входят в круг научных интересов ученых и ждут своего решения.

Особо следует сказать о списках литературы, приводимых после каждой главы. Поскольку естествознание имеет чрезвычайно широкое поле исследований, которые относятся ко многим дисциплинам, пришлось ограничиться ссылками только на те работы, которые были использованы непосредственно при написании данной книги, а также на ряд работ, которые считаются основополагающими при рассмотрении той или иной темы. Кроме того, в список литературы включено некоторое количество научно-популярных изданий и уже изданные учебные пособия, в которых освещается тот или иной раздел естествознания. Такой список литературы может оказаться полезным для дальнейшего самостоятельного изучения предмета студентами. Помимо этого можно порекомендовать журнал «Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Фундаментальное естественно-научное образование», где публикуются различные программы, концепции естественно-научных курсов и статьи, затрагивающие широкий спектр общих концепций естествознания. Полезны и выпуски сборника «Философия науки», издаваемого Институтом философии Российской академии наук. Большое количество статей обобщающего характера в популярном изложении по различным отраслям естествознания публикуется в журнале «Природа».

В написании учебного пособия существенную помощь автору оказало почти десятилетнее преподавание курса «Концепции современного естествознания» в различных вузах и работа в Музее землеведения МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автор считает приятным долгом поблагодарить своих учителей и коллег, принимавших участие в обсуждении проблем естествознания. Хотелось бы сказать отдельное спасибо д-ру геогр. наук, проф. Ю.Г. Симонову: автору выпала огромная честь прослушать специальный курс лекций «История и методология геоморфологии». Под влиянием этих лекций, а также длительных бесед с Ю.Г. Симоновым сложились многие представления автора в области естествознания. Это особенно заметно проявилось в главах, посвященных проблемам пространства и времени, системности в естествознании, а также географической картине мира. Огромную благодарность автор испытывает к проф. К. Грегори (К. Gregory), д-ру биолог, наук, проф. Ф.Я. Дзержинскому, д-ру филос. наук, проф. B.C. Лямину, д-ру биолог, наук, проф. Е.Д. Никитину, д-ру физ.-мат. наук, проф. Ю.Г. Рудому, канд. геол.-минералог, наук О.П. Иванову, канд. геогр. наук В.И. Мысливцу, канд. филос. наук Л.Н. Самойлову, канд. геол.-минералог. наук A.A. Наймарку, Г.Ф. Солиен-ко и многим другим, кто вольно или невольно пробудили и поддерживают до сих пор интерес к удивительному миру истории и методологии естествознания. Обсуждение с ними отдельных проблем естествознания позволило выработать ту концепцию естественно-научной картины мира, которая рассматривается в данном учебном пособии. Работа не состоялась бы без поддержки моей жены H.A. Бондаревой, историка по образованию, - первого гуманитария, который доказал, что книгу может понять человек, имеющий гуманитарное образование. Постоянную техническую поддержку моих трудов осуществлял И.А. Шемякин, которому также большое спасибо.

Глава 1

ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ КАК ФЕНОМЕН КУЛЬТУРЫ

§ 1.1. Естественно-научная и гуманитарная культуры

Естествознание как элемент мировоззрения

Стремление человека к познанию окружающего мира бесконечно. Одним из средств этого познания является естествознание. Оно активно участвует в формировании мировоззрения каждого человека отдельно и общества в целом. К мировоззрению относится также социальная установка на понимание смысла жизни, жизненных идеалов, целей общества и средств их достижения. Мировоззрение - совокупность определенных знаний, комплекс норм и убеждений, проявляющихся в содержании практической деятельности. Определенный мировоззренческий и методологический подход к пониманию мира и объяснению эмпирических фактов выражает стиль мышления. Он включает в себя применяемые методы исследования, некоторую познавательную и социальную установку и может быть консервативным, ортодоксальным, критическим, революционным, конформистским, эклектичным и т.д.

Разные исследователи определяют понятие «естествознание» по-разному: одни ученые говорят, что естествознание - это система наук о природе, а другие - что это единая наука о природе. Это противоречие видимое. Структура естествознания иерархична. Будучи единой системой знания, оно состоит из определенного количества входящих в эту систему наук, которые в свою очередь состоят из еще более дробных отраслей знания. На каждой ступени организации естествознания существует свой более или менее развитый методологический аппарат, который и позволяет считать систему знаний таких ступеней единой. Не следует забывать, что природа едина. Следовательно, множество естественных наук является континуумом, т.е. непрерывной совокупностью. Отдельные естественно-научные дисциплины организованы по правилам, аналогичным естествознанию в целом. Поэтому и естествознание, и его отдельные отрасли являются некоторой системой взглядов на всю природу и на ее части.

Во всех определениях естествознания присутствуют два основных понятия - «природа» и «наука». В широком смысле слова природа - это все сущее в бесконечном многообразии своих проявлений (Вселенная, бытие, объективная реальность - слова-синонимы), а в узком - природа обычно противопоставляется обществу. Под наукой обычно понимают сферу человеческой деятельности, в рамках которой вырабатываются и систематизируются объективные знания о действительности. (В дальнейшем эти два базовых понятия будут развернуты в более полном виде.)

Цель естествознания - раскрыть сущность явлений природы, познать их законы и предсказать на их основе новые явления, а также указать возможные пути использования на практике познанных законов природы. В нашей книге мы рассмотрим естествознание в контексте культуры, органической частью которой оно является. В самом понятии «культура» заложено разделение естественного хода развития природных процессов и явлений и искусственно созданной человеком «второй природы» — особой формы жизнедеятельности человека, качественно новой по отношению к предшествующим формам организации материи.

Взаимодействие двух культур

Как любое сложное базовое понятие, культура не имеет единого общепринятого определения. Проблеме разнообразия определений культуры была специально посвящена книга А. Кребера и К. Клакхона «Культура: критический обзор определений» (1952), где авторы привели около 150 определений культуры. Во второе издание этого труда вошло уже более 200 определений культуры. Сейчас их насчитывается более 500. При всем различии подавляющее большинство определений культуры едины в том, что это характеристика или способ жизнедеятельности человека, а не животных, т.е. культура - основное понятие для обозначения особой формы организации жизни людей.

Для того чтобы понять соотношение таких категорий, как природа, общество и культура, следует обратиться к вопросу о двух типах жизни, выработавшихся на Земле: инстинктивно-биологическом и культурно-целесообразном (социальном) [1]; сразу скажем, что именно наличие социального типа жизни отличает человека от животного.

При инстинктивном типе жизни преобладают наследственно приобретенные стереотипы поведения, обычно жестко связанные с внешними природными условиями. В действиях животных решающую роль играют инстинкты, выступающие как способ удовлетворения их потребностей, обеспечивающие выживание и воспроизводство популяции. Объектом изменений (необходимых при трансформации внешних условий) служит организм, тело животного. В то же время и в инстинктивном типе жизни есть место и обучению, и модификации врожденных стереотипов. Более того, обнаружено наличие чувств у животных (преданность, бескорыстная любовь к хозяину и т.д.). Можно сказать, что этот тип организации жизни не менее сложен, чем у человека. Заметим, что именно наличие внутри этого типа жизни ряда феноменов привело к развитию некоторых способов жизнедеятельности человека - особенностей группового поведения, организации коллективного взаимодействия в стае и др.

Человек в отличие от большинства видов животных универсален по своей природе, он может существовать в любом месте земного шара, осваивать разнообразные виды деятельности и т.д. Но он становится человеком только при наличии культурного окружения, в общении с другими, подобными себе существами. При отсутствии этого условия у него не реализуется даже его биологическая программа как живого существа и он преждевременно погибает. На протяжении культурной истории человек органически остается неизменным (в смысле отсутствия видообразования). Вызвано это тем, что все изменения переносятся на так называемое неорганическое тело культуры. Деятельность человека опосредованна. Между собой и природой он помещает предметы материальной культуры (орудия труда, одомашненные животные и растения, жилище, одежда, если она необходима). Духовные посредники - слова, образы, культурные навыки - существуют главным образом в межличностной сфере. Весь организм культуры состоит из сложно организованных посредников, культурных институтов. Деятельность человека не является лишь ответом на внешние раздражители. В ней присутствует опосредующий момент размышления, сознательного действия сообразно цели, существующей в идеальной форме в виде плана, образа, намерения. Примечательно, что И.М. Сеченов рассматривал мышление как заторможенный, т.е. опосредованный периодом времени, рефлекс.

Из сказанного выше следует, что культура - важнейший регулятор взаимоотношений между обществом и природой. И с этой точки зрения наиболее общим и подходящим для нас может быть следующее определение: культура - это система средств человеческой деятельности, благодаря которой программируется, реализуется и стимулируется активность индивида, различных групп, человечества в целом в их взаимодействии между собой и с природой. Уже само определение отражает два основных типа взаимодействия, которые определяют два типа культур - гуманитарную (взаимодействие между собой) и естественно-научную (взаимодействие между обществом и природой). Естественно-научная культура отличается тем, что знания о природе имеют высокую степень объективности и достоверности. Гуманитарная культура специфична тем, что системообразующие ценности гуманитарного знания определяются и активизируются из социальной позиции человека. Имея свои специфические черты, эти два типа культур, безусловно, взаимодействуют, так как обладают единой культурной основой.

Взаимоотношения этих двух культур достаточно сложны [26]. А. Койре был одним из первых ученых, обративших в начале XX в. внимание на то, что после некоторого этапа развития общества возникли два мира - «мир науки» (мир количества, воплощенного в геометрии) и «мир качества» (в котором мы живем). В дальнейшем идея о сложных путях взаимодействия естественно-научной и гуманитарной культур в современном обществе была развита в серии статей писателя, общественного деятеля и ученого Ч. Сноу. В настоящее время большинством признается существование двух культур, обладающих разными языками, критериями и ценностями: естественно-научной культуры, включающей науки о природе, технику и т.п., и гуманитарной культуры, включающей искусство, литературу, науки об обществе и внутреннем мире человека.

Современная культура характеризуется быстрыми изменениями, а современное общество находится в состоянии дисгармонии с природой, глобального нарушения баланса — экологического кризиса. На это накладываются экономический, энергетический, информационный кризисы, а также обострение национальных, религиозных и социальных конфликтов во многих регионах Земли. Возможность успешного преодоления этих кризисов и конфликтов во многом определяется уровнем образованности и культуры общества. Обостряет эту ситуацию разделение путей развития естественно-научной и гуманитарной культур. Часто говорят, что духовность формируется исключительно за счет религиозного, нравственного, эстетического познания мира, что науку можно противопоставить духовности, что существует разделение между естествознанием и гуманитарными знаниями и они конфронтируют между собой.

Но вряд ли эти утверждения справедливы. Наша культура во многом была сформирована в эпоху Возрождения и имеет свои корни в культуре античности и европейского Средневековья. Естественные науки в развитии современной цивилизации не только обеспечивали и обеспечивают научно-технический прогресс, но и формируют особый тип мышления, особый тип критически-аналитической рациональности, весьма важный для мировоззренческой ориентации современного человека. Именно он побуждает человека к поиску решений, к признанию относительности систем отсчета и наших суждений, а недостаток этого типа мышления приводит к кризисным ситуациям в обществе. Мировоззренческие функции современного естествознания не сводятся только к тому, что оно дает знания о природе, поскольку само знание - это еще не мировоззрение. Оно становится таковым, когда в общественное сознание входит тот тип рациональности, который дают естественные науки. Можно сказать, что духовность во многом определяется научными знаниями и умением разбираться в окружающем мире. Более того, гуманитарная и естественно-научная культуры не могут не взаимодействовать. Например, любое более или менее крупное естественно-научное открытие всегда появляется на определенном культурном фоне и становится феноменом культуры.

Разделение культуры на гуманитарную и естественно-научную во многом обусловлено существованием двух основных способов процесса мышления, которые имеют физиологическую природу. Как известно, мозг человека асимметричен: правое его полушарие отвечает за образный интуитивный тип мышления, а левое - за логический тип. Преобладание того или иного типа мышления часто определяет склонность человека либо к рациональному, либо к художественному типу восприятия мира. Разделение духовного и материального впервые встречается у Платона, а окончательно закрепилось после работ Р. Декарта, который разделил внутренний мир человека (сферу религии и искусства) и внешний мир (сферу изучения рациональным научным методом).

Человек приобретает знание в процессе повседневного взаимодействия с различными предметами и явлениями окружающего мира. Рациональное знание относится к интеллекту, функции которого - различать, разделять, сравнивать, измерять и распределять по категориям. Оно хорошо приспособлено к формализации, компактной записи и возможности трансляции, благодаря чему возникает феномен накопления, роста рационального знания увеличивающимся темпом. Таким образом, рациональный тип мышления в значительной степени формирует стереотипы и идеологию общества.

Интуитивное восприятие мира, напротив, индивидуально. Интуитивное знание невозможно адекватно передать после того, как оно получено. Невозможно и объяснить, как оно было получено, а также точно воспроизвести процесс его получения. Интуитивный опыт должен быть пережит индивидуально. Обычно интуитивное знание направлено на внутренний мир человека и не имеет строгих объективных критериев истинности. Однако оно обладает огромной познавательной силой, так как оно ассоциативно и метафорично. Используя принцип аналогии, оно способно выходить за рамки логических конструкций и рождать новое в сфере искусства и науки. Если в русле логического мышления удается получить детерминированные следствия, не выходящие за рамки первичных посылок, то для интуиции и фантазии пределов не существует.

О необходимости привлечения интуиции и творческого начала в науке свидетельствует еще одно обстоятельство. В 1931 г. К. Гёдель доказал ряд теорем о неполноте, из которых следует, что содержательные логические системы достаточно большой мощности не могут быть проверены на непротиворечивость без привлечения аргументов, не принадлежащих к данной системе. Именно поэтому невозможно полностью аксиоматизировать природу, а чисто рациональный путь постижения реальности ограничен.

Таким образом, на современном витке развития общества становится все более очевидным, что решение многих проблем человечества связано с большей гармонизацией двух частей единой культуры. С одной стороны, необходимо привнести в сферу науки нравственные, этические и даже эстетические категории. С другой стороны, гуманитарной культуре полезно воспринять естественно-научную традицию постоянного пере-- осмысления накопленных ранее воззрений, вычленить законы гармонии, которые эффективнее работают при рационалистическом способе познания действительности.

Сциентизм и антисциентизм

Рассмотрим еще одну проблему интеграции науки, в частности естествознания, в общемировую культуру. Дело в том, что бурное развитие науки, укрепление ее взаимосвязей с техникой, с другими сферами общественной жизни и т.п. привели философов, социологов к различным оценкам науки и ее возможностей. Так, известный философ Г. Башляр был убежден в том, что возлагать на науку ответственность за жестокость современного человека - значит переносить тяжесть преступления с преступника на орудие преступления. Нельзя перекладывать на науку ответственность за искажение человеческих ценностей. К. Поппер считал очень опасным для человеческой цивилизации «восстание против разума» со стороны иррационалистических «оракулов» и разделял идею о том, что наука - это не только (и не столько) «собрание фактов», а одно из «наиболее важных духовных движений» наших дней и тот, кто не пытается его понять, выталкивает себя из этого наиболее замечательного явления цивилизации.

Наряду с такими восторженными откликами на значимость науки для цивилизации, получившими название сциентизма, есть и другие мнения о науке — антисциентизм. Так, современный известный методолог науки П. Фейерабенд считает, что значение и роль разума (рациональности) не следует преувеличивать и, более того, науку (как главного носителя разума) необходимо лишить ее центрального места в обществе, так как «господство науки - угроза демократии». Поэтому он предлагает ее «отделить от государства» и уравнять ее с религией, мифом, магией и другими духовными формообразованиями.

Таким образом, возрастание роли науки и научного познания в современном мире, сложности и противоречия этого процесса породили две противоположные позиции в его оценке. Сторонники сциентизма, отождествляя науку с естественно-математическим и техническим знанием, утверждают, что «наука превыше всего» и ее нужно внедрять в качестве эталона и абсолютной социальной ценности во все формы и виды человеческой деятельности. Только с помощью науки можно решить все общественные проблемы. При этом обычно принижаются или вовсе отрицаются социальные (гуманитарные) науки как не имеющие познавательного значения. В рамках сциентизма отвергается гуманистическая сущность науки как таковой.

В рамках антисциентизма, наоборот, наука и техника подвергаются резкой критике. По мнению сторонников этой концепции, наука не в состоянии обеспечить социальный прогресс, улучшение жизни людей. Исходя из действительно имеющих место негативных последствий научно-технической революции, антисциентизм в своих крайних формах вообще отвергает науку и технику, считая их силами, враждебными и чуждыми человеческой сущности, разрушающими культуру. Методологическая основа антисциентистских воззрений — абсолютизация таких отрицательных результатов развития науки и техники, как обострение экологической ситуации, военная опасность и др.

В этих альтернативных подходах к науке, безусловно, содержится ряд рациональных моментов, синтез которых позволит более точно определить ее место и роль в современной культуре. При этом одинаково ошибочно как абсолютизировать науку, так и недооценивать или полностью отвергать ее.

§ 1.2. Классификация наук и отраслей естествознания

Подходы к классификации наук

Одной из проблем естествознания является проблема классификации его отраслей, необходимой для раскрытия взаимной связи этих отраслей. При этом под классификацией обычно понимают систему соподчиненных понятий (классов объектов) какой-либо области знания или деятельности человека, используемую как средство для установления связей между этими понятиями или классами объектов. Классификация наук обычно проводится на основании определенных принципов (объективных, субъективных, координации, субординации и т.д.) путем выражения их связи в виде логически обоснованного расположения (или ряда) наук. При этом важную роль играют способы ее изображения (табличные, графические и т.д.).

Классификация естественно-научных отраслей имеет большое значение для организации научной, учебно-педагогической, библиотечной деятельности и т.д. Классификация наук и отраслей естествознания крайне сложна. Ее созданием занимались многие исследователи. Так, в конце XIX - начале XX в. В. Виндельбанд и Г. Риккерт разделяли науки на номотетические (имеющие дело с законами) и идеографические (изучающие единичные, неповторимые явления). У первых, по их мнению, познание построено по родовым понятиям и направлено на познание законов, а у вторых оно направлено на познание того, что индивидуально ценно.

О. Конт разработал классификацию наук (по степени уменьшения их абстрактности), противопоставив абстрактные науки конкретным. Абстрактные науки рассматривают при этом предметы без связи со специальными и индивидуальными признаками, т.е. имеют дело только со всеобщими процессами и свойствами (например, тяжесть, свет, магнетизм, материальный состав или духовные процессы как таковые), не заботясь об их принадлежности к тому или иному «царству» природы и об условиях времени и места. Конкретные науки, наоборот, рассматривают всеобщие процессы и состояния только как свойства определенных тел. В результате классификации Конт выстраивал ряд наук, начинающийся от совершенно абстрактных (математика в качестве чистой науки о формах), далее - физика, химия, психология, переходя затем к таким, которые принимают во внимание некоторые особые признаки (например, общая минералогия, общая ботаника, физиология, социология, общая политическая экономия), и заканчивая ряд конкретными науками, направленными на отдельные и коллективные понятия. Опираясь на классификацию О. Конта и идею И. Канта о том, что знания можно разделить по понятиям (логическое) и по времени и месту (физическое), А. Геттнер в 1930-х гг. предложил свою классификацию отраслей знания [4]. Он различал три группы:

1) систематические (предметные), к которым относятся науки, изучающие вещественный состав и отношение исследуемых объектов друг к другу (минералогия, петрография, ботаника, зоология и т.д.);

2) исторические (хронологические, временные), которые охватывают весь мир явлений и подразделяются на историю Земли, или историческую геологию, «первоначальную историю» и историю культурного человечества. Для этих наук главное - изучение развития явлений во времени;

3) пространственные (хорологические) науки, к которым Геттнер причислял астрономию и географию. Эти науки в первую очередь занимаются распределением объектов в пространстве, а потом уже их историей развития и вещественным составом.

Другая классификация наук и отраслей естествознания опирается на представление о формах движения материи Ф. Энгельса. Он выделял следующий ряд форм движения материи (от низшей к высшей): механическая, физическая, химическая, биологическая, социальная (экономическая). Этой последовательности соответствуют науки, занимающиеся изучением этих форм движения материи: механика, физика, химия, биология, общественные науки. Академик Б.М. Кедров предложил на уровне химической формы движения материи производить деление ряда на две ветви [7]. Одна ветвь через неорганическую химию переходит в геологическую, а другая - через органическую химию переходит в биологическую и далее в социальную форму движения. С.Т. Мелюхин предложил еще одну схему развития форм движения материи, в которой каждая низшая форма движения переходит в высшую и продолжает сосуществовать с ней. В 1970-е гг. B.C. Лямин предлагает продолжить геологическую ветвь географической формой движения, оставив за геологией изучение явлений, происходящих в литосфере, а за географией - тех, которые имеют место в гидросфере и атмосфере [12].

Помимо этих классификаций существует еще достаточно большое количество схем разделения науки и естествознания на отрасли.

Классификации позволяют в общем случае хотя бы приблизительно судить о соотношении наук и служат цели систематизации представлений о научных направлениях. Однако описанные классификации встречают определенные возражения. Есть мнение, согласно которому любое разделение науки на отрасли знания несет на себе отпечаток субъективности, так как природа едина. Поэтому известный ученый Я.Х. Вант-Гофф полагал, что всякие деления научных дисциплин произвольны, ибо наука, как и природа, отражением которой она является, образует одно неразрывное целое. А по мнению В.И. Вернадского, рамки отдельных наук, на которые распадается знание, не могут точно определить область научной мысли исследователя. Тогда целесообразно специализироваться не по наукам, а по проблемам.

Сложившееся разделение наук

В настоящее время предпринимаются дальнейшие попытки классификации науки и отраслей естествознания. Особые споры ведутся при выявлении наиболее фундаментальных (общих, основных) направлений. Для того чтобы составить общее представление о том, как делятся современные естественные науки, можно обратиться к представлению наук в классических университетах. Как правило, здесь выделяются физический, химический, биологический, геологический и географический факультеты. В нашей стране иногда к биологическим добавляют почвенный факультет.

В Российской академии наук несколько иная классификация фундаментальных отраслей науки естествознания. О ней можно судить по списку отраслей знания, по которым Российским фондом фундаментальных исследований объявляется конкурс грантов на поддержку исследований. Классификатор имеет три уровня, два из которых приводятся ниже:

01. Математика, информатика, механика

04. Биология и медицинская наука

0l·-100 Математика

04-100 Общая биология

01-200 Информатика

04-200 Физико-химическая биология

01-300 Механика

04-300 Физиология и медицинская наука

02. Физика и астрономия

05. Науки о Земле

02-100 Ядерная физика

05-100 Геология

02-200 Физика конденсированных сред

05-200 Геохимия

02-300 Оптика. Квантовая электроника

05-300 Горные науки

02-400 Радиофизика, электроника, акустика

05-400 Геофизика

02-500 Физические основы энергетики

05-500 Океанология

02-600 Физика плазмы

05-600 Физика атмосферы

02-700 Теоретическая физика

05-700 География и гидрология суши

02-800 Астрономия

06. Науки о человеке, природе и обществе

03. Химия

06-100 Исторические науки

03-100 Органическая химия

06-200 Экономические науки

03-200 Неорганическая химия

06-300 Философские и социальные науки, психология

03-300 Высокомолекулярные соединения

06-400 Лингвистика, филология, культурология, искусствоведение

03-400 Физическая химия

03-500 Динамика и структура атомно-молекулярных систем

03-600 Фундаментальные проблемы формирования материалов

О классификации наук в настоящее время можно судить по списку из 22 направлений, по которым в нашей стране присуждается степень кандидата и доктора наук: архитектурные науки, биологические науки, ветеринарные науки, военные науки, географические науки, геолого-минералогические науки, искусствоведение, исторические науки, медицинские науки, педагогические науки, политологические науки, психологические науки, сельскохозяйственные науки, социологические науки, технические науки, фармацевтические науки, физико-математические науки, филологические науки, философские науки, химические науки, экономические науки и юридические науки.

Таким образом, вопрос классификации естествознания восходит к традиции и историческим причинам. Так или иначе, исходя из различных классификаций (как чисто научных, так и ведомственных), а также из структуры большинства классических университетов, можно выделить пять фундаментальных направлений естествознания: физика, химия, геология, биология и география. Эти дисциплины можно сгруппировать следующим образом: физико-химический цикл, изучающий наиболее общие свойства материи и ее видов (субстанций и веществ); цикл наук о Земле, рассматривающий вопросы проявления общих свойств материи на Земле; биологические науки, с этой точки зрения имеющие двойственную позицию: с одной стороны, они занимаются свойствами материи, а с другой - в рамках этих наук рассматривают и распределение жизни на Земле в пределах различных систем разного ранга (биогеоценозы - от самых малых до всей биосферы). Кроме указанных наук частично в этот круг включают психологию как науку, имеющую дело со всевозможными разумными существами. Проблемой классификации естественных наук является определение места некоторых дисциплин, которые выделились или всегда существовали параллельно, тесно переплетаясь с уже рассмотренными дисциплинами, но при анализе оказываются как бы в стороне: медицина, сельскохозяйственный цикл наук, почвоведение, земледелие и т.д. Особое место занимает математика, которая по существу является достаточно универсальным языком для естественно-научных дисциплин.

§ 1.3. Естествознание и религия

Взаимоотношения религиозного и научного знаний

В течение тысячелетий существования человеческих цивилизаций знания о мире, ремесла и вера не разделялись [18]. Накопление практических знаний об окружающем мире на самых древних этапах становления общества происходило в рамках мифологического, а далее религиозного миропонимания. Эмпирически найденные приемы охоты, обработки земли и создания орудий закреплялись авторитетом религии как данные свыше установления. В различных эпосах, мифах, сказаниях разных народов мира классическим сюжетом является повествование о том, как Бог (или боги) дарует людям изначально плуги, кузнечные, ткацкие и иные ремесленные орудия и научает людей, как возделывать землю, изготавливать посуду, строить дома, ткать ткани и т.д. Рождались освященные традиции.

Выделение умственного труда первоначально осуществлялось в системе религии. Тайны мира открывались только посвященным; научные знания о мире считались священными, а ученые, как правило, были священнослужителями, теологами. В Египте, Вавилонии, Ассирии, Китае в древних храмах, монастырях возникали и сохранялись письменность, системы исчислений. Древние мудрецы умели определять периоды солнечных и лунных затмений, решать уравнения первой, второй и даже третьей степени, определять площади фигур. Был изобретен календарь, в котором год делился на 12 месяцев, по 30 дней в каждом. Египетские жрецы имели большие практические знания в химии, медицине, оповещали население о разливах Нила, нашли способ бальзамирования тел, изготовления папируса. Древние сооружения, пирамиды, храмы и сегодня поражают своей грандиозностью, красотой и глубиной заложенных в них математических, астрономических и других знаний.

Теоретическое сознание как оперирование понятиями, необходимое для возникновения науки, также формировалось в рамках религиозного мировоззрения. Так, в пифагорейской школе понятие числа приобретает особый статус. Проникновение в природу числа мыслилось как специфический путь постижения сущности мира. Чтобы стать объектом теоретического сознания, число первоначально должно было сакрализоваться, превратиться в объект почитания. В средние века в рамках схоластики развивались логические знания. Не только математика, логика, но и астрономия, медицина и другие отрасли науки как особые отрасли духовного производства возникали и функционировали в системах религиозного мировоззрения.

Формирующееся естествознание постепенно создавало понятийные системы, образуя свой теоретический мир, отличающийся от того, который разворачивался перед обыденным сознанием. Естествознание вырабатывало набор особых критериев, призванных отделить ее от других форм духовной деятельности. Пока формирующееся естествознание, его понятия и идеи носили сакрализованный характер, т.е. были наделены священным религиозным содержанием, оснований для конфликтов между религией и естествознанием не возникало, поскольку знания о природе вписывались в религиозную картину мира. Эти конфликты стали проявляться тогда, когда большинство религий полностью сакрализовали картину мира, а естествознание, вырабатывая свои методы познания, стало подвергать сомнению элементы этого миропонимания.

Особую остроту взаимоотношения религии и естествознания приобрели в XVII-XVIII вв. Один из таких конфликтов возник вокруг созданной Н. Коперником гелиоцентрической системы движения планет. Сам автор предложил ее как наиболее простой способ исчисления пасхалий; он говорил: «Моя задача - найти истину в великом Божьем творении». Однако объективно эта система подрывала представление о Земле как неподвижном центре Вселенной.

В 1600 г. за пропаганду гелиоцентрической системы и идеи о множестве обитаемых миров был сожжен в Риме Дж. Бруно. Г. Галилея заточили в тюрьму и вынудили публично отречься от поддержки гелиоцентрической системы. Теологам было сложно согласовать библейскую идею творения Богом Вселенной для человека, который оказался не в ее центре, а на одной из планет Солнечной системы, расположенной на краю Галактики.

Несмотря на то что сочинение Коперника находилось в Индексе запрещенных книг до 1820-х гг., его идеи распространялись. Открытые в XVII в. и примененные затем для объяснения движения планет законы механики, закон всемирного тяготения уже не воспринимались в качестве ереси. Так, И. Ньютон, будучи христианином, считал свои открытия вполне совместимыми с христианством. Ньютон считал, что из слепой физической необходимости, которая всегда и везде одинакова, не могло бы произойти никакого разнообразия и все соответственное месту и времени разнообразие сотворенных предметов, что и составляет строй и жизнь Вселенной, могло произойти только по мысли и воле Сущего Самобытного — Господа Бога.

Гелиоцентрическая система укоренялась в сознании естествоиспытателей, и теология вынуждена была смириться с этим. Сформулированная во второй половине XVIII в. гипотеза И. Канта и П.С. Лапласа о возникновении Солнца и планет из вращающегося раскаленного газового облака уже не вызывала резкой реакции церкви в изменившейся культурной атмосфере, хотя и отвергалась ею.

В своем объяснении мира идеал классического естествознания требует исходить из того, что существует, а религия исходит из того, что то, что существует, имеет еще и смысл. Этому идеалу соответствовало представление мира в форме бесконечной причинно-следственной связи явлений, т.е. такой их совокупности, которая, рассмотренная в целом, причины вне себя иметь не может.

Одним из существенных аспектов сформировавшегося в XVII-XVIII вв. классического естествознания было исключение из числа категорий научного мышления понятия цели. Сформированные в этот период естественно-научные программы были едины в том, что естествознание должно полностью освободиться от телеологии: природа — царство действующих причин, в ней нет смысловых связей, а есть лишь связи причинно-следственные.

Благодаря успехам механики как науки была создана механическая картина мира, в которой Бог признавался в качестве творца материи и движения. На этой научной основе возникла новая философская концепция - деизм, который противопоставляется исторически существовавшей религии. В деизме Бог признается как мировой разум, сконструировавший целесообразную «машину» природы и давший ей законы и движение, но отвергает дальнейшее вмешательство Бога в самодвижение природы (т.е. «промысел божий», чудеса и т.п.) и не допускает иных путей к познанию Бога, кроме разума. Конфликтная ситуация возникает не из-за законов самой небесной и земной механики. Здесь друг другу противостоят разные картины мира, разное понимание божественного присутствия в нем, а вере в Откровение противопоставляется рациональный метод познания мира.

Процесс быстрого накопления научных знаний в XIX в. привел к созданию новой картины мира. Особую роль в ее формировании сыграл открытый в 1840-х гг. закон сохранения энергии, утверждавший неуничтожимость энергии, ее переход из одного вида в другой, неуничтожимость материи. Другим важным открытием в исследовании живой природы было установление клеточного строения живых тел. Было доказано, что клетка является элементарной структурной единицей живого - растений, животных, микроорганизмов. Химики, синтезировав мочевину, которую находили ранее только в живом теле, показали, что при всей глубине различий живого и неживого между ними нет непроходимой пропасти.

В середине XIX в. новый конфликт между религией и естествознанием возник в связи с появлением теории Ч. Дарвина. Обобщив обширный фактический материал, он доказал, что виды растений и животных не постоянны, а изменчивы, и пришел к выводу, что способность организмов приспосабливаться, целесообразность их строения и поведения есть результат процесса естественного отбора. Теория Дарвина вступала в противоречие с идеей божественной целесообразности живой природы, подводила к выводу о естественном возникновении жизни на Земле. Эти и другие открытия создавали картину природного мира, в которой разные формы движения при всех их отличиях оказались взаимосвязанными и объясняемыми на основе своих собственных, присущих природе самого предмета законов.

В конце XIX в. началась революция в естествознании, ознаменовавшаяся открытием рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона. В 1920-х гг. создана теория строения атомов и молекул, открыты и изучены свойства элементарных частиц. На основе этих достижений во второй половине XX в. стало возможным практическое использование атомной энергии, эксперименты в области термоядерного синтеза. Был открыт микромир, в котором действуют неизвестные ранее явления в объектах с необычными свойствами, выявлены многообразие и изменчивость космической среды — мегамира. Развитие генетики позволило добиться успехов в изучении механизма наследственности. В XX в. новое развитие получила идея эволюционизма. Она привела к созданию синтетической теории эволюции как продукта синтеза классического дарвинизма с современной молекулярной генетикой. Более того, эволюционизм вышел за пределы биологии. Важнейшие проявления современной идеи эволюционизма выразились в концепции эволюции Вселенной (A.A. Фридман, Г.А. Гамов, Э.П. Хаббл и др.), неравновесной термодинамике (И. Пригожий), синергетике (Г. Хакен), идее самоорганизации (Н. Винер, У.Р. Эшби и др.), в обнаружении дарвиновского отбора на уровне молекулярных структур (М. Эйген). Современный этап научно-технической революции открывает широкие перспективы для общества, которые ассоциируются с микроэлектроникой, информатикой, робототехникой, биотехнологией, созданием материалов с заранее заданными свойствами и новыми источниками энергии. Развитие микроэлектроники позволяет значительно увеличить возможности человека при решении интеллектуальных задач, повысить производительность труда и изменить его характер.

Естественно-научные открытия и основанный на них научно-технический прогресс оказали заметное воздействие на интерпретацию фундаментальных принципов различных типов и видов мировоззрений. В конечном счете это послужило одним из факторов процесса секуляризации, т.е. освобождения от религиозного влияния многих сфер жизнедеятельности общества и личности.

В то же время использование достижений науки и техники для создания оружия массового уничтожения, накопление его в огромных масштабах порождают у людей серьезную обеспокоенность, неуверенность в завтрашнем дне. Кроме того, нарастающие темпы промышленного развития создают глобальные экологические проблемы. Проникновение человечества в микро- и мегамир, к которым неприложимы обычные характеристики и представления, сложившиеся в макромире, породило в сфере естественных наук тенденцию к утверждению инструментализма как методологического принципа. Согласно этому принципу, наука не может открыть и не открывает нам новых миров, она является лишь инструментом, при помощи которого описываются наблюдаемые явления.

Естествознание с точки зрения теологов

Современное естествознание оказывает влияние как на формирование нерелигиозного мировоззрения, так и на процессы адаптации религиозного мировоззрения к условиям современности. Развитие науки ставило и ставит перед теологией принципиальные вопросы. Среди богословов нет единства в трактовке многих положений религии [18].

Одни из них отстаивают идею творения, используя естественно-научные теории тепловой смерти Вселенной, большого взрыва, «черных дыр», генных мутаций и пр., а также ссылаясь на нерешаемость на данном уровне развития знаний ряда научных проблем. Так, в 1970 г. в США был создан Институт креационных исследований. Обычно под креационизмом понимают направление в естественных науках, объясняющее происхождение мира актом сверхъестественного творения и отрицающее эволюцию. Основатель института Г. Моррис полагает, что креационная модель творения в отличие от эволюционной выделяет особый начальный период творения, в течение которого важнейшие системы природы были созданы в завершенном, действующем виде с самого начала. Поскольку естественные процессы в настоящее время ничего подобного не создают, процессы творения должны быть сверхъестественными; их осуществление требовало всемогущего, трансцендентного, «запредельного» Создателя. Когда Создатель завершил акт творения, процессы создания были окончены и заменены процессами сохранения, чтобы поддерживать Вселенную и обеспечить ей возможность выполнить некое предназначение [16].

Попытки истолкования естественно-научных фактов для доказательства существования Высшего Творца и отрицание эволюционных идей предпринимаются не только в христианстве. Так, интерпретацию эволюционной теории с позиций ислама дает турецкий теолог Аднан Октар (Харун Яхья). Рассматривая различные объекты из области современного естествознания (атомы, клетки, гормоны, растения и животные, человек и т.д.), он приходит к заключению, что все они настолько сложны, что не могли быть созданы эволюционным путем, а лишь с помощью Всевышнего.

В христианском модернизме популярно мнение о том, что в библейских историях творения отражен не реальный ход событий, а свидетельство определенного этапа развития человеческого опыта, знания о мире, стиля мышления и речи. Например, протестантский богослов Дж. Хик утверждает, что истории творения по своему характеру мифологические и современная теология не должна поддерживать положение о творении. По его мнению, оценивая сегодня библейские представления о творении, абсурдно настаивать на том, что они являются наукой или историей, и делать о них научные или исторические заключения.

Современные теологи по-разному оценивают причины и сущность конфликтов между религией и наукой. Некоторые из них полагают, что противоборство религии и науки объясняется непониманием Священного Писания, в котором Бог, давая человеку наказ владычествовать над миром, косвенно предписывал ему заниматься наукой, ибо без ее помощи неосуществимо выполнение божественного наказа. А. Хайард, будучи одновременно и физиком, и богословом, считает, что в таких конфликтах нередко повинны и сами служители церкви, отвергавшие научные теории на основании собственных интерпретаций библейских текстов. Сталкиваясь с научными теориями, которые противоречили их представлениям о мире, они предпочитали не анализировать их, а априори объявляли несоответствующими Писанию и на этом основании отвергали их. По мнению Хайарда, такие теологи, выступая против науки, думали, что они защищают веру и Библию, но на самом деле они отстаивали собственные, часто неверные ее интерпретации, нанося в итоге вред своему делу, ибо создавали у людей впечатление, что христианство противостоит научному методу познания.

Широко распространены представления о том, что в конфликте религии и науки виновниками столкновений являются обе стороны. Теологи Э. Фер, О. Шпюльбек, Н. Янг и др. видят причины конфликтов между религией и наукой в том, что обе стороны переходили границы своих областей исследования и позволяли себе вторгаться в сферы, где они не могли высказывать компетентных суждений: теологи требовали от ученых, чтобы их данные согласовывались с религиозными представлениями о мире, а ученые утверждали, что их достижения доказывают ложность представлений о существовании Бога.

Теологи полагают, что наблюдаемые сегодня результаты такого противостояния крайне плачевны, поскольку у ученых отсутствует чувство ответственности за последствия внедрения естественно-научных достижений в практику. Здесь церкви могли бы выступать как «моральные посредники», помогающие человеческому обществу в научной и технологической деятельности.

При реализации этой программы необходимо установить новые отношения между религией и наукой.

Долгое время в теологии была популярна точка зрения, согласно которой конфликтов религии и науки можно избежать, если рассматривать их как независимые области человеческой деятельности и культуры вследствие фундаментальных различий между ними. Такая точка зрения вызывает возражения у многих теологов, поскольку они считают, что тот, кто не принимает божественного вторжения в природу, вряд ли согласится допускать его вмешательство и в сферы личности, общества, истории. Кроме того, если можно построить адекватную картину природного мира без соотнесения ее с Богом, то очевидно, что такой Бог не может быть подлинным Богом-Творцом, следовательно, в него нельзя верить и как в источник морали.

Другие теологи, обращаясь к идее разграничения религии и науки, полагают, что научная интерпретация основана на принципе причинности, а фундаментом религиозной интерпретации является убеждение в наличии смысла, значения вещей. Конечно, наука может обнаруживать и изучать смыслы отдельных феноменов и процессов, но смысл целостной структуры мира и культуры для нее недоступен, поэтому она не может указать человеку жизненную ориентацию, определить цель его существования. Религия же позволяет достичь подлинной истины через изменение, реформацию самого человека, оказывая ему помощь в обретении смысла жизни.

X. Ролстон высказывается так: наука ищет знания, а религия — мудрости, т.е. они не исключают друг друга, а частично совпадают. Следовательно, союз религии и науки может быть полезен для обеих сторон.

Желая установления союза религии и науки, теологи отмечают сходность черт этих областей культуры. Так, индийский теолог П. Грегориос считает, что обе они представляют собой пути отношения человека к реальности, имеют субъективный и объективный полюсы, когнитивное (познавательное) и практическое содержание. Обе изучают структуру реальности, оказывают влияние на самого человека и на его отношение к миру. И религия, и наука характеризуются определенными традициями, наличием преемственности в своей деятельности, являются институционально организованными общественными учреждениями и претендуют на исключительный доступ к знанию реальности.

Некоторые теологи объявляют науку особого рода религией. По их мнению, наука, как и теология, занимается трансцендентными объектами, выходящими за пределы непосредственно наблюдаемого. Религия и наука пытаются постигать действительность при помощи понятийных конструкций, являющихся продуктом мышления исследователей. Например, физики сегодня оперируют понятием «нейтрино» - конструкцией, используемой для объяснения определенных физических процессов и содержащей ряд свойств, которые невозможно изобразить при помощи классической физики. То же можно сказать и о теологическом определении Божественной Троицы (Триединства), которое также является понятийной конструкцией, характеристики которой не могут быть описаны в терминах, относящихся к сотворенному миру.

Непосредственная ненаблюдаемость того или иного феномена и невозможность его изображения вовсе не означают отрицания его существования. Поэтому, с точки зрения Ролстона, неверие в Бога на основании его невидимости не более резонно, чем неверие по той же причине в элементарные частицы.

По мнению некоторых теологов, и в науке, и в религии используются руководящие теоретические концепции, или парадигмы. В науке это, например, ньютоновская и эйнштейновская, птолемеевская и коперниковская системы объяснения устройства и функционирования мира. Парадигмы в религии - признание того, что Бог есть Любовь, что Христос - Богочеловек и т.п. Так же как и в науке, в религии были парадигмы, которые сегодня полностью отброшены или серьезно оспариваются: шестидневное творение, вербальная непогрешимость Библии и др. Конечно, религиозные парадигмы устойчивее, чем научные, но и они переживают рождение и гибель.

Другой вопрос, который активно обсуждается теологами, -соотношение объективного и субъективного в науке и религии. И та, и другая стремятся к тому, чтобы их информация была объективной, но элемент субъективного неизбежно присутствует в них обеих. Всякое познание представляет собой определенное отношение человека к реальности, поэтому субъективный фактор играет в познавательном процессе существенную роль. Ясно, что в религию элементы субъективного проникают более глубоко, чем в науку. Но сегодня и научное познание становится все более субъективным, поскольку радикально меняется статус исследователя: из простого зрителя он превращается в активного участника, которого нельзя отделить от объекта наблюдения. Так, в квантовой физике процесс наблюдения решающим образом влияет на наблюдаемую систему; кроме того, ученый сам выбирает, что и как изучать. Теологи все же признают, что наука дает объективное знание о мире, что в целом она не субъективна, а скорее персональна, она выдерживает попытки фальсифицировать ее, успешно объясняет факты, генерирует подтверждаемые опытом предсказания. От субъективизма науку во многом предохраняет то, что ученый работает не один, а в научном сообществе.

Многие теологи настаивают на том, что полное адекватное постижение действительности возможно только при условии объединения религиозного и научного путей ее познания. Для обоснования этой возможности используется принцип дополнительности, выдвинутый Н. Бором в 1920-х гг. для истолкования познавательной ситуации, возникшей в квантовой механике. Согласно этому принципу, при экспериментальном исследовании микрообъекта могут быть получены точные данные либо о его энергиях и импульсах, либо о поведении в пространстве и времени. Эти две взаимоисключающие картины - энергетически-импульсная и пространственно-временная, получаемые при взаимодействии микрообъекта с соответствующими измерительными приборами, «дополняют» друг друга. Поэтому некоторые современные теологи признают возможность построения единой целостной картины мира на основе синтеза науки и религии. Для реализации этой задачи следует избегать крайностей - соблазна фиксировать их сходство и забывать о различиях или, наоборот, абсолютизировать эти различия. Например, папа Иоанн Павел II считает, что единство религии и науки, к которому стремится христианство, вовсе не означает их идентичности. По его мнению, единство всегда предполагает несходство и интеграцию его элементов. Каждый из элементов должен стать не меньше, а больше себя в динамическом взаимообмене, ибо единство, в котором один из элементов редуцируется к другому, является деструктивным, ложным в его обещании гармонии и гибельным для интеграции его компонентов.

§ 1.4. Естествознание и философия

Взаимоотношения философии и естествознания

Между философией и естествознанием всегда существовала тесная взаимосвязь [14, 24, 28, 29]. Она восходит еще к античному периоду становления науки. Как уже отмечалось, первичное нерасчлененное знание о мире и человеке, накопленное в течение многих столетий развития первобытно-родового общества, было совокупностью эмпирических сведений, верований и мифов, устно передававшихся от поколения к поколению. Изобретение письменности, развитие материального производства, разделение умственного и физического труда интенсифицировало накопление знаний. Это привело к возникновению науки как теоретической системы знаний о мире, а затем - к дифференциации наук. Становление философии и конкретных естественных наук по их предмету и теоретическому содержанию исторически происходило более или менее одновременно и параллельно при постоянном взаимодействии друг с другом и непрерывном обмене концепциями. Уже в Древней Греции наряду с философскими концепциями мироздания и общества начали формироваться такие науки, как астрономия, арифметика, геометрия, география, медицина, история, которые не считались философией.

Вместе с этим происходило предметное самоопределение философии, которая все более сосредоточивалась на всеобщих проблемах бытия и познания. В ее рамках рассматривались вопросы сущности мира: был ли он создан Богом или существует вечно и материален; в чем смысл жизни; каковы перспективы и цели общества, грядущая судьба человечества; познаваем ли мир и каковы законы и методы этого познания. Эти вопросы и сейчас являются предметом философских дискуссий. Естественные науки также участвовали в их обсуждении и давали свои решения, но по мере дифференциации наук и более точного определения их предмета область исследования в каждой из наук ограничивалась более частными и конкретными вопросами.

Считается, что становление теоретического естествознания началось в XVII в. во многом благодаря ускоряющему воздействию материального производства и развитию капитализма.

B XVII-XIX вв. активно развиваются математика, физика, астрономия, биология и другие естественные и гуманитарные науки, все более отдаляющиеся от философии. В натурфилософии (философии природы) того времени конкретно-научные теории и факты часто связывались со схемами религиозного мироздания. Так, Г.В. Лейбниц все явления природы трактовал как формы реализации некоторой мудрой цели, поставленной творцом, создавшим этот лучший из всех возможных миров. И. Кант развивал динамическую концепцию материи как формы проявления активной энергии, вложенной Богом в субстанцию в момент создания мира.

В натурфилософии Ф.В. Шеллинга и Г.В.Ф. Гегеля также давалось телеологическое и пантеистическое понимание природы. Например, по Гегелю, природа - это форма инобытия абсолютного духа, который в процессе саморазвития трансформируется в природные и социальные явления и через них все более полно познает свою сущность, достигая в конечном счете абсолютного знания. При этом если теории и факты естествознания не укладывались в общую концепцию, то эти теории и факты должны быть отвергнуты как ложные. Так, Гегель выступает против спектральной теории света Ньютона, отвергает атомистику, кинетическую теорию теплоты и т.д. В конечном счете всякую науку Гегель рассматривал как прикладную логику.

Натурфилософские представления развивались и в рамках французского материализма второй половины XVIII в. В трудах П.А. Гольбаха, Д. Дидро, Ж.Л. Д'Аламбера, П.С. Лапласа, Ж.О. Ламеттри излагается представление о природе как о движущейся материи, вечной во времени и бесконечной в пространстве, находящейся в постоянном саморазвитии в виде круговоротов и закономерно порождающей жизнь и разум на планетах, где для этого существуют благоприятные условия. По их представлениям, все явления в мире детерминированы материальными связями и естественными законами, познание которых даст со временем возможность объяснить любые явления. Гегель называл такой материализм механическим. Этот термин впоследствии получил достаточно широкое распространение. Из всех естественных наук того времени механика достигла наибольших успехов ко второй половине XVIII в., особенно астрономия и небесная механика. Французские материалисты широко использовали эти достижения, но не ограничивались ими. В своей философской аргументации они обращались к естественным наукам, фактам истории, искусству, этическим и правовым теориям. В России того времени соединение достижений науки и материалистического миропонимания было осуществлено в трудах М.В. Ломоносова.

В XIX в. натурфилософия развивалась в трудах П.С. Лапласа, Дж. Дальтона, Л. Фейербаха, М. Фарадея, Дж.К. Максвелла, Ч. Дарвина, Э. Геккеля, Л. Больцмана и других ученых, которые в своем философском миропонимании опирались на достижения науки, а некоторые из них сами были авторами фундаментальных открытий и теорий. Характерно, что новые естественнонаучные концепции вначале формулировались их авторами в виде философских идей, а по мере их разработки, эмпирического и теоретического обоснования воплощались в конкретно-научные теории. Философское миропонимание выполняло конструктивную эвристическую функцию.

Во второй половине XIX в. проблему взаимодействия философии и естествознания рассматривали К. Маркс и Ф. Энгельс. Так, Энгельс свой труд «Диалектика природы» посвятил диалектико-материалистическому анализу достижений науки в понимании природы, раскрытию всеобщих свойств и законов движения материи, уточнению принципов диалектического материализма. По мнению Энгельса, не природа должна согласовываться с принципами, а принципы верны лишь постольку, поскольку они соответствуют действительности.

Как негативная реакция на идеалистическую натурфилософию получил распространение позитивизм О. Конта и его последователей. Конт полагал, что наука не нуждается в организующей ее философии, что она сама заключает в себе философское понимание мира и его познания. Согласно концепции позитивизма, подлинное, «положительное» (позитивное) знание может быть получено лишь как результат отдельных конкретных наук и их синтетического объединения. На место той философии, которая существовала тогда, Конт предлагал поставить синтетическое научное знание, сведенное к общим выводам из естественных и общественных наук. Позитивизм отвергает претензии философии на раскрытие причин и сущностей. По Конту, наука не объясняет, а лишь описывает, отвечает на вопрос не «почему», а «как». В рамках исторически первой формы позитивизма, именуемой классическим позитивизмом, утверждалось, что наука способна к бесконечному развитию (О. Конт), однако мир объективной реальности непознаваем (Г. Спенсер).

Позитивизм Конта послужил одним из важнейших источников философии эмпириокритицизма (махизма) - второго этапа развития позитивизма. Дело в том, что открытия конца XIX - начала XX в. (делимость атомов, существование кванта действия и других качественно иных законов микромира) привели к кризису механической картины мира. Это было истолковано некоторыми философами как кризис физики, опровержение материализма и доказательство полной относительности и условности научных теорий. Э. Мах, Р. Авенариус и их последователи сформулировали свою философию естествознания — эмпириокритицизм. В рамках этой философии, так же как и в классическом позитивизме, отрицались и материализм, и идеализм. Мах рассматривал материю как совокупность «элементов мира», представляющих собой комбинации физических и психических свойств (вторичных качеств). Он сформулировал принцип экономии мышления, по которому мышление представляет собой изначальную биологическую потребность организма в самосохранении, обусловливающей необходимость «приспособления» организма к фактам. Поэтому объяснительная часть науки является излишней и в целях экономии мышления должна быть удалена. То же содержание Авенариус вкладывает в принцип наименьшей траты сил. Считая, что в опыте снимается противоположность материи и духа, он выдвинул теорию принципиальной координации, согласно которой «без субъекта нет объекта», т.е. без сознания нет материи. Таким образом, природа ставилась в зависимость от субъекта и способов ее восприятия.

Дальнейшее развитие позитивизма связывают с неопозитивизмом, появление которого относят к 1920-м гг. Продолжая традицию позитивизма, сторонники неопозитивизма отрицают возможности философии как теоретического познания, отрицают постановку вопроса об отношении материи и сознания, считая это способом преодоления конфронтации идеализма и материализма. В рамках данного течения внимание концентрируется на анализе роли знаково-символических средств научного мышления, отношения теоретического аппарата и эмпирического базиса науки, природы и функции математизации и формализации знания и пр.

Кроме рассмотренных философских систем и их отношения к естествознанию существуют и другие взгляды. Однако нам интересны две крайние «модели» решения вопроса взаимодействия естествознания и философии: во-первых, умозрительно-философский подход (натурфилософия, философия истории и т.п.), сущность которого состоит в прямом выведении специальных положений частных наук непосредственно из общих философских принципов без проведения анализа конкретного - фактического и концептуального - материала естественных наук; во - вторых, позитивизм, согласно которому «наука сама себе философия». При использовании этих крайних моделей роль философии в частнонаучном познании либо абсолютизируется (в первой модели), либо принижается или даже вовсе отвергается (во второй).

Философские основания естествознания

Взгляды на то, что является философскими вопросами естествознания, исторически менялись с развитием науки [14, 24, 28, 29 и др.]. В XVII-XVIII вв. философскими считались вопросы о природе теплоты, электричества, магнетизма, о свойствах атомов, строении Солнечной системы, причинах болезней и т.п. По мере их решения они переходили в ведение физики, астрономии или медицины. Мысль философов устремлялась к новым проблемам, по которым выдвигались различные гипотезы. Но когда эти проблемы становились объектом специального научного исследования в конкретных дисциплинах, по ним накапливался большой эмпирический материал и ученые давали их теоретическое объяснение, большинство философов утрачивало к ним интерес, переходя к новым спорным вопросам общего характера. Так, в конце XIX в. обсуждались вопросы о природе эфира, сущности электромагнитного поля, строении атомов, происхождении звезд, эволюции живой природы и др. Затем философские дискуссии переместились в .область анализа квантовой механики, теории относительности, космологии, генетики, а многие из этих дискуссий продолжаются до сих пор.

Философские проблемы науки обычно находятся на переднем крае науки, отличаются неоднозначностью решений, служат объектом различных подходов в дискуссиях. Иногда они совпадают с общетеоретическими проблемами какой-либо фундаментальной науки, но это не обязательно, так как в науках существует много общетеоретических нефилософских проблем. Теоретические и философские проблемы совпадают тогда, когда решение их важно не только для одной конкретной науки, но и для других наук, вносит вклад в общую картину мира и методологию познания. Философские проблемы естествознания возникают на «стыках» различных дисциплин и философии, их разработка и решение выступают как одна из важных форм интеграции научного знания. В качестве критерия философского характера той или иной естественно-научной проблемы принимается наличие в ней гносеологических (эпистемологических) аспектов; мировоззренческие, методологические и социальные проблемы также считаются философскими.

В рамках современной философии рассматриваются разнообразные естественно-научные проблемы, например: раскрытие общих свойств, законов структурной организации, изменения и развития различных типов природных систем; выявление закономерностей естественно-научного познания, его логики и методологии, психологии научных открытий; анализ дифференциации и интеграции научного знания, соотношения между новыми и старыми теориями, различными методами познания, определение возможностей и сферы применимости каждого из общенаучных методов и т.д.; анализ социальных аспектов применения естественно-научных открытий, а также социального статуса естествознания; определение степени универсальности категорий, законов и принципов естествознания, границ их применимости, содержательной логики этих теорий; изменение предмета теории с ее развитием.

Полученная в результате решения проблем информация распределяется двояким образом. Информация, имеющая глобальное мировоззренческое или социальное значение, входит в систему философских знаний. Если выводы имеют конкретно методологический смысл, они включаются в теорию фундаментальных наук. Более того, та или иная философская категория, имеющая общенаучное значение и интенсивно используемая в частных науках, детально разрабатывается в ее смысловом содержании в контексте науки и философии. Старые же философские категории или принципы, не используемые в науке, и в философии со временем выходят из употребления и представляют лишь исторический интерес. Например, общенаучный статус приобрели такие категории, как материя, движение, пространство, время, связь, взаимодействие, причинность, система, структура, вероятность, бесконечность, развитие, целостность и др. И в философии эти категории и связанные с ними принципы получили дальнейшее развитие. Вместе с тем некоторые широко употреблявшиеся в прошлом философские категории, в частности модусы субстанции, акциденции, сущностные силы, вещь в себе, в-себе-бытие, для-себя-бытие и др., не прижились в естествознании и, как следствие, практически вышли из употребления в философии современного естествознания.

При анализе философских вопросов естествознания особенно важны не столько сами конкретные вопросы или проблемные ситуации (их может быть очень много), сколько их конструктивные решения, обогащающие научное знание и входящие затем в систему философских оснований науки. К таким основаниям относят фундаментальные принципы и законы теории, составляющие ее каркас и придающие ей целостность. В каждой науке существуют собственные теоретические основания, которые используются для объяснения эмпирических фактов и предсказания новых явлений.

Кроме фундаментальных принципов и законов в теории имеются философские основания в виде положений, принципов и законов мировоззренческого, методологического или социального содержания. Мировоззренческие основания включают в себя совокупность фундаментальных принципов и законов, отражающих наиболее общие, или универсальные, свойства и законы бытия, материи, важнейшие стороны действительности. Методологические основания - это принципы познавательной деятельности, законы развития и смены теорий, взаимоотношения между различными теориями, совокупность методов научного познания. В системе методологических оснований раскрывается взаимоотношение между общими методами познания: индуктивным, дедуктивным, аксиоматическим, моделирования, системно-структурным и др. Помимо этого, методология еще подразумевает мировоззренческие законы и принципы, если они используются для объяснения явлений природы, интеграции научного знания либо являются ориентирующими установками в познании. Социальные основания теории включают в себя систему принципов и положений, определяющих место данной науки в общем человеческом знании, ее цель и назначение в плане удовлетворения социальных потребностей и ориентации, взаимоотношение науки и производства, науки и общественных отношений, морали, искусства, эстетические аспекты в научном творчестве и в развитии теории, движущие силы и закономерности развития теорий как социальных явлений.

Философские основания фактически входят в содержание любой фундаментальной науки, определяют ее мировоззренческое и методологическое значение. От исходной философской идеи нередко зависит степень обоснованности разрабатываемой гипотезы или концепции. Развитие наук неизбежно влечет за собой смену научных теорий, возможность ретроспективного анализа выдвигавшихся концепций, совершенствование общенаучных методов исследования, фундаментализацию одних теорий при помощи других. При последовательном решении многих традиционных проблем возникают новые философские проблемы в науках.

Рациональное решение проблемы взаимодействия естествознания и философии связано с рядом соображений. Во - первых, воздействие философских принципов на процесс научного исследования, как правило, осуществляется не прямо, а сложным опосредованным путем - через методы, формы и концепции других методологических уровней (прежде всего через общенаучный). Философия влияет на научное исследование на всех его стадиях, но в самой большой степени - при построении фундаментальных теорий. Причем это влияние может быть как позитивным, так и негативным - в зависимости от содержания философских идей, которыми руководствуется ученый. Воздействие философии на развитие научного познания объясняется ее умозрительно-прогностической функцией. Научная значимость выработанных философией идей и принципов подтверждается спустя много времени. Например, идеи атомизма и диалектики, выдвинутые в античности, были подтверждены физическими экспериментами только в недавнем прошлом. Очень важно, что принципы философии при переходе от умозрения к теоретическому исследованию выполняют функцию селекции или отбора: из множества умозрительных конструкций ученый выбирает именно те, которые согласуются с его собственными философскими и методологическими представлениями.

Во-вторых, философия - один из элементов научного поиска, а ее принципы - один из факторов поиска (наряду с опытом, интуицией, фантазией, воображением и т.д.). Поэтому даже при наличии хорошо обоснованных философских принципов положительный результат не гарантирован. Философские методы не всегда проявляются в процессе исследования. Однако в любой науке есть элементы всеобщего значения (законы, категории, понятия и т.д.), которые и делают конкретную науку, по выражению Гегеля, «прикладной логикой». Философия дает конкретным естественным наукам общие методологические принципы, которые функционируют в науке в виде универсальных норм, образующих в совокупности методологическую программу самого высокого уровня.

Итак, философия разрабатывает наиболее общую картину мира, строит определенные универсальные модели реальности, сквозь призму которых ученый смотрит на свой предмет исследования. Философия, синтезируя все знания, представляя мир в его универсальных характеристиках, дает общее видение мира, всеобщую основу для разработки конкретно научных представлений о мире. Философия помогает исследователю выбрать характерную для конкретной науки систему категорий, принципов, понятий и других средств и форм познания, определенные мировоззренческие и ценностные установки и т.д. Она вооружает его знанием общих закономерностей самого познавательного процесса в целом, учением об истине и путях ее достижения, о социокультурном контексте познания и т.п.

§ 1.5. Естествознание и математика

Сущность математики и история ее развития

Наука не может ограничиться констатацией фактов и отдельных эмпирических законов. На определенном этапе ее развития необходим переход от чувственно-эмпирического исследования к рационально-теоретическому. На этой стадии выдвигаются гипотезы для объяснения фактов и эмпирических законов, установленных с помощью наблюдений и экспериментов. В процессе разработки и проверки гипотез приходится обращаться не только к логическим, но и к математическим методам. Поэтому естествознание тесно связано с математикой, которая, исследуя формы и отношения, встречающиеся в природе, обществе, а также в мышлении, отвлекается от содержания и исключает из допускаемых внутри нее аргументов наблюдение и эксперимент. Математику нельзя причислить к естествознанию или общественным наукам: естествознание непосредственно изучает природу, а математика изучает не сами объекты действительности, но математические объекты, которые могут иметь прообразы в действительности [21, 29].

Формирование математики как самостоятельной отрасли научного знания обычно относят к античности. В это время появляются различные представления о соотношении математических образов и реальных природных объектов, следовательно, о соотношении математики и естествознания [13]. Так, Платон считал, что понимание физического мира может быть достигнуто только с помощью математики, ибо «Бог вечно геометризует». Для Платона математика не просто посредник между идеями и данными чувственного опыта - математический порядок он считал точным отражением самой сути реальности. Наименьшие части элемента Земли он ставил в связь с кубом, наименьшие части элемента воздуха - с октаэдром (правильным многогранником с 8 треугольными гранями, 12 ребрами, 6 вершинами, в каждой из которых сходятся 4 ребра), элементы огня — с тетраэдром (правильной треугольной пирамидой, имеющей треугольные 4 грани, 6 ребер, 4 вершины, в каждой из которых сходятся 3 ребра), элементы воды - с икосаэдром (правильным многогранником с 20 треугольными гранями, 30 ребрами, 12 вершинами, в каждой из которых сходятся 5 ребер). Не было элемента, соответствующего додекаэдру (правильному многограннику, имеющему 12 пятиугольных граней, 30 ребер, 20 вершин, в каждой из которых сходятся 3 ребра), и Платон предположил, что существует пятый элемент, который боги использовали, чтобы создать Вселенную. Он конструировал свои правильные тела из двух видов треугольников - равностороннего и равнобедренного прямоугольного. Соединяя их, он получал грани правильных тел, которые можно разложить на треугольники, а из этих треугольников построить новые правильные тела. Например, по Платону, один атом огня и два атома воздуха в сочетании дают один атом воды. С его точки зрения, треугольники нельзя считать материей, т.е. они не имеют пространственного протяжения. А при объединении треугольников в правильные тела возникает частица материи. Поэтому наименьшие частицы материи представляют собой математические формы. Аристотель, подвергая взгляды Платона сомнению, придерживался другого мнения: он считал, что математические предметы не могут существовать отдельно.

Математика интенсивно развивалась в античности. Поворотным событием для дальнейшего развития научного знания стала работа Евклида «Начала», где впервые применялись доказательства. Эта математическая система была преподнесена как идеальная версия того, что составляло содержание реального мира. Значительно расширили математическое знание греки Александрийского периода: Аполлоний («Конические сечения»), Гиппарх, Менелай, Птолемей, Диофант («Арифметика») и т.д.

В средневековой Европе главенствующую роль заняла теологическая ветвь науки, а исследование природы любыми средствами, в том числе математическими, трактовалось как предосудительное занятие. Центр научной мысли переместился в Индию, а несколько позже - в арабские страны. В Индии того времени вводятся в широкое употребление десятичная позиционная система счисления и нуль для обозначения отсутствия единиц данного разряда, зарождается алгебра. В арабской культуре сохранялись математические знания древнего мира и Индии. Конец Средневековья (XV в.) в арабских странах отмечен деятельностью Улугбека, который при своем дворе в Самарканде создал обсерваторию, собрал более 100 ученых и организовал долго остававшиеся непревзойденными астрономические наблюдения, вычисление математических таблиц и т.п.

В XVII в. начинается новый период во взаимоотношениях математики и естествознания. Многие отрасли естествознания начинают базироваться на применении экспериментально-математических методов. В результате появляется уверенность в том, что научность (истинность, достоверность) знания определяется степенью его математизации. Так, Г. Галилей утверждал, что книга природы написана на языке математики, а согласно И. Канту, в каждом знании столько истины, сколько есть математики. Логическая стройность, строго дедуктивный характер построений, общеобязательность выводов создали математике славу образца научного знания.

Противоположного мнения о роли математики для раскрытия качественных особенностей придерживался великий писатель, мыслитель и естествоиспытатель И.В. Гёте, который воспринимал неживую природу и все живое (включая человека) как единое целое и придавал большое значение интуиции и опыту. Гёте считал, что световые и другие природные явления должны наблюдаться в их естественном виде, так как эксперимент и количественный анализ мало помогают в понимании подлинной их сущности: он полагал, что эта сущность познается только непосредственным опытом и интуицией.

В XIX в. с резкой критикой экспериментального изучения явлений природы выступил А. Шопенгауэр. Он не только поддерживал подход Гёте, но и вообще отрицал какую-либо пользу от применения математического языка к изучению природы. Даже сами математические доказательства Шопенгауэр называл «мышеловки», считая, что они не дают истинного представления о реальных процессах.

Многие выдающиеся ученые XX в., в особенности физики, говорили о значении математики как важнейшего средства для точного выражения научной мысли. Н. Бор указывал на огромную роль математики в развитии теоретического естествознания и говорил, что математика - это не только наука, но и язык науки. Р. Фейнман отмечал, что математика - это язык плюс мышление, как бы язык и логика вместе. Однако в то же время он считал, что такой науки, как математика, не существует.

Различные варианты тезиса Шопенгауэра о том, что математика не способствует, а затемняет понимание реальных явлений, характерны и для наших дней. Так, иногда противопоставляют объяснение явлений их пониманию, полагая, что количественный язык и методы математики в лучшем случае содействуют объяснению явлений неорганической природы, но не могут дать ничего ценного в понимании процессов культурно-исторической и духовной жизни. При этом понимание рассматривается как чисто интуитивная деятельность мышления, вследствие чего отрицается возможность использовать для его анализа логико-рациональные, в том числе математические, средства исследования. В настоящее время к применению количественного языка математики особенно критически настроены ученые, занимающиеся исследованием сложных биологических, психических и социальных процессов и привыкшие больше доверять опыту и интуиции, чем их математическому анализу.

Математика как специфический язык естествознания

Как бы то ни было, естествознание все шире использует математический аппарат для объяснения природных явлений [21, 29]. Можно выделить несколько направлений математизации естествознания:

◊ количественный анализ и количественная формулировка качественно установленных фактов, обобщений и законов конкретных наук;

◊ построение математических моделей (об этом несколько позже) и даже создание таких направлений, как математическая физика, математическая биология и т.д.;

◊ построение и анализ конкретных научных теорий, в частности их языка.

Рассмотрим математику как специфический язык науки, отличающийся от естественного языка, где, как правило, используют понятия, которые характеризуют определенные качества вещей и явлений (поэтому их часто называют качественными). Именно с этого начинается познание новых предметов и явлений. Следующий шаг в исследовании свойств предметов и явлений - образование сравнительных понятий, когда интенсивность какого-либо свойства отображается с помощью чисел. Наконец, когда интенсивность свойства или величины может быть измерена, т.е. представлена в виде отношения данной величины к однородной величине, взятой в качестве единицы измерения, тогда возникают количественные, или метрические, понятия.

Прогресс в научном познании часто связан с введением именно количественных понятий и созданием количественного языка, которые и исторически, и логически возникают на основе языка качественных описаний. Количественный язык выступает как дальнейшее развитие, уточнение и дополнение обычного, естественного языка, опирающегося на качественные понятия. Таким образом, количественные и качественные методы исследования не исключают, а скорее дополняют друг друга. Известно, что количественные понятия и язык использовались задолго до того, как возникло экспериментальное естествознание. Однако только после появления последнего они начинают применяться вполне сознательно и систематически. Язык количественных понятий наряду с экспериментальным методом исследования впервые успешно использовал Г. Галилей.

Преимущества количественного языка математики в сравнении с естественным языком состоят в следующем:

◊ такой язык весьма краток и точен. Например, чтобы выразить интенсивность какого-либо свойства с помощью обычного языка, нужно несколько десятков прилагательных. Когда же для сравнения или измерения используются числа, процедура упрощается. Построив шкалу для сравнения или выбрав единицу измерения, можно все отношения между величинами перевести на точный язык чисел. С помощью математического языка (формул, уравнений, функций и других понятий) можно гораздо точнее и короче выразить количественные зависимости между самыми разнообразными свойствами и отношениями, характеризующими процессы, которые исследуются в естествознании. С этой целью используются методы математики, начиная от дифференциального и интегрального исчисления и кончая современным функциональным анализом;

◊ опираясь на крайне важные для познания законы науки, которые отображают существенные, повторяющиеся связи предметов и явлений, естествознание объясняет известные факты и предсказывает неизвестные. Здесь математический язык выполняет две функции: с помощью математического языка точно формулируются количественные закономерности, характеризующие исследуемые явления; точная формулировка законов и научных теорий на языке математики дает возможность при получении из них следствий применить богатый математический и логический аппарат.

Все это показывает, что в любом процессе научного познания существует тесная взаимосвязь между языком качественных описаний и количественным математическим языком. Эта взаимосвязь конкретно проявляется в сочетании и взаимодействии естественно-научных и математических методов исследования. Чем лучше мы знаем качественные особенности явлений, тем успешнее можем использовать для их анализа количественные математические методы исследования, а чем более совершенные количественные методы применяются для изучения явлений, тем полнее познаются их качественные особенности.

Математика в естествознании:

◊ играет роль универсального языка, специально предназначенного для лаконичной точной записи различных утверждений. Конечно, все, что можно описать языком математики, поддается выражению на обычном языке, но тогда изъяснение может оказаться чересчур длинным и запутанным;

◊ служит источником моделей, алгоритмических схем для отображения связей, отношений и процессов, составляющих предмет естествознания. С одной стороны, любая математическая схема или модель - это упрощающая идеализация исследуемого объекта или явления, а с другой - упрощение позволяет ясно и однозначно выявить суть объекта или явления.

Поскольку в математических формулах и уравнениях отражены некие общие свойства реального мира, они повторяются в разных его областях. На этом свойстве построен такой своеобразный метод естественно-научного познания, как математическая гипотеза, когда к готовым математическим формам пытаются подобрать конкретное содержание. Для этого в подходящее уравнение из смежных областей науки подставляют величины другой природы, а затем производят проверку на совпадение с характеристиками исследуемого объекта. Эвристические возможности этого метода достаточно велики. Так, с его помощью были описаны основные законы квантовой механики: Э. Шрёдингер, приняв волновую гипотезу движения элементарных частиц, нашел уравнение, которое формально не отличается от уравнения классической физики колебаний нагруженной струны, дал его членам совершенно иную интерпретацию (квантово-механическую). Это позволило Шрёдингеру получить волновой вариант квантовой механики.

Приложение математики к разным отраслям естествознания

Приложения математики весьма разнообразны. По мнению акад. А.Н. Колмогорова, область применения математического метода принципиально не ограничена [13]. В то же время роль и значение математического метода в различных отраслях естествознания неодинаковы. Дело в том, что математические методы применимы для объектов и явлений, обладающих качественной однородностью и вследствие этого количественно и структурно сравнимых. Именно со сложностью выявления качественной однородности групп объектов и явлений связана трудность получения математических формул и уравнений для объектов естествознания. Чем более сложными и качественно различными являются природные объекты и явления, тем труднее их сравнивать количественно, т.е. тем труднее они поддаются математизации.

Математический метод полностью господствует в небесной механике, в частности в учении о движении планет. Имеющий очень простое математическое выражение закон всемирного тяготения почти полностью определяет изучаемый здесь круг явлений. Каждый результат, полученный на основе математического метода, с высокой точностью подтверждается в действительности.

В физике тоже велика роль математического метода. Почти не существует области физики, не требующей употребления развитого математического аппарата. Основная трудность исследования заключается не в применении математической теории, а в выборе предпосылок для математической обработки и в истолковании результатов, полученных математическим путем.

В химии для исследования закономерностей также широко используются математические методы. Это возможно потому, что при всем различии свойств химических элементов все они обладают и общей характеристикой - атомным весом. Сравнение элементов по этому признаку позволило Д.И. Менделееву построить Периодическую систему элементов. На выделении общих свойств химических веществ и соединений обычно и основывается применение математических методов в химии.

В биологических науках и науках о Земле математические методы часто играют подчиненную роль вследствие множества специфических свойств изучаемых здесь систем. Это затрудняет поиски качественной однородности среди них и соответственно математизацию этих наук. Однако и здесь есть высокоматематизированные отрасли, опирающиеся на изучение физических основ природных явлений (геофизика, биофизика и т.д.).

Таким образом, роль математизации в современном естествознании очень велика, и нередко новая теоретическая интерпретация какого-либо явления в естествознании считается полноценной, если удается создать математический аппарат, отражающий основные его закономерности. Однако не следует думать, что все естествознание в итоге будет сведено к математике. Построение различных формальных систем, моделей, алгоритмических схем — лишь одна из сторон развития научного знания, а естествознание развивается прежде всего как содержательное знание. Не удается формализовать сам процесс выдвижения, обоснования и опровержения гипотез, научную интуицию. Глубина объяснения и достоверность предсказания зависят в первую очередь от тех конкретных посылок, на которые они опираются, и математизация не может восполнить пробел в отсутствии такого рода посылок. Знаменитый естествоиспытатель Т. Гексли говорил, что математика, подобно жернову, перемалывает то, что под него засыпают, и, как, засыпав лебеду, вы не получите пшеничной муки, так, исписав целые страницы формулами, вы не получите истины из ложных предположений. А по мнению известного математика акад. Ю.А. Митропольского, применение математики к другим наукам имеет смысл только в единении с глубокой теорией конкретного явления, иначе можно сбиться на простую игру в формулы, за которой нет реального содержания.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что такое естествознание? Какие науки естественно-научного цикла вы знаете?

2. Что такое культура? Что общего и в чем различия между естественно-научной и гуманитарной культурами?

3. Как мотивируют свои воззрения представители сциентизма и антисциентизма? Охарактеризуйте точки зрения каждого направления и выскажите свои соображения на этот счет.

4. Как развивались взаимоотношения между религиозным и научным видами знания? Есть ли у них точки соприкосновения? В чем противоречия между этими видами знания?

5. Что такое естествознание с точки зрения современных теологов?

6. Назовите основные этапы в развитии взаимоотношений естествознания и философии.

7. Что такое натурфилософия и позитивизм? Как они соотносятся?

8. Каковы основные философские основания современного естествознания?

9. Где и почему наиболее тесно переплетаются философское и естественно-научное знания?

10. Назовите возможные основания классификации наук. Почему не удается построить единую универсальную классификацию?

11.Какие функции выполняет математика в естествознании? Как развивалась математика и какое место она занимала в естествознании в разные исторические эпохи?

12.Каковы основные направления математизации науки? Почему не удается одинаково хорошо математизировать разные отрасли естествознания?

ЛИТЕРАТУРА

1. Белик А.П. Культурология. Антропологические теории культур. М., 1998.

2. Букановский В.М. Принципы и основные черты классификации современного естествознания. Пермь, 1960.

3. Введение в культурологию. Воронеж, 1994.

4. Геттнер А. География, ее история, сущность и методы. Л.; М., 1930.

5. Григорьев В.И. Наука в контексте культуры. М., 1981.

6. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания. Структурный курс основ естествознания. М., 2000.

7.Кедров Б.М. Классификация наук. М., 1988.

8.Кедров Б.М. Предмет и взаимосвязь естественных наук. М., 1967.

9.Концепции современного естествознания /Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. М., 1997.

10.Кузнецов Б.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. М., 1996.

11.Культурология /Под ред. Г.В. Драча. Ростов н/Д, 1995.

12.Лямин B.C. География и общество. М., 1978.

13.Математический энциклопедический словарь. М., 1988.

14.Материалистическая диалектика и методы естественных наук. М., 1968.

15.Мелюхин С. Т. Материя в ее единстве, бесконечности и развитии. М., 1966.

16.Морис Г. Сотворение мира: научный подход. Калифорния, 1990.

17.Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М., 1990.

18.Основы религиоведения / Под ред. И.Н. Яблокова. М., 1998.

19.Пригожин И., СтенгерсИ. Время, хаос, квант. М., 1994.

20.Работы Л.А. Уайта по культурологии. М., 1996.

21.Рузавин Г.И. Математизация научного знания. М., 1984.

22.Самойлов Л.Н. Философия. Исторический обзор. М., 1999.

23.Степин B.C., Горохов В.Г., Розов М.А. Философия науки и техники. М., 1996.

24.Степин B.C. Философия науки. М., 2003.

25.Степин B.C. Философская антропология и философия науки. М., 1992.

26.Суханов А.Д., Голубева О.Н. Концепции современного естествознания. М., 2000.

27.Фейнберг Е.Л. Две культуры. Интуиция и логика в искусстве и науке. М., 1992.

28.Философия и методология науки / Под ред. В.И. Купцова. М., 1996.

29.Философские проблемы естествознания /Под ред. С.Т. Мелюхина. М., 1985.

30.Философский энциклопедический словарь. М., 1983.

31.Швырев B.C. Научное познание как деятельность. М., 1984.

32.Шикин Е.В., Шикина Г.Е. Гуманитариям о математике. М., 2001.

Глава 2

ОСНОВЫ МЕТОДОЛОГИИ НАУКИ

§ 2.1. Сущность научного знания

Наука и научное знание

Под термином «наука» обычно понимается сфера деятельности людей, функцией которой является выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности [17]. В настоящее время наука превратилась в непосредственную производительную силу и в важнейший социальный институт, оказывающий влияние на все сферы жизнедеятельности общества. Сейчас насчитывается более 15 тыс. дисциплин, в научной сфере задействовано свыше 5 млн профессиональных ученых, количество научных журналов исчисляется несколькими сотнями тысяч.

Основным субъектом науки, т.е. носителем сознательной целенаправленной деятельности в этой области, являются научные работники, коллективы ученых и вспомогательный персонал. Объектами науки принято считать все состояния бытия, которые становятся сферой приложения активности субъекта. Заметим, что объектом науки нередко становятся теоретические конструкции, которым нет непосредственного аналога в природном окружении. Например, в природе нет идеального газа, однако этой конструкцией широко пользуются ученые в конкретных областях естественно-научных исследований. Это существенно отличает науку от обыденного чувственного восприятия действительности.

Упомянем одну особенность науки. Если в искусстве и литературе то или иное произведение настолько тесно связано с автором, его создавшим, что не будь этого автора произведение просто не существовало бы, то в науке положение принципиально иное. Теории И. Ньютона, Ч. Дарвина, А. Эйнштейна и т.д. отражают черты индивидуальности своих создателей, которые сделали гениальные открытия в области естествознания. Однако эти теории рано или поздно все равно появились бы, поскольку они составляют необходимый этап развития науки. Об этом свидетельствуют факты из истории науки, когда к одним и тем же идеям приходят разные ученые независимо друг от друга.

Основная цель научной деятельности — получение знаний о реальности. Под знанием понимают форму существования и систематизации результатов познавательной деятельности человека, который в своей деятельности отражает (идеально воспроизводит) объективные закономерные связи реального мира. Термин «знание» употребляется в трех основных смыслах:

1) способности, умения, навыки, которые базируются на осведомленности, как что-либо сделать, осуществить;

2) любая познавательно значимая информация;

3) особая познавательная единица, существующая во взаимосвязи с практикой. Следует заметить, что понятия «истинное знание» и «знание» не совпадают, поскольку последнее может быть недоказанным, непроверенным (гипотезы) или неистинным знанием (заблуждение).

Продуктом научной деятельности выступают не только знания. Для их получения необходимы методы наблюдения и экспериментирования, а также средства, при помощи которых они осуществляются. К продуктам науки следует отнести и научный стиль рациональности, который распространяется на все сферы человеческой деятельности. Наконец, наука представляет собой источник нравственных ценностей, ибо профессия ученого предполагает честность и объективность как элементы профессиональной этики.

Достижения современной техники базируются на фундаментальных научных открытиях и научных исследованиях. Взаимосвязь техники и науки - один из главных факторов научно-технической революции, важнейшее условие научно-технического и социального прогресса. Техника в своих новейших формах (лазерные установки, компьютеры, интернет и т.п.) оказывает сильное влияние на культуру человечества, на психологию и сознание людей, их жизненные и ценностные ориентации, бытовые, профессиональные и многие другие условия их повседневного существования.

Научное знание строится и организуется по определенным законам. Отличительные качества научного знания — систематизированность и обоснованность. Для научной систематизации знания (классификации) характерны стремление к полноте, ясное представление об основаниях систематизации и их непротиворечивости. Здесь многое определяет специфический научный метод - процедура получения знания, позволяющая впоследствии его воспроизвести, проверить и передать другому. Элементами научного знания являются факты, закономерности, теории, научные картины мира. Обоснованность, доказательность получаемого знания - характерные признаки научности. Важнейшими способами обоснования эмпирического знания являются проверка наблюдениями и экспериментами, обращение к первоисточникам, статистическим данным. При обосновании теоретических концепций обязательными требованиями, предъявляемыми к ним, выступают их непротиворечивость, соответствие эмпирическим данным, возможность описывать известные явления и предсказывать новые. Обоснование научного знания, приведение его в стройную, единую систему всегда было одним из важнейших факторов развития науки.

Познание как процесс отражения действительности

Процесс отражения и воспроизведения действительности в мышлении субъекта, результатом которого является новое знание о мире, называется познанием. Непосредственные функции научного познания - описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, и это позволяет управлять поведением изучаемых объектов и создавать системы с заранее заданным поведением. Описание заключается в фиксировании результатов опыта (эксперимента или наблюдения) с помощью систем обозначения, принятых в науке. В процессе объяснения происходит раскрытие сути изучаемого объекта через постижение закона, которому подчиняется данный объект. Научное предвидение — это определение и описание на основе научных законов явлений природы и общества, которые не известны в данный момент, но могут возникнуть или быть изучены в будущем. Важнейшей формой научного предвидения является прогнозирование - выработка суждений о состоянии какого-либо объекта или явления в будущем (например, прогноз погоды). Это вероятностное суждение о будущем строится на основе специальных научных исследований и возможно благодаря тому, что мир един, а деление на наблюдаемый и ненаблюдаемый, на изученный и неизученный мир происходит в процессе мышления.

С возрастанием роли науки в жизни общества научное обоснование становится целесообразным и даже необходимым во многих сферах жизни общества, но заметим, что далеко не везде оно возможно и далеко не всегда уместно. Знания приобретаются человеком во всех формах его деятельности — в обыденной жизни, в политике, экономике, искусстве, инженерном деле, однако здесь получение знания не является главной целью. Так, искусство предназначено для создания эстетических ценностей, где на первый план выходит отношение художника к реальности, преломленной через его внутренний мир; экономические реформы оцениваются прежде всего с точки зрения их эффективности и практического результата; продуктом инженерной деятельности является проект, разработка новой технологии, изобретение, которые оцениваются с позиции их практической пользы, оптимального использования ресурсов, расширения возможностей преобразования реальности.

Одна из конечных целей научного познания - быть воплощенным на практике, т.е. в целенаправленной деятельности людей по освоению и преобразованию действительности. Часто эта деятельность связана с развитием техники - совокупности искусственных органов, средств (прежде всего орудий труда), предназначенных для усиления и расширения возможностей человека по преобразованию природы и использования в этом процессе ее сил и закономерностей. Основное назначение техники - облегчение и повышение эффективности трудовых усилий человека, освобождение его от работы в опасных условиях, улучшение его жизни в целом.

Познание действительности происходит в трех основных формах - чувственной, рациональной и иррациональной. Чувственное познание включает ощущение, восприятие и представление - помощью ощущений в сознании человека происходит отражение отдельных свойств внешних предметов и внутренних состояний организма при непосредственном воздействии материальных раздражителей. Восприятие отвечает за отражение в сознании человека внешних предметов и ориентации в окружающем мире. Представления - возникающие в сознании человека образы предметов и явлений внешнего мира или их свойств, которые человек когда-то воспринимал или ощущал.

Рациональные формы познания можно свести к понятиям, суждениям и умозаключениям. Понятия — это форма мышления, отражающая предметы в их существенных признаках. Формы мышления, в которых человек выражает вещь в ее связях и отношениях, называются суждением. Под умозаключением понимается такая форма мышления, посредством которой из одного или нескольких суждений выводится новое суждение.

Среди иррациональных форм познания особое значение для науки имеет интуиция - постижение истины путем непосредственного ее усмотрения без обоснования с помощью доказательства. Иными словами, интуиция может быть определена как субъективная способность выходить за пределы опыта путем мысленного «озарения» или обобщения в образной форме непознанных связей, закономерностей.

Еще на заре истории человечества существовало обыденно-практическое познание, поставлявшее элементарные сведения о природе, о самих людях, условиях их жизни, общении, социальных связях и т.п. Основой такого познания был опыт повседневной жизни, практики людей. При этом большое значение имело мифологическое познание. В рамках мифологии вырабатывались определенные знания о природе, космосе, о самих людях и т.д.

Мифология - основа художественно-образной формы познания, которая в дальнейшем получила развитое выражение в искусстве, хотя оно не решает познавательные задачи, но содержит в себе достаточно мощный познавательный потенциал. Одной из исторически первых форм познания является религиозное познание. Особенности его определяются тем, что оно обусловлено непосредственной эмоциональной формой отношения людей к господствующим над ними земными силами (природными и социальными).

Критерии отграничения научного знания

Важной проблемой является определение научности знания и отграничения его от других видов знания. Повторим, что понятие «истинное» не эквивалентно понятию «научное». Существует совокупность критериев научности, используя которые можно отличить научное знание от ненаучного. Так, современные физики не обсуждают возможность построения вечного двигателя, а астрономы не относятся всерьез к работам по астрологии. Вместе с тем в теоретических журналах публикуется множество статей, где представлены научные гипотезы - предположительное суждение о связи явлений.

Методология науки для целей отграничения научного знания от ненаучного использует несколько принципов [15]. Наиболее часто говорят о трех из них - рациональности, верификации и фальсификации. Принцип рациональности является основным средством обоснованности знания; он как бы ориентирует исследователя на определенные нормы и идеалы научности, а также эталоны знаний.

Согласно принципу верификации, некое понятие или суждение имеет значение, если оно сводимо к непосредственному опыту или высказыванию о нем, т.е. эмпирически проверяемо. Различают непосредственную верификацию, когда происходит прямая проверка утверждений, формулирующих данные наблюдения и эксперимента, и косвенную верификацию, когда устанавливаются логические отношения между косвенно верифицируемыми утверждениями. Использование принципа верификации дает возможность разделить научное и ненаучное знания, но он плохо справляется с поставленной перед ним задачей, если некоторая система представлений построена таким образом, что практически любой наблюдаемый факт можно объяснить в его пользу (религия, идеология, астрология и т.д.).

Принцип фальсификации предложил известный методолог науки XX в. К. Поппер [8]; суть этого принципа в том, что критерием научного статуса теории является ее фальсифицируемость, или опровержимость, т.е. знание приобретает уровень научного только в том случае, если оно в принципе опровержимо. По представлениям Поппера, эксперименты, направленные на попытку опровергнуть некую теорию, наиболее эффективно подтверждают ее истинность и научность. Так, если все известные вам вороны имеют темный окрас, то направьте, следуя этому принципу, свои поиски не на отыскание еще одной темной вороны, а поищите среди них белую ворону.

Важность принципа фальсификации обусловлена следующим. Несложно получить подтверждения, или верификации, почти для каждой теории, если искать только подтверждения. По мнению Поппера, каждая «хорошая» научная теория является некоторым запрещением - она «запрещает» появление определенных событий. Чем больше теория запрещает, тем она лучше. Теория, не опровержимая никаким мыслимым событием, является ненаучной; можно сказать, что неопровержимость представляет собой не достоинство теории, а ее порок. Каждая настоящая проверка теории является попыткой ее фальсифицировать (опровергнуть).

Зачастую ненаучное знание пытаются выдать за научное и представляют в наукообразной форме. Сегодня распространено мнение о том, что современная наука консервативна и ограниченна, поскольку не признает так называемые нетрадиционные, паранаучные концепции - астрологию, парапсихологию, уфологию и т.д. Эти концепции появились не в наше время, а сотни и тысячи лет назад, однако до сих пор соответствующие исследования не считаются научными, так как не дали достоверных, научно установленных фактов. А наука не может наделить статусом научности те исследования, которые не являются обоснованными. Широко известно высказывание по этому поводу Ф. Бэкона: «...правильно ответил тот, который, когда ему показали выставленное в храме изображение спасшихся от кораблекрушения принесением обета и при этом добивались ответа, признает ли теперь он могущество богов, спросил в свою очередь: «А где изображение тех, кто погиб после того, как принес обет?» Таково основание почти всех суеверий - в астрологии, в сновидениях, в поверьях, в предсказаниях и т.п. Люди, услаждающие себя подобного рода суетой, отмечают то событие, которое исполнилось, и без внимания проходят мимо того, которое обмануло, хотя последнее бывает гораздо чаще». Эти паранаучные концепции не приняты научным сообществом, поскольку с точки зрения науки они не пополняют наше знание о действительности.

§ 2.2. Средства и методы науки

Виды средств и методов науки

Естественно-научное познание невозможно без использования соответствующих средств - способов действия и орудий для осуществления какой-либо деятельности. Язык науки является важнейшим средством изучения природы. Он характеризуется специфической лексикой, особой стилистикой, определенностью используемых понятий и терминов, стремлением к четкости и однозначности утверждений, строгой логичностью в изложении всего материала, использованием математических методов.

Прогресс научного познания существенно зависит от развития используемых наукой средств наблюдения и экспериментальных установок. Так, создание радиотелескопов стало революционным событием в постижении Космоса, превратив астрономию во всеволновую. Микроскоп открыл человеку новые миры, а современный электронный микроскоп позволяет видеть даже атомы, которые несколько десятилетий назад считались принципиально ненаблюдаемыми и существование которых еще в начале XX в. вызывало сомнение. Физика элементарных частиц не могла бы развиваться без специальных установок, подобных синхрофазотронам.

Для проведения экспериментов и наблюдений сегодня активно используются космические корабли, подводные лодки, различного рода научные станции, специально организованные заповедники. Научные исследования требуют приборов и эталонов, которые позволяют зафиксировать те или иные свойства реальности и дать им количественную и качественную оценку, что предполагает создание специальных средств обработки результатов наблюдения и эксперимента.

Однако основным средством науки, в частности естествознания, были и остаются ее методы. В научном познании истинным должен быть не только его конечный результат (система научных знаний), но и ведущий к нему путь, т.е. метод [17]. Естествознание и его отрасли имеют не только свой предмет, но и свою систему методов, обусловленных этим предметом. Под методом в самом широком смысле слова понимают путь исследования. Методологией именуют систему определенных принципов, приемов и операций, применяемых в той или иной сфере деятельности (в науке, политике, искусстве и т.п.), а также учение об этой системе.

Метод — совокупность правил, приемов, способов, норм познания и действия. Это есть система предписаний, принципов, требований, которые ориентируют субъекта в решении конкретной задачи, достижении результата в данной сфере деятельности. Метод организует поиск истины, позволяет экономить силы и время, двигаться к цели кратчайшим путем. Основная функция метода - регулирование познавательной и иных видов деятельности. При этом не следует ни недооценивать (или вовсе отвергать) роль метода и методологии в естествознании, ни преувеличивать, абсолютизировать значение метода как простого и доступного «инструмента» научного открытия.

В естествознании постоянно происходит взаимообмен методами и приемами исследования. Например, во второй половине XX в. полезным оказалось применение методов физики и химии к изучению биологических систем и систем, рассматриваемых в рамках наук о Земле. Однако сущность и специфику последних физическими и химическими методами уловить не удается. Для этого нужны свои собственные - геологические, биологические, географические и др. - методы и приемы исследования.

Многообразие видов человеческой деятельности обусловливает и многообразие методов. Методы науки могут быть классифицированы по таким основаниям, как содержание изучаемых объектов, роль и место методов в процессе научного познания и т.п. В современной методологии науки наиболее распространена многоуровневая классификация методов познания, согласно которой все методы научного познания по степени общности и сфере действия разделяются на философские, общенаучные, частнонаучные, дисциплинарные методы, а также методы междисциплинарного исследования.

Среди философских методов выделяют диалектический и метафизический, а также аналитический, интуитивистский, феноменологический, герменевтический и др. Общенаучные подходы и методы - системный и структурно-функциональный, кибернетический, вероятностный, моделирование, формализация, синергетический подход и др. - получили широкое развитие в науке XX в., выступая в качестве промежуточной методологии между философскими и фундаментальными принципами специальных наук. Частнонаучные методы - это совокупность способов, принципов познания, исследовательских приемов и процедур, применяемых в той или иной отрасли науки: методы механики, физики, химии, биологии и т.д. Дисциплинарные методы - система приемов, применяемых в той или иной научной дисциплине, входящей в какую-нибудь отрасль науки или возникшей на стыке наук.

Методы междисциплинарного исследования - совокупность ряда синтетических, возникших в результате сочетания элементов различных уровней методологии; они нацелены главным образом на стыки научных дисциплин. Кроме того, в науке на разных ее уровнях широко применяются такие методы и приемы, как наблюдение, эксперимент, сравнение, анализ и синтез, индукция и дедукция, абстрагирование, идеализация, аналогия и др.

Таким образом, в научном познании функционирует сложная, динамичная, целостная, субординированная система методов разных уровней, сфер действия, направленности и т.п., которые используются с учетом конкретных условий. При этом для современной науки все более характерным становится методологический плюрализм -- стремление применять самые разнообразные принципы и приемы исследования в их сочетании и взаимодействии.

Характеристика основных методов науки

Рассмотрим основные методы, используемые в науке. Диалектика - учение о наиболее общих законах развития природы, общества и познания и основанный на этом учении метод мышления и действия. В истории философии известны три основные формы диалектики: античная, идеалистическая (немецкая) и материалистическая. Выдвигались различные толкования диалектики: как учения о вечном становлении и изменчивости бытия (Гераклит); искусства диалога, достижения истины путем противоборства мнений (Сократ); метода расчленения и связывания понятий с целью постижения сверхчувственной (идеальной) сущности вещей (Платон); учения о совпадении (единстве) противоположностей (Николай Кузанский, Дж. Бруно); способа разрушения иллюзий человеческого разума, который, стремясь к цельному и абсолютному знанию, неминуемо запутывается в противоречиях (И. Кант); всеобщего метода постижения противоречий (внутренних импульсов) развития бытия, духа и истории (Г.В.Ф. Гегель); учения и метода, выдвигаемых в качестве основы познания действительности и ее революционного преобразования (К. Маркс, Ф. Энгельс, В.И. Ленин). Диалектическая традиция в русской философии XIX-XX вв. нашла воплощение в учениях B.C. Соловьева, П.А. Флоренского, С.Н. Булгакова, H.A. Бердяева и Л. Шестова. В западной философии XX в. диалектика развивалась преимущественно - в русле неогегельянства, экзистенциализма, различных течений религиозной философии.

Метафизика (букв, «после физики») употребляется в трех основных значениях: 1) как синоним философии; 2) как синоним особой философской науки - онтологии, т.е. учения о бытии как таковом, независимо от его частных видов и в отвлечении от вопросов логики и теории познания; 3) философский метод познания, мышления, противостоящий диалектическому методу как своему антиподу.

Самая характерная, существенная черта метафизики как метода - абсолютизация того или иного элемента целого, момента деятельности в любой ее форме. Метафизика (как и диалектика) никогда не была чем-то раз и навсегда данным, она изменялась, выступала в различных исторических формах. Специфика метафизики, характерной для философии и науки XVII-XIX вв., - в отрицании всеобщей связи и развития явлений. Этот метод мышления имел объективную основу своего появления — необходимость исследования предметов в их неизменности, устойчивости, вне связи с другими, чем и занималась наука того времени. Исторически вторая форма метафизики не отвергает всеобщую связь явлений, их развитие, но абсолютизирует какой-либо один аспект. Метафизический способ мышления вполне правомерен и необходим везде, где не требуется рассматривать предмет в развитии и во всех его взаимосвязях.

Абстрагирование - мысленное отвлечение от несущественных свойств, связей, отношений предметов и одновременное выделение, фиксирование одной или нескольких интересующих исследователя сторон этих предметов. Известно несколько способов абстрагирования. Абстрагирование отождествления происходит посредством образования понятий через объединение их в особый класс, т.е. путем отождествления предметов, связанных отношениями типа равенства. Изолирующая абстракция - выделение свойств и отношений, неразрывно связанных с предметами, и обозначение их определенными «именами», что придает таким абстракциям статус самостоятельных предметов (например, «белизна», «устойчивость» и т.д.). Абстракция конструктивизации ведет к отвлечению от неопределимости, «зыбкости» границ реальных объектов, «огрублению» действительности и позволяет сформулировать по отношению к этой огрубленной действительности некоторые законы, понять ее «в первом приближении», с тем чтобы двинуться в познании дальше и глубже. Абстракция актуальной бесконечности используется для отвлечения незавершенности процесса образования бесконечного множества, от невозможности задать его полным списком всех элементов; такое множество просто рассматривается как данное, как существующее. Абстракция потенциальной осуществимости подразумевает отвлечение от реальных границ человеческих возможностей, обусловленных ограниченностью человеческой жизни в пространстве и во времени. Переход на более высокую ступень абстракции путем выявления общих признаков (свойств, отношений, тенденций развития и т.п.) именуется обобщением и влечет за собой появление новых научных понятий, законов, теорий.

Анализ - метод познания, содержанием которого является совокупность приемов и закономерностей расчленения предметов исследования на составные его части. Прямой, или эмпирический, анализ применяется на этапе поверхностного ознакомления с объектом исследования и дает возможность познать явление, однако недостаточен для проникновения в сущность явлений. Возвратный, или элементарно-теоретический, анализ применяется для постижения сущности исследуемого объекта, позволяя познать причинно-следственные связи и закономерности. Структурно-генетический анализ применяется для выявления в сложном явлении таких элементов, которые представляют самое главное в них, некую элементарную единицу, оказывающую решающее влияние на все остальные стороны сущности объекта. Анализу противопоставляется синтез — метод познания, содержанием которого является совокупность приемов и закономерностей соединения отдельных частей предмета в единое целое. Выделяют виды синтеза, аналогичные видам анализа, о которых было сказано выше.

Говоря о степени универсальности методов и области их применения, отметим, что существуют:

◊ методы мышления (теоретические методы), содержащие правила, следуя которым можно получить научное знание;

◊ методы эмпирического исследования — правила наблюдений, экспериментов и т.д.;

◊ методы, которые используются как на эмпирическом, так и на теоретическом уровне исследования.

При выборе того или иного метода исследования необходимо выяснить степень его соответствия следующим критериям, сложившимся в науке: эффективность, простота и надежность, научность, допустимость, экономичность и безопасность. Это позволит оптимизировать процесс познания и получить достоверные знания наиболее простым путем.

Таким образом, средства и методы, используемые в различных отраслях естествознания, не одинаковы. Для каждой отрасли характерны свой особый язык, своя система понятий, своя стилистика и степень строгости рассуждений. Но отрасли естествознания развиваются не изолированно друг от друга, поэтому происходит постоянное взаимопроникновение методов и средств и развитие конкретной отрасли происходит не только за счет выработанных в ней приемов, методов и средств познания, но и за счет постоянного заимствования, но не следует ожидать универсализации методов и средств, используемых в естествознании. Разные отрасли естествознания обладают несомненной спецификой и особенностями своих предметных областей, и, как следствие, различные познавательные задачи будут и в будущем стимулировать появление специфических средств и методов.

§ 2.3. Структура и уровни научного знания

Структура научного знания

В самом простом виде структуру научного знания можно представить в виде следующего ряда: фактический материал; первоначальные обобщения в понятиях и других абстракциях; научные предположения (гипотезы); законы, принципы и теории; философские установки; методы, идеалы и нормы научного познания; социокультурные основания; стиль мышления.

Научное знание можно структурировать и по степени обобщенности материала. Наиболее общую систему научных теорий называют научной картиной мира. Научная картина мира - это целостная система представлений об общих свойствах и закономерностях природы, результат обобщения и синтеза основных научных понятий, принципов, методологических установок. Различают общенаучную картину мира, картины мира наук, близких по предмету исследования (например, естественно-научная картина мира), картины мира отдельных наук (физическая, биологическая, географическая и др.) [17].

В структуре научной картины мира выделяют понятийную и чувственно-образную составляющие. Чувственно-образная составляющая - это совокупность наглядных представлений о тех или иных объектах и их свойствах, например планетарная модель атома, образ Метагалактики в виде расширяющейся сферы и др. Понятийная составляющая представлена философскими категориями (например, «материя», «движение», «пространство», «время» и др.) и принципами (принцип материального единства мира, всеобщей связи и взаимообусловленности явлений, детерминизма и др.), общенаучными понятиями и законами (например, закон сохранения и превращения энергии), а также фундаментальными понятиями отдельных наук («поле», «вещество», «Вселенная», «биологический вид», «популяция» и др.).

В научную картину мира нецелесообразно включать всю информацию, добытую наукой о различных веществах, свойствах растений и животных, природных и синтетических материалах, технологических процессах, производственных делах, биографических сведениях и т.п. Научная картина мира отличается от научной теории сочетанием абстрактно-теоретических знаний и наглядных представлений, модельных образов. Если картина мира отражает объект, отвлекаясь от процесса получения знания, то теория содержит в себе не только знания об объекте, но и логические средства проверки их истинности. Научная картина мира играет эвристическую роль в процессе построения научных теорий.

Научная картина мира может быть представлена в виде суммы частных картин мира (физической, биологической, географической и т.д.), которые в свою очередь включают соответствующие концепции - определенные способы понимания, трактовки какого-либо предмета, явления, процесса. Научные картины мира и концепции складываются из научных фактов, гипотез, проблем, принципов, законов, теорий и т.д. Научные факты — это факты, установленные путем наблюдения или экспериментов. Гипотеза - вид знания предположительного характера, истинность или ложность которого еще предстоит доказать. Научная проблема — осознанные вопросы, для ответа на которые недостаточно имеющихся знаний. Научные принципы - наиболее общие и важные фундаментальные положения теории. Законы науки — теоретические утверждения, выражающие существенные связи явлений. Научная теория - систематизированные знания в совокупности, объясняющие множество фактов и описывающие посредством системы законов определенный фрагмент реальности.

Уровни научного знания и их соотношение

Научное знание включает в себя два основных взаимосвязанных, но качественно различных уровня - эмпирический и теоретический. Каждый из них выполняет определенные функции и располагает специфическими методами исследования [11, 12, 15, 17].

Фундаментом науки являются твердо установленные факты, полученные эмпирическим, т.е. опытным, путем, например совокупность эмпирических данных, полученных в результате астрономических наблюдений за перемещениями небесных тел. Эмпирические знания являются результатом непосредственного контакта с реальностью в наблюдении или эксперименте. На эмпирическом уровне происходит не только накопление фактов, но и их первичная систематизация и классификация, что позволяет выявлять эмпирические законы и правила, которым подчиняются наблюдаемые явления. На этом уровне исследуемый объект отражается преимущественно в своих внешних связях и проявлениях, в которых выражаются внутренние отношения.

Среди эмпирических методов выделяют несколько основных:

◊ наблюдение - целенаправленное восприятие явлений объективной действительности; необходимо, чтобы наблюдение не вносило какие-либо изменения в изучаемую реальность;

◊ эксперимент - наблюдение за объектами и явлениями в специально созданных и контролируемых условиях, когда изучаемый объект ставится в особые, специфические и варьируемые условия, чтобы выявить его существенные характеристики и возможности их изменения под влиянием внешних факторов;

◊ измерение - выявление количественных характеристик изучаемой реальности. В результате измерения происходит сравнение объектов по каким-либо сходным свойствам или сторонам;

◊ описание - фиксация средствами естественного или искусственного языка сведений об объектах и явлениях;

◊ сравнение - одновременное выявление соотношения и оценка общих для двух или более объектов свойств или признаков.

Информация, полученная в результате применения такого рода процедур, подвергается статистической обработке. При этом источники научной информации и способы ее анализа и обобщения детально описываются, что позволит впоследствии проверить эти результаты.

Закономерности, полученные на эмпирическом уровне, обычно мало что объясняют. Более того, чаще всего они не открывают направлений дальнейшего научного поиска, т.е., как говорят, они малоэвристичны. Поэтому над эмпирическим уровнем науки надстраивается теоретический уровень. Без определенной теоретической установки не может начаться эмпирическое исследование. Теоретический уровень обеспечивает целостное восприятие действительности, в рамках которого многообразные факты укладываются в некоторую единую систему. Сущностью теоретического познания является не только описание и объяснение многообразных фактов и закономерностей, выявленных в процессе эмпирических исследований в определенной предметной области, на основе немногих законов и принципов; она выражается также в стремлении ученых раскрыть гармонию мироздания.

Теоретический уровень подразумевает использование таких методов познания, как формализация, когда происходит построение абстрактных моделей, раскрывающих сущность изучаемых процессов действительности; аксиоматизация, с помощью которой строят теории на основе аксиом - утверждений, доказательства истинности которых не требуется; гипотетико-дедуктивный метод, в рамках которого создаются системы дедуктивно связанных между собой гипотез, из которых выводятся утверждения об эмпирических фактах.

К числу основных компонентов теоретического уровня знания относятся проблема, гипотеза и теория. Проблема - форма знания, содержанием которого является то, что еще не познано, но что нужно познать, т.е. это знание о незнании, вопрос, возникший в ходе познания и требующий ответа; проблема включает два основных этапа движения познания - постановку и решение. Гипотеза - это знание в форме предположения, сформулированного на основе ряда фактов. Гипотетическое знание носит вероятностный, а не достоверный характер и требует проверки, обоснования. В результате доказательства одни из выдвинутых гипотез становятся теорией, другие видоизменяются, уточняются и конкретизируются, третьи отбрасываются как заблуждения, если проверка дает отрицательный результат. Решающей проверкой истинности гипотезы является практика во всех своих формах, а вспомогательную роль играет логический (теоретический) критерий истины.

Наиболее развитой формой научного знания является теория- знание, дающее целостное отображение закономерных и существенных связей в определенной области действительности. Теория строится для целей объяснения объективной реальности. Главная задача теории заключается в том, чтобы описать, систематизировать и объяснить все множество данных эмпирического уровня. При этом следует иметь в виду, что теория описывает непосредственно не окружающую действительность, а идеальные объекты, которые в отличие от реальных характеризуются не бесконечным, а вполне определенным количеством свойств. Так, механика описывает не реальные процессы, с которыми человек имеет дело в действительности, а процессы, относящиеся к идеальным объектам, например материальным точкам, которые описываются очень небольшим количеством свойств, а именно массой и возможностью находиться в пространстве и во времени.

Помимо идеальных объектов в теории задаются взаимоотношения между ними, которые описываются законами. Кроме того, из первичных идеальных объектов можно конструировать производные объекты. В итоге теория, которая описывает свойства идеальных объектов, взаимоотношения между ними, а также свойства конструкций, образованных из первичных идеальных объектов, способна описать все то многообразие данных, которые получены на эмпирическом уровне. Для этого на основе исходных идеальных объектов строится теоретическая модель конкретного явления и предполагается, что эта модель в существенных своих сторонах, в определенных отношениях соответствует тому, что есть в действительности.

Теоретический уровень знания обычно расчленяется на две составляющие - фундаментальные теории и теории, которые описывают конкретную область реальности, базируясь на этих фундаментальных теориях. Так, механика описывает материальные точки и взаимоотношения между ними, а на основе ее принципов строятся различные конкретные теории, описывающие те или иные области реальности. Например, для описания поведения небесных тел строится небесная механика в предположении, что Солнце - центральное тело, обладающее большой массой, а планеты - материальные точки, движущиеся вокруг центрального тела по законам механики и закону всемирного тяготения.

Роль теории в науке, в частности в естествознании, определяется тем, что здесь объект умственно контролируется, поэтому, вообще говоря, теоретический объект можно описать как угодно детально и получить в принципе как угодно далекие следствия из теоретических представлений. Если исходные абстракции верны, можно быть уверенным, что и следствия из них будут верны. Сила теории состоит в том, что она может развиваться без прямого контакта с действительностью, но при условии, что исходные принципы соотносятся с действительностью.

Научная теория — это развивающаяся система знания (включающая и элементы заблуждения), которая имеет сложную структуру:

◊ исходные основания (первичные фундаментальные понятия, принципы, законы, постулаты, аксиомы и т.п.);

◊ идеализированный объект данной теории - абстрактная модель существенных свойств и связей изучаемых предметов (например, идеальный газ);

◊ логика теории, нацеленная на прояснение структуры и развитие знания, содержащая определенные правила вывода и способы доказательства;

◊ совокупность законов и утверждений, выведенных из основных положений теории;

◊ философско-методологические установки и ценностные факторы.

Любая теория выполняет большое количество функций. Назовем основные из них. Синтетическая функция объединяет отдельные научные знания в единую систему. Объяснительная функция выявляет причинные и иные связи конкретного явления, его существенные характеристики, законы его происхождения и развития. Методологическая функция отвечает за разработку на базе теории разнообразных методов, способов и приемов исследовательской деятельности. Предсказательная функция, или функция предвидения, формулирует представления о неизвестных ранее фактах, объектах и их свойствах или о тех, о существовании которых известно, но они пока еще не выявлены. Практическая функция заключается в стремлении теории быть воплощенной в практику, стать инструментом изменения действительности.

Теории излагаются различными способами:

◊ аксиоматическое построение теорий, когда научная теория строится в виде системы аксиом (постулатов) и правил вывода (аксиоматики), позволяющих путем логических выводов получать утверждения (теоремы) данной теории;

◊ генетическое построение, когда предмет вводится постепенно и последовательно раскрывается от простейших до все более и более сложных аспектов.

Теории возникают во взаимодействии теоретического и эмпирического уровней познания реальности на основе, например, процедур моделирования реальных процессов, когда на базе анализа построенных моделей выводятся проверяемые эмпирически следствия, и мысленных экспериментов, в которых теоретик «прогоняет» возможные варианты поведения идеализированных объектов. Развитием этого метода теоретического мышления, который впервые применил Г. Галилей, является математический эксперимент, когда возможные последствия варьирования условий в математической модели просчитываются на современных компьютерах.

Особо следует подчеркнуть, что граница между эмпирическим и теоретическим уровнями условна и подвижна: теоретический уровень опирается на данные эмпирического уровня, а эмпирическое знание не свободно от теоретических представлений, оно обязательно погружено в определенный теоретический контекст. Например, на экспериментальной фотографии, сделанной в магнитном поле, появились спиральные линии. Из теории известно, что в магнитном поле заряженные частицы движутся по спирали, причем электроны - в одну сторону, а позитроны - в другую, поэтому делается вывод, что на фотографии - след движущегося электрона или позитрона. Если теоретических представлений в исследуемой области нет, эти траектории ничего не скажут. Таким образом, не следует абсолютизировать один уровень в ущерб другому, сводя все научное знание в целом к эмпирическому его уровню либо игнорируя эмпирические данные.

Когда для адекватного описания некоторой области знания недостаточно эмпирического и теоретического уровней, выделяют уровень философских предпосылок, содержащий общие представления о действительности и процессе познания. Существует немало естественно-научных теорий, которые не вызывают споров по поводу их философских оснований, поскольку они близки к общепринятым и поэтому не выступают предметом специального анализа, а воспринимаются как нечто само собой разумеющееся. Однако это случается далеко не всегда. Так, философские дискуссии до настоящего времени ведутся по проблемам интерпретации математического аппарата в квантовой механике, относительно различных аспектов учения об эволюции живой природы и т.п.

Индуктивный и рационалистический пути познания

Метод исследования или сочетание методов в каждом конкретном случае выбирается индивидуально. Однако существуют два генеральных пути познания, которые были сформулированы еще в XVII в. [15].

В основе предложенного Ф. Бэконом эмпирического, или индуктивного, метода лежит индукция — способ рассуждения, при котором общий вывод делается на основе обобщения частных посылок. В эмпирической программе заложена идея о том, что практическое знание о мире можно получить только из опыта, т.е. на основе наблюдений и эксперимента. По мысли Бэкона, движение от частных случаев ко все более широким обобщениям является единственно возможным путем познания природы.

Рационалистическую программу научного исследования предложил Р. Декарт. По его представлениям, основу исследования должны составлять интуиция и дедукция: интуиция позволяет выделить в реальности простые и самоочевидные истины, а на основании дедукции (движения познания от общего к частному) из простых истин можно вывести достаточно сложные знания.

Индуктивная модель научного познания была очень популярна. Кажется вполне понятным, что научное познание действительности осуществляется только тогда, когда имеется возможность ее наблюдать, экспериментировать с ней; такое представление о научном познании соответствует даже современному здравому смыслу. Однако против универсальности индуктивных обобщений выдвигается ряд существенных доводов. Во-первых, индукция не может приводить к универсальным суждениям, в которых выражаются закономерности; конечно, в опыте можно зафиксировать какую-то повторяемость, однако она не обязательно сохранится за пределами непосредственно наблюдаемого.

Во-вторых, любые эмпирические исследования предполагают наличие теоретических установок, без которых они просто неосуществимы. Дело в том, что невозможно осуществить и даже придумать такой опыт, который не определялся бы какими-то теоретическими представлениями. Без теоретической установки не может возникнуть даже идея эксперимента. В истории науки известны фундаментальные теоретические результаты, которые были получены без непосредственного обращения к эмпирическому материалу. Например, не существовало никаких особых фактов, которые могли бы послужить А. Эйнштейну для создания общей теории относительности, а специальная теория относительности была создана при рассмотрении теоретической проблемы, связанной с истолкованием природы пространства-времени и места пространственно-временных представлений в структуре научного знания.

Против рационалистической модели научного познания также имеются возражения. Конечно, в современном теоретическом мышлении огромна роль дедукции и интуиции. Однако эти принципы далеко не очевидны. Так, Н. Лобачевский, заменив пятый постулат Евклида, согласно которому через точку, лежащую вне данной прямой можно провести прямую, параллельную данной, и притом только одну, построил неевклидову геометрию, где через точку, лежащую вне данной прямой, можно провести по крайней мере две прямые, параллельные данной. Такое утверждение никак нельзя назвать очевидным. То же можно сказать об основаниях квантовой механики, о теории относительности, современной космологической теории Большого взрыва.

Кроме того, и индуктивная, и дедуктивная программы исследований предполагают, что в науке не может содержаться вероятностное знание. Однако развитие науки продемонстрировало эффективность использования вероятностных представлений практически во всех областях науки. Их значимость настолько велика, что иногда даже говорят о вероятностной картине мира. Образцами такого рода теорий являются квантовая механика, генетика, теория эволюции, теория информации.

Таким образом, научное исследование - это сложное сочетание и взаимопереплетение индуктивного и дедуктивного методов с включением в конкретные программы тех или иных вероятностных суждений о наблюдаемых явлениях.

Проблема построения единой теории

Затронем еще одну проблему - проблему принципиальной невозможности построения некой единой теории, которая охватывала бы фундаментальные принципы всей предметной области естествознания и на базе которой все остальные теории этой области выступали как частные случаи [15]. Такими стремлениями отмечена история практически всех областей науки. Так, до конца XIX в. все физики были убеждены, что единой физической теорией может служить механика, но потом выяснилось, что это невозможно. Позднее в качестве единой теории попытались использовать электродинамику, однако выяснилось, что существующие виды взаимодействий - электромагнитные, слабые и сильные, гравитационные - трудно объединить в одной теории.

Попытки создания единой теории основываются на том, что универсальные принципы, критерии научности отделяют науку от других сфер человеческой культуры, деятельности и тем самым объединяют различные области знания. Но в то же время каждая из них обладает своей спецификой, разъединяющей их в пределах науки, и объекты, описываемые в разных науках, значительно отличаются друг от друга. Сомнительно, что физические, химические, биологические, географические, геологические и другие явления могут описываться на основании одних и тех же принципов.

Научная теория - это система абстракций, при помощи которых раскрывается субординация свойств действительности, т.е. теория дает какой-то срез действительности. Однако ни одна система абстракций не может охватить все богатство действительности. Поэтому должны существовать различные системы абстракций, которые нередуцируемы (несводимы) друг к другу, определенным образом соотносятся друг с другом, но не перекрывают друг друга. Следовательно, любая научная дисциплина, как бы велики ни были успехи в интеграции охватываемых ею знаний, состоит из нескольких научных областей, специфика которых отображается относительно замкнутыми системами понятий, представляющими собой теории, которые в свою очередь объединяют вокруг себя соответствующий эмпирический материал.

§ 2.4. Этические проблемы в науке

Наука как социальный институт

Наука - социальное явление. Она создается сообществом ученых и представляет собой не только отношение ученого к познаваемой им действительности, но и определенную систему взаимосвязей между членами научного сообщества. В науке существует свой специфический образ жизни, регулируемый системой, как правило, неписаных, но передаваемых по традиции норм, своя система ценностей [15]. В настоящее время растет внимание исследователей к социальным, человеческим, гуманистическим аспектам науки, складывается особая дисциплина - этика науки - совокупность моральных норм, нравственных и ценностных принципов, принятых учеными и определяющих их поведение в научном сообществе.

Наука возникает, существует и развивается в обществе, представляя собой один из важнейших социальных институтов. Социальный институт - это специфическая сфера упорядоченных отношений между людьми, а также устойчивой организации их деятельности. Эта упорядоченность и организованность достигается путем нормативно-ценностного регулирования межличностных взаимодействий. Внутреннее устройство социального института определяется системой норм и ценностей, в связи с чем людям, вступающим в контакт в рамках социального института, нет надобности всякий раз договариваться о том, на каких условиях они будут взаимодействовать между собой. Система норм очерчивает круг допустимого, возможного, приемлемость поведения в рамках социального института. Система ценностей определяет, что является должным, т.е. во имя чего люди следуют принятым нормам и вообще действуют.

Каждый социальный институт располагает механизмами внешнего контроля за поведением и действиями людей, а именно набором позитивных и негативных санкций, которыми поощряется ожидаемое поведение и наказывается отклоняющееся. Если говорить о социальном институте науки, то здесь главной позитивной санкцией является признание коллег, как современных, так и ученых последующих поколений. Признание может выражаться в разных формах - от цитирования в научных трудах до увенчания престижной научной премией (например, Нобелевской) и даже до увековечения имени ученого в названии закона или теории: законы механики И. Ньютона, Периодическая система элементов Д.И. Менделеева, теория относительности А. Эйнштейна и т.п. Того, кто допускает отклонение от принятых в науке норм (фальсификация результатов эксперимента, приписывание себе чужих достижений, плагиат - воспроизведение того, что сделано другими, без ссылки на них), ожидают негативные санкции - игнорирование научным сообществом того, что делает данный ученый, а если в научной литературе нет упоминаний - цитат или ссылок на работы, то это значит, что для науки он попросту не существует.

Эти механизмы нормативного контроля не всегда срабатывают должным образом. С одной стороны, коллеги-современники подчас не обладают достаточной компетенцией для того, чтобы правильно оценить новый, революционный результат, а с другой - признание, пусть временное, иногда получают идеи, не имеющие должного обоснования и не заслуживающие признания.

Наряду с внешним нормативным контролем действует и внутренний контроль, когда нормативные ожидания становятся достоянием личности, превращаются в мотивы действия, определяемого не извне, не страхом наказания или стремлением к вознаграждению, а побуждением и желанием, идущим изнутри личности.

Зарождение науки как социального института принято относить к Западной Европе XVI-XVII вв. Процесс институционализации науки включает в себя два аспекта: формируется социальный институт науки со специфической системой ценностей и норм; устанавливается соответствие между этой системой и нормативно-ценностной системой, характерной для общества в целом, для всей сети социальных институтов. Но как показывает исторический опыт, это соответствие никогда не было полным и отношения между наукой и обществом всегда были более или менее напряженными. Это выражается, например, в том, что господствующие в обществе ценности не позволяют развивать некоторые направления исследований, осуществимые с точки зрения имеющихся у ученых возможностей, знаний, средств и методов. Так, довольно долго ценности общества препятствовали использованию такого средства изучения анатомии человека (при подготовке врачей), как вскрытие трупов; лишь в XVI в. А. Везалий стал проводить вскрытия. А два столетия спустя вскрытие трупов превратилось в модное занятие, производились даже частные вскрытия, более того, некоторые семьи использовали трупы своих умерших для собственного просвещения или удовлетворения любопытства.

В общем случае взаимоотношения между обществом и социальным институтом науки можно представить как взаимообмен. От науки общество получает прежде всего научные знания, которые участвуют в формировании культуры и мировоззрения людей, открывают новые промышленные, сельскохозяйственные, медицинские технологии, новые источники сырья и энергии, средства связи и транспорта, даже новые сферы человеческой деятельности. Особый вид знаний, вырабатываемых наукой и важных для общества, - знания о путях и методах использования научных знаний в практических целях. Кроме того, ученые, занимаясь преподаванием, не только обеспечивают процесс воспроизводства науки, но и формируют интеллектуальный потенциал общества. Высокая квалификация и опыт ученых позволяют выступать им в роли экспертов при подготовке и реализации различных проектов: социальных, экономических, культурных, политических и т.п.

Наука получает поддержку со стороны общества, в свою очередь давая обществу то, что общество считает важным, полезным и даже необходимым. При этом общественная поддержка науки осуществляется в разных формах. Наука получает ресурсы, нужные для своего воспроизводства и развития: финансовые; материальные (земля, здания, оборудование, материалы, энергия); интеллектуальные и такой важный ресурс, как общественный статус, престиж науки, убеждение общества и государства в том, что занятия наукой полезны, т.е. общество должно верить в ценность науки как таковой.'

Идеалы и ценности науки

Воспроизводство научного сообщества, т.е. подготовка новых поколений ученых, связано не только с передачей определенной суммы знаний и умений, но и с усвоением ими идеалов и ценностей науки. Возможны два способа преемственности в усвоении принципов нормативно-ценностной системы [15]. Во-первых, идеалы и ценности зафиксированы в виде некоторого устного или письменного кодекса и новый член сообщества, удостоверив свою приверженность основополагающим идеалам и ценностям, получает право самостоятельно заниматься соответствующим видом деятельности. Например, каждый выпускник медицинского вуза должен дать «клятву Гиппократа», чтобы получить право заниматься профессиональной деятельностью.

Во-вторых, в ходе неформального личностного общения учитель своим поведением демонстрирует образцы следования ценностям и нормам научного сообщества, которые непосредственно усваивает ученик. Сходную роль играет обращение в процессе преподавания к конкретным эпизодам из истории науки, повествующим об образцах поведения лидеров научного сообщества в критических ситуациях.

Но выбор этих исторических образцов во многом определяется существующими в данное время нормами и ценностями. В качестве примера рассмотрим два высказывания И. Ньютона. В одном из них Ньютон говорит о том, что всеми своими достижениями он обязан тому, что он стоял на «плечах гигантов» — своих предшественников. Здесь зафиксирована необходимость с должным уважением относиться к творцам науки' прошлого и опираться в своей деятельности на полученные ими результаты. Эта норма сохраняется в науке по сей день. Другое высказывание Ньютона — «гипотез не измышляю» - фиксирует норму научной деятельности, требующую руководствоваться не спекулятивными умозрениями, а достоверными фактами. Многие поколения ученых стремились следовать этой норме. Однако в XX в. она была поставлена под сомнение, а популярным стало высказывание Н. Бора о том, что для прогресса физики необходимы «сумасшедшие» идеи, позволяющие по-новому осмыслить и связать имеющиеся в распоряжении ученых факты. В таком случае «измышление гипотез» должно быть реабилитировано, хотя все же не отменяется необходимость искать фактическое подтверждение идей и гипотез.

. Жизнь науки — постоянная борьба различных мнений, направлений, борьба за признание работ, идей ученого, а также борьба за приоритет в полученном результате. Нормативно - ценностная система научного сообщества не только допускает, но и стимулирует конкуренцию между учеными, благодаря чему достигается прогресс научного познания. Эта система устанавливает и правила честной конкурентной борьбы, обеспечивая единство научного сообщества, поскольку каждый ученый может реализовать свои научные интересы лишь в рамках научного сообщества, что побуждает его относиться с уважением к коллегам.

Ученый, научное сообщество, общество

В мировом научном сообществе можно выделить национальные научные сообщества, существующие и действующие в пределах того или иного государства, и дисциплинарные научные сообщества, ограниченные рамками конкретной области знания. Каждое из них имеет своих лидеров и свою нормативно-ценностную систему, которая включает основное содержание всеобщей нормативно-ценностной системы, но вместе с тем обладает собственными специфическими чертами.

Национальное научное сообщество реализует не только ценности и нормы науки в целом, но и те ценности, которые являются господствующими в данной стране, и при выборе перспективных и приоритетных направлений научных исследований будет руководствоваться не только интересами мировой науки, но и тем, какие из них потенциально проще осуществить в своей стране и более важны для нее, а в определенной мере и специфическими научными интересами своих лидеров, которые уже продемонстрировали способность получать весомые научные результаты.

Дисциплинарное научное сообщество носит интернациональный характер. Можно говорить, например, о сообществе физиков, геологов, биологов и т.д. Всякое дисциплинарное сообщество характеризуется приверженностью всех его членов к ценностям и методам науки как таковой, а также особым видением проблем, стоящих перед данной отраслью знания, перспективных направлений исследований, наиболее эффективных путей и средств решения научных задач.

При этом каждый ученый является членом нескольких научных сообществ, что может стать источником конфликтов; например, могут вступить в противоречие требование быть лояльным к ценностям и нормам интернационального сообщества ученых и одновременно к национальным ценностям и нормам. В такой ситуации оказались, в частности, многие физики-ядерщики во время Второй мировой войны, когда стало реальным создание оружия огромной разрушительной силы.

Научное сообщество - форма организации совместной деятельности ученых, которая позволяет каждому из них реализовать свои интересы таким образом, чтобы не вступать при этом в неразрешимые конфликты с коллегами. Регулирующие эти взаимоотношения ценности вырабатываются и поддерживаются самими учеными. Следовательно, есть все основания говорить о научном сообществе и как о форме самоорганизации ученых. В этом случае ценностно-нормативная система выполняет по меньшей мере две функции: обеспечивает согласование мотивов, интересов и целей всех членов научного сообщества, т.е. выполняет интегративную функцию; позволяет сообществу выступать в качестве единого целого во взаимодействиях социального института науки с другими социальными институтами, с государством и обществом.

По отношению к государству и обществу научное сообщество можно считать автономным, если оно в состоянии самостоятельно формулировать и поддерживать собственные нормы и ценности и может само определять направления, тематику и проблематику своей деятельности. Наличие автономного научного сообщества - важнейший показатель того, что в данном обществе в основных чертах оформился институт науки. В соответствии с этим социальная роль ученого предполагает его стремление как отстоять и упрочить автономию науки, так и создать то, что требуется обществу в данный момент.

Интерес общества к науке также неоднозначен. С одной стороны, общество ждет от науки удовлетворения своих запросов, поэтому общество стремится указать ученым, не считаясь с их автономией, какими именно проблемами им следует заниматься, но с другой стороны, общество заинтересовано в эффективном функционировании науки и в длительной перспективе, а не только сегодня. Такая неоднозначность интересов придает взаимоотношениям науки и общества постоянную напряженность.

Кроме того, общество включает различные социальные слои, группы, классы, интересы которых в одной сфере близки, но в другой расходятся, а в третьей противоречат друг другу. В частности, различные социальные группы вырабатывают разные позиции в ценностном отношении к науке, имеют разные возможности воздействия на научное сообщество. Поэтому не исключены ситуации, когда противоборствующие социальные силы для обеспечения собственных интересов пытаются заручиться поддержкой научного сообщества или даже подчинить его себе.

С такого рода ситуациями ученым приходилось сталкиваться уже при становлении социального института науки. Так, в Англии XVII в., когда ее сотрясали религиозно-политические конфликты и гражданские войны, лидеры научного сообщества Р. Бойль, Р. Гук и их коллеги предпочли не вмешиваться в борьбу, фактически сделав выбор в пользу автономии науки. В Уставе Королевского общества, подготовленном Бойлем, в частности, было положение о цели Общества как о «совершенствовании знания о естественных предметах и всех полезных искусствах... с помощью экспериментов, не вмешиваясь в богословие, метафизику, мораль, политику, грамматику, риторику или логику». В истории науки эта норма периодически ставится под сомнение, однако в период формирования социального института науки без нее вряд ли науке удалось отстоять свою автономию.

Принцип невмешательства в вопросы религии, морали, политики в настоящее время часто называют принципом ценностной нейтральности либо принципом этической нейтральности науки. Предполагается, что ученые не затрагивают вопросы религии, этики, политики, а в обмен за это богословы, моралисты, политики также не должны вмешиваться в дела науки. Согласно принципу ценностной нейтральности, наука оперирует фактическими, а не ценностными суждениями, поэтому данный принцип называют и принципом свободы от ценностных суждений. Но по своей сути научная познавательная деятельность подлежит ценностным и моральным оценкам, поскольку научное познание не только осуществляется человеком, но оно осуществляется для человека. Здесь имеются в виду не только возможности его практически-прикладного использования, но и то, что знание, которое получает данный исследователь, по своим свойствам должно быть таким, чтобы его могли усвоить, воспринять и оценить и другие, по крайней мере его коллеги. Доступное для человеческого восприятия, понимания и осмысления исследование не будет считаться завершенным, если его результат не доложен коллегам на научном семинаре, симпозиуме или не опубликован в научном журнале. Ученый, делая свой результат достоянием научного сообщества, в какой-то мере отчуждает его от себя, а его коллеги получают возможность воспользоваться этим результатом для его критической оценки, для проведения новых исследований, для изложения его в учебнике, для его прикладного применения.

Процесс научного познания регулируется познавательными и методологическими нормами. Следование этим нормам или пренебрежение ими - моральный выбор ученого, предполагающий его ответственность перед своими коллегами и научным сообществом, т.е. профессиональную ответственность, которая предполагает в идеале стремление к истине, выражающееся в получении нового логически или экспериментально обоснованного знания.

Социальная ответственность ученых реализуется во взаимоотношениях науки и общества, причем проблемы профессиональной и социальной ответственности ученых тесно переплетены. Один из создателей квантовой механики, М. Борн, размышляя об американской ядерной бомбардировке японских городов Хиросима и Нагасаки, отмечал, что в современной науке и ее этике произошли такие изменения, что невозможно сохранение старого идеала служения знанию ради него самого. Социальная ответственность ученых была исходным импульсом, который заставил в начале 1960-х гг. сначала их, а затем и широкую общественность осознать серьезность ситуации, угрожающей будущему человечества в результате бездумного применения научно-технических достижений, которое становилось причиной загрязнения окружающей среды и истощения природных ресурсов.

В 1970-е гг. общественный резонанс вызвали результаты и перспективы биомедицинских и генетических исследований. Группа биологов и генетиков во главе с американским ученым П. Бергом предложила даже объявить добровольный запрет на эксперименты в области генной инженерии, которые могут представлять потенциальную опасность для генетической конституции живущих ныне организмов.

Стоит упомянуть и дискуссии, связанные с бурным развитием микроэлектроники и информатики. Прогресс вычислительной техники, внедрение роботов и компьютеров во все сферы жизни человека и общества ставят немало вопросов о свободе и суверенности личности.

Можно сделать вывод, что социальная ответственность ученых не есть что-то внешнее по отношению к научной деятельности. Напротив, ценностные и этические основания - неотъемлемая часть научной деятельности, которая ощутимо влияет на проблематику и направления исследований. При этом развитие науки увеличивает количество проблемных ситуаций, и пока нравственный опыт, накопленный учеными и всем человечеством, оказывается недостаточным для их разрешения.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что такое наука? Что является объектом, субъектом науки? Каковы цели науки? Что такое научный метод?

2. Что такое знание и познание? Какие основные виды познания вы знаете?

3. Каковы критерии разграничения научного знания от других его видов? Кратко их охарактеризуйте.

4. Что такое принцип фальсификации и как этот принцип работает?

Каковы следствия введения этого принципа в анализ научного знания?

5. Что такое средства науки? Каковы их виды? Что такое методология, метод науки и научные методы? Дайте характеристику основных методов науки.

6. Какова структура научного знания? Что такое научная картина мира, концепции, гипотезы, проблемы, факты?

7. Какие уровни научного знания вы знаете? Чем отличаются эмпирический и теоретический уровни знания? Каковы их функции? Где пролегает граница между эмпирическим и теоретическим видами знания?

8. Что такое теория? Каковы ее функции? Какие методы изложения теорий вы знаете?

9. Охарактеризуйте основные пути научного познания. В чем сходства и различия индуктивного и рационалистического путей познания? Какой вид исследования, по вашему мнению, наиболее перспективен?

10.На основании чего можно считать науку социальным институтом? Что такое этика науки?

11.Каковы основные идеалы и ценности современной науки? Каковы механизмы воспроизводства идеалов и ценностей научного сообщества?

12.В чем заключается ответственность ученого и научного сообщества перед обществом? Каковы обязательства общества перед ученым и научным сообществом?

ЛИТЕРАТУРА

1. Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания. Структурный курс основ естествознания. М., 2000.

2. Концепции современного естествознания /Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. М., 1997.

3. Кун Т. Структура научных революций. М., 1975.

4. Лакатос И. Методология научных исследовательских программ // Вопросы философии. 1995. № 4.

5. Материалистическая диалектика и методы естественных наук. М., 1968.

6. Найдыш В.М. Научная революция и биологическое познание: философско-методологический анализ. М., 1987.

7. Печенкин A.A. Обоснование научной теории: классика и современность. М., 1991.

8. Поппер К. Логика и рост научного знания. М., 1983.

9. Пуанкаре А. О науке. М., 1983.

10.Современная философия науки: знание, рациональность, ценности в трудах мыслителей Запада. М., 1996.

11.Степин B.C., Горохов В.Г., Розов М.А. Философия науки и техники. М., 1996.

12.Степин B.C. Философия науки. М., 2003.

13.Структура и развитие науки (из Бостонских исследований по философии
науки). М., 1978.

14.Фейерабенд П. Избранные труды по методологии науки. М., 1986.

15.Философия и методология науки /Под ред. В.И. Купцова. М., 1996.

16.Философские проблемы естествознания. М., 1985.

17.Философский энциклопедический словарь. М., 1983.

18.Франк Ф. Философия науки. М., 1960.

19.Холтон Дж. Тематический анализ науки. М., 1981.

Глава 3

ИСТОРИЯ НАУКИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

§ 3.1. История естествознания и модели развития науки

Подходы к изучению истории естествознания

Естественно-научную картину мира нельзя понять, не проследив ее истории и путей ее формирования. Систематические историко-научные исследования начались только в XIX в. Одной из первых в рамках истории науки решалась задача хронологической систематизации успехов различных отраслей науки. К настоящему времени созданы обширные исторические обзоры достижений практически во всех областях знания, в первую очередь различных отраслей естествознания.

Несколько позже сформировалась другая группа историко-научных задач, которая фокусировала внимание на описании механизма развития научных идей и проблем, следуя высказыванию А. Эйнштейна, что история науки — это не драма людей, а драма идей. При этом реконструировались основные традиции, темы и проблемы, характерные для той или иной дисциплины, и демонстрировалось постоянное обновление научных идей. В дальнейшем усилилось внимание к «человеческому элементу» научной деятельности и основной задачей стало воссоздание социокультурного и мировоззренческого контекстов творчества ученых, анализ традиций научных сообществ различных эпох и регионов, реконструкция внешнего окружения, которое способствует или тормозит развитие научных идей, теорий, подходов.

В соответствии с представленными подходами поиск ответа на вопрос «как это было?» осуществляется несколькими путями [34]:

◊ составление хронологической шкалы достижений в различных научных дисциплинах с демонстрацией неуклонного роста знаний, начиная с древности и до наших дней;

◊ реконструкция хода мысли, особенностей рассуждений и доказательств ученых прошлых времен, полемика с идеями предшественников и современников;

◊ определение социального и культурного контекстов, в которых происходили те или иные события в развитии познания, а также внешних условий и факторов, под влиянием которых формировалось мировоззрение ученого, его судьба в социокультурной обстановке его времени.

В настоящее время обсуждаются две традиции изучения истории науки: презентизм - стремление рассказать о прошлом языком современности и антикваризм - желание восстановить картины прошлого в их внутренней целостности, без отсылок к современности. Обе традиции имеют свои положительные и отрицательные стороны; обращения и к той, и к другой вызывают определенные проблемы.

Противоречия, возникающие с интерпретацией исторических событий, можно показать на примере анализа сущности деятельности X. Колумба [34]. Так, известно, что Колумб первый пересек Атлантический океан в субтропической и тропической полосе северного полушария и первый из европейцев плавал в американском Средиземном (Карибском) море. В период с 1492 по 1504 г. он успел совершить четыре путешествия. Колумб искал морской путь в Западную Индию, и, как ему самому казалось, он нашел этот путь.

Собственно название «Америка» впервые появилось в 1507 г. в книге М. Вальдземюллера. По его мнению, открытие нового материка принадлежало А. Веспуччи, который этот материк впервые подробно описал. При этом для Вальдземюллера, как и для других географов начала XVI в., Колумб и Веспуччи открывали новые земли в различных частях света: Веспуччи открыл и исследовал новые земли Америки, а Колумб - неизвестные земли Азии.

Укоренившееся в нашем сознании суждение о том, что Колумб открыл Америку, можно считать презентистским, поскольку верно относительно современных представлений о карте Земли. Антикваристская точка зрения заключается в том, что Колумб открыл «Западную Индию»; это суждение неверно относительно современного уровня знаний, однако оно адекватно описывает реальность исторического прошлого.

Таким образом, если мы анализируем сам путь Колумба, который некоторым образом перемещался в пространстве, то следует нанести на современную карту его маршрут и точно узнать, где он побывал. Но если мы интересуемся социально-культурным контекстом открытий Колумба как реального исторического лица, ставящего перед собой определенные цели, совершающего конкретные поступки и осмысливающего полученные результаты, то целесообразно обратиться к антикваристской реконструкции и, следовательно, отказаться от изображения маршрута XV в. на современной карте.

Другим примером не простого соотнесения презентизма и антикваризма в реконструкции исторического прошлого может быть анализ представлений алхимиков XIII—XV вв. Так, не совсем понятно, можно ли утверждать, что исследователи того времени считали высказывание «поваренная соль растворима в воде» имеющим смысл. Известно, что в то время пищу подсаливали, однако, согласно взглядам, распространенным в XV в., поваренная соль не NaCl и вода - не соединение Н2 О, а особое жидкое состояние вещества. Поэтому растворить вещество означало превратить его в воду.

Еще один пример привел Т. Кун [17]. Он показал, что невозможно просто перевести термин «флогистированный воздух» как «кислород», а «дефлогистированный воздух» - как атмосферу, из которой кислород удален. Слово «флогистон» не имеет уловимого для нас сегодня предметного отнесения к реальности, потому что за ним стоит вера в существование особой субстанции; эту веру современный исследователь не только не разделяет, но и не может в себе воссоздать.

Таким образом, изучая историю науки, нельзя вступить в прямой контакт с прошлым. Носители современной культуры сталкиваются с необходимостью описать действия исследователей прошлого, которые были осуществлены в рамках иной культуры, т.е. возникает проблема понимания прошлого. По аналогии с принципом неопределенности В. Гейзенберга, сформулированным для квантово-механических систем, в историко-научном исследовании был сформулирован принцип, в соответствии с которым можно преодолеть противоречия в интерпретации истории науки, возникающие в рамках презентизма и антикваризма, если принять, что в этих ситуациях действует принцип дополнительности, позволяющий уточнить процедуру историко-научного анализа. При этом необходимо описать традиции, в рамках которых действовал интересующий нас исследователь, а также зафиксировать содержание действия. Тогда можно сказать, что презентизм понимает прошлое, а антикваризм объясняет его. Историко-научная реконструкция предполагает и то, и другое.

Еще одной проблемой, рассматриваемой в связи с развитием научного знания, является его унаследованностъ. В современной науке живут идеи, выдвинутые Аристотелем, Пифагором, Платоном, И. Кеплером и многими другими учеными прошлого. Эти идеи переосмысляются, меняются, но сохраняют свое интеллектуальное значение. Более того, чем глубже идея, тем более она обогащается со временем все новыми значениями, новыми смыслами. Великие идеи прошлого как бы перерастают то, чем они были в эпоху своего создания. Развитие научных знаний выводит научные открытия и результаты за рамки узких предметных интерпретаций. Например, современники не могли до конца оценить величие идей И. Ньютона. Идеи Ч. Дарвина широко обсуждались уже при жизни автора, но он не мог подозревать, что схема «естественного отбора» станет общей схемой мышления, выйдет далеко за рамки биологии и будет присутствовать в трудах по кибернетике и теории познания.

Таким образом, развитие знаний - это исторический процесс, когда существующие системы знаний постоянно перекраиваются, перестраиваются, одни разделы исключаются, а вписываются другие, часто заимствованные из далеких отраслей знания. Более того, перед взором каждого исследователя стоят образцы действия ученых прошлого и настоящего, т.е. в своем историческом развитии наука опирается на прошлые достижения, иногда меняя их содержание почти до неузнаваемости.

Еще одной характерной чертой развития естествознания является сложное сочетание процессов дифференциации и интеграции научного знания. С одной стороны, накопление большого фактического и теоретического материала обусловило появление все большего количества самостоятельных естественно-научных дисциплин (дифференциация научного знания) со своими специфическими задачами и методами исследования.

В результате процесса дифференциации уточняются научные понятия, устанавливаются новые естественно-научные принципы, законы и закономерности, происходит детализация научных проблем. Чем глубже проникает естествознание в суть деталей, тем лучше оно вскрывает природные связи.

С другой стороны, объект естествознания един, поэтому между отдельными естественно-научными дисциплинами постоянно возникали и возникают многочисленные междисциплинарные связи (интеграция научного знания). Например, невозможно представить современную геологию, биологию или географию, не использующую физические и химические методы исследования вещества. Взаимодействие разных наук привело к возникновению таких смежных дисциплин, как биофизика, геохимия ландшафта, физическая химия и др. Интеграция научного знания проявляется в большом количестве процессов внутри науки -в организации междисциплинарных исследований, в разработке и использовании универсальных методов, концепций и т.д. Благодаря процессу интеграции наука вскрывает общие связи и, следовательно, лучше уясняет суть деталей.

Анализ исторических путей развития естествознания должен опираться на представления о том, как происходило это развитие. В настоящее время получили распространение три основные модели исторических реконструкций науки вообще и естествознания в частности [34]: 1) как кумулятивного, поступательного, прогрессивного процесса; 2) как процесса развития посредством научных революций; 3) как совокупности индивидуальных, частных ситуаций (так называемых «кейс стадис»). Возникнув в разное время, эти три модели сосуществуют в современном анализе истории науки.

Кумулятивная модель развития науки

Объективной основой для возникновения кумулятивистской модели развития науки стал факт накопления знаний в процессе научной деятельности. Основные положения этой модели можно сформулировать следующим образом. Каждый последующий шаг в науке можно сделать, лишь опираясь на предыдущие достижения. При этом новое знание всегда совершеннее старого, оно более точно, более адекватно воспроизводит действительность, поэтому все предыдущее развитие науки можно рассматривать как предысторию, как подготовку современного состояния. Значение имеют только те элементы научного знания, которые соответствуют современным научным теориям. Идеи и принципы, от которых современная наука отказалась, являются ошибочными и представляют собой заблуждения, недоразумения и уход в сторону от основного пути ее развития.

Возникновение кумулятивной модели связано с большой популярностью в методологии науки XIX в. закона трех стадий О. Конто. Он считал, что этому закону подчиняется развитие неорганического и органического мира, а также человеческого общества, в том числе и развитие научного знания. Закон трех стадий Конта предполагает наличие трех стадий в развитии как науки в целом, так и каждой дисциплины и даже каждой научной идеи: теологической (религиозной), метафизической (философской), позитивной (научной). В теологическом состоянии человеческий дух, направляя свои исследования на внутреннюю природу вещей, считает причиной явлений сверхъестественные факторы. В метафизическом состоянии сверхъестественные факторы заменяются абстрактными силами или сущностями. Наконец, в позитивном состоянии человеческий дух познает невозможность достижения абсолютных знаний, отказывается от исследования происхождения и назначения существующего мира и от познания внутренних причин явлений и стремится, комбинируя рассуждение и наблюдение, к познанию действительных законов явлений, т.е. их неизменных отношений последовательности и подобия.

По мнению Г. Спенсера, развивавшего идеи Конта, в процессе развития науки меняется лишь степень общности выдвигаемых концепций, которая зависит от широты обобщений, возрастающей по мере накопления опыта. По его мнению, прерывность в науке обусловлена прежде всего актами творчества, появлением нового знания, не похожего на старое, но которое надо каким-то образом вывести из старого, чтобы сохранить непрерывность развития. Появление принципиально нового знания, возникновение фундаментально новой теории в развитии науки характеризуются скорее философским, чем естественно-научным типом мышления. Спенсер выводил за пределы науки всякое философствование, что делало историю науки плавной, непрерывной, т.е. кумулятивной.

В рамках кумулятивной модели ставились задачи обнаружения законов исторического развития, поскольку, в представлениях ученых того времени, история должна быть такой же точной теоретической наукой, как механика или астрономия. Поэтому Э. Мах формулирует «принцип непрерывности», который позволяет ему включить научное открытие в непрерывный ряд развития. По мысли Маха, ученый должен отыскивать в явлениях природы единообразие, т.е. должен представлять новые факты таким образом, чтобы они отвечали уже известным законам. По Маху, научное открытие состоит в том, чтобы представить неизвестное, непонятное явление или факт действительности как подобное уже чему-то известному и как подчиняющееся тому же правилу или закону, что и это известное.

Большой вклад в развитие кумулятивной модели внес П. Дюгем, который выдвинул идею непрерывного развития науки, опирающуюся на отделение науки от философии. По его воззрениям, все катаклизмы, споры, дискуссии, трансформации следует вывести за пределы истории науки. Поднимая проблему научного открытия как некоторого скачка, он полагал, что при всей бесспорности крупных сдвигов и переворотов в истории науки их надо свести к постепенности, непрерывности, для того чтобы включить в какую-то историко-научную реконструкцию. В связи с этим Дюгем выдвинул идею абсолютной непрерывности и кумулятивности развития науки. Результатом развития этой идеи явилась, в частности, «реабилитация» Дюгемом средних веков. Он убедительно показал огромное значение средневековой науки для формирования науки Нового времени. В его трудах Средневековье не было мрачной эпохой, периодом, когда отсутствовало всякое более или менее разумное научное размышление.

Научные революции в истории науки

В середине XX в. исторический анализ науки стал опираться на идеи прерывности, особенности, уникальности, революционности. При этом указывалось, что межреволюционные периоды в развитии науки, изучение которых достигло хороших результатов, трудно понять без интерпретации научных революций. Более того, было осознано, что от такой интерпретации зависит понимание самих кумулятивных периодов.

Одним из пионеров внедрения этих представлений в историческое исследование науки считается А. Каире. Так, период XVI—XVII вв. он рассматривает как время фундаментальных революционных трансформаций в истории научной мысли. Изучая этот период, Койре пришел к выводу, что европейский разум осуществил тогда очень глубокую умственную революцию, которая модифицировала сами основы и даже структуру научной мысли. Койре показал, что научная революция - это переход от одной научной теории к другой, в ходе которой изменяется не только скорость, но и направление развития науки.

В настоящее время широкое распространение получило несколько концепций революционного развития науки. Наиболее известная модель предложена Т. Куном [17]. Центральным понятием его модели стало понятие «парадигма», т.е. признанные всеми научные достижения, которые в течение какого-то времени дают научному сообществу модель постановки проблем и их решений. Развитие научного знания в рамках определенной парадигмы называют «нормальная наука». После некоторого момента парадигма перестает удовлетворять научное сообщество, и тогда ее сменяет другая — происходит научная революция. По представлениям Куна, выбор новой парадигмы является случайным событием, так как есть несколько возможных направлений развития науки, и какое из них будет выбрано - дело случая. Более того, переход от одной научной парадигмы к другой он сравнивал с обращением людей в новую веру: и в том, и в другом случае мир привычных объектов предстает в совершенно ином свете в результате пересмотра исходных объяснительных принципов. Научная деятельность в межреволюционные периоды исключает элементы творчества, и творчество выводится на периферию науки или за ее пределы. Кун рассматривает научное творчество как яркие, исключительные, редкие вспышки, определяющие все последующее развитие науки, в ходе которого добытое ранее знание в форме парадигмы обосновывается, расширяется, подтверждается.

В соответствии с концепцией Куна новая парадигма утверждается в структуре научного знания последующей работой в ее русле. Показательным примером такого типа развития является теория К. Птолемея о движении планет вокруг неподвижной Земли, позволявшая предвычислить их положение на небе. Для объяснения вновь обнаруживаемых фактов в этой теории постоянно увеличивалось число эпициклов, вследствие чего теория стала крайне громоздкой и сложной, что в конечном счете привело к отказу от нее и принятию теории Н. Коперника.

Другая модель развития науки, получившая широкое признание, предложена И. Лакатосом [18, 31] и названа «методология научно-исследовательских программ». По мысли Лакатоса, развитие науки обусловлено постоянной конкуренцией научно-исследовательских программ. Сами программы имеют определенную структуру. Во-первых, «жесткое ядро» программы, которое включает неопровержимые для сторонников данной программы исходные положения. Во-вторых, «негативная эвристика», являющаяся, по сути дела, «защитным поясом» ядра программы и состоящая из вспомогательных гипотез и допущений, снимающих противоречия с фактами, которые не укладываются в рамки положений жесткого ядра. В рамках этой части программы строится вспомогательная теория или закон, который мог бы позволить перейти от него к представлениям жесткого ядра, а положения самого жесткого ядра подвергаются сомнению в последнюю очередь. В-третьих, «позитивная эвристика», которая представляет собой правила, указывающие, какой путь надо выбирать и как по нему идти, для того чтобы научно-исследовательская программа развивалась и становилась наиболее универсальной. Устойчивость развитию науки придает именно позитивная эвристика. При ее исчерпании происходит смена программы, т.е. научная революция. В связи с этим в любой программе выделяются две стадии: вначале программа является прогрессирующей, ее теоретический рост предвосхищает ее эмпирический рост и программа с достаточной долей вероятности предсказывает новые факты; на более поздних стадиях программа становится регрессирующей, ее теоретический рост отстает от ее эмпирического и она может объяснять либо случайные открытия, либо факты, которые были открыты конкурирующей программой. Следовательно, главным источником развития выступает конкуренция исследовательских программ, которая обеспечивает непрерывный рост научного знания.

Лакатос в отличие от Куна не считает, что возникшая в ходе революции научно-исследовательская программа является завершенной и вполне оформившейся. Положительная эвристика программы определяет проблемы, подлежащие решению, а также предсказывает аномалии и превращает их в подтверждающие примеры. Развитие, совершенствование программы в послереволюционный период - необходимое условие научного прогресса. Поэтому, говорит Лакатос, деятельность ученого в межреволюционные периоды носит творческий характер. Даже в ходе доказательства, обоснования знания, полученного в ходе последней более или менее значительной революции, это знание трансформируется.

Еще одно отличие этих концепций заключается в следующем. По Куну, все новые и новые подтверждения парадигмы, получающиеся в ходе решения очередных задач-головоломок, укрепляют безусловную веру в парадигму — веру, на которой держится вся нормальная деятельность членов научного сообщества. Лакатос утверждает, что процедура доказательства истинности первоначального варианта исследовательской программы приводит не к вере в нее, а к сомнению, порождает потребность перестроить, усовершенствовать, сделать явными скрытые в ней возможности, т.е. революционная научно-исследовательская деятельность не является прямой противоположностью деятельности ученого в межреволюционные периоды. Поскольку в ходе революции создается лишь первоначальный проект новой научно-исследовательской программы, то работа по ее окончательному формированию продолжается весь послереволюционный период.

В настоящее время мало кто сомневается в существовании научных революций. Однако нет единого мнения о том, что такое «научная революция». Часто ее трактуют как ускоренную эволюцию, т.е. некая теория модифицируется, но не опровергается.

К. Поппер предложил концепцию перманентной революции [26]. Согласно его представлениям, любая теория рано или поздно фальсифицируется, т.е. находятся факты, которые полностью ее опровергают. В результате этого появляются новые проблемы, а движение от одних проблем к другим определяет прогресс науки.

По представлениям M. А. Розова, выделяются три типа научных революций [30, 34]: 1) построение новых фундаментальных теорий. Этот тип, собственно говоря, совпадает с научными революциям Куна; 2) научные революции, обусловленные внедрением новых методов исследования, например появление микроскопа в биологии, оптического и радиотелескопов в астрономии, изотопных методов определения возраста в геологии и т.д.; 3) открытие новых «миров». Этот тип революций ассоциируется с Великими географическими открытиями, обнаружением миров микроорганизмов и вирусов, мира атомов, молекул, элементарных частиц и т.д.

К концу XX в. представление о научных революциях сильно трансформировалось. Постепенно перестают рассматривать разрушительную функцию научной революции. В качестве наиболее важной выдвигают созидательную функцию, возникновение нового знания без разрушения старого. При этом предполагается, что прошлое знание не утрачивает своего своеобразия и не поглощается актуальным знанием.

«Кейс стадис» как метод исследования

В 1970-е гг. большую популярность приобретает модель «кейс стадис» (ситуационного исследования). Здесь подчеркивается прежде всего необходимость остановить внимание на отдельном событии из истории науки, которое произошло в определенном месте и в определенное время. «Кейс стадис» - это как бы пересечение всех возможных траекторий истории науки, сфокусированных в одной точке с целью рассмотреть и реконструировать одно событие из истории науки в его целостности, уникальности и невоспроизводимости [34]. В «кейс стадис» ставится задача понять прошлое событие не дак вписывающееся в единый ряд развития, не как обладающее какими-то общими с другими событиями чертами, а как неповторимое и невоспроизводимое в других условиях.

Такого рода исследования представлены в научной литературе. Например, Р. Телнер в статье «Логические и психологические аспекты открытия циркуляции крови» пишет, что научное открытие следует изображать как историческое событие, в котором смешались идеи, содержание и цели предшествующей науки, а также культурные и социальные условия того времени, когда открытие было сделано. По его мнению, только такое исследование может дать информацию о новом аспекте научного открытия, описать, как развивался новый взгляд, каким путем и какими средствами он вошел в историю или почему не вошел. Еще одной иллюстрацией метода «кейс стадис» может служить статья Т. Пинча (1985), где он рассматривает два эпизода из истории науки: определение в 1967 г. солнечных нейтрино и измерение тогда же сплющенности Солнца. По Пинчу, предметом «кейс стадис» становится непосредственная научная практика, выраженная в анализе эпизодов научного диспута, эпизодов жизнедеятельности отдельных лабораторий, научных коллективов. Индивидуальные случаи наблюдения можно связать с более широкими интересами и ресурсами других групп ученых, включенных в научную практику.

Исследования в стиле «кейс стадис» сосредоточены на самом событии, по возможности целостном и неповторимом. Такое событие несет в себе некоторые симптомы переломных, поворотных моментов в истории науки; оно оказывается легкообозримым и точно определяемым перекрестком разных направлений историко-научного поиска, будь то анализ процесса творчества, социальных условий, соотношения общества и собственно научного сообщества, структуры научного знания и т.д. Для «кейс стадис» важно, что в качестве целостного и уникального выбирается событие, малое по объему. Здесь изучаются локализованные события, такие, как отдельный текст, научный диспут, материалы конференции, научное открытие в определенном научном коллективе и т.д. Особое значение для «кейс стадис» приобретает возможность представить исторические события как некую «воронку», в которую втягиваются и предшествующие, и последующие события.

«Кейс стадис» в их сегодняшнем состоянии - лишь начало процесса обращения историков науки к исходным элементарным составляющим предмета исторического анализа как некоторому средоточию всеобщности. Элементарное событие не приобщается к некоторому всеобщему, находящемуся вне его, а, наоборот, это всеобщее обнаруживается в нем самом и через общение с другим особенным событием.

§ 3.2. Традиции и новации в истории естествознания

Традиции в истории естествознания

В процессе развития естествознания традиции и новации выполняют свои специфические функции. Традиции образуют «скелет» естествознания, который определяет характер деятельности ученого [34]. Т. Кун первый рассмотрел традиции как центральный объект при анализе науки в целом. Он назвал парадигмой прошлые достижения, лежащие в основе такой традиции. Чаще всего речь идет о некоторой достаточно общепринятой теоретической концепции (система Коперника, механика Ньютона и т.п.).

В научном познании обычно приходится сталкиваться не с одной или несколькими традициями, а со сложным их многообразием. Традиции различаются и по содержанию, и по функциям в составе науки, и по способу своего существования. Они могут существовать в виде текстов (вербальные), в форме неявного знания (невербальные); последние передаются от учителя к ученику или от поколения к поколению на уровне непосредственной демонстрации образцов.

Любое знание функционирует двояким образом [34]. Во-первых, оно фиксирует некоторый способ практических или познавательных действий, производственные операции или методы расчета и в этих случаях выступает как вербализованная традиция. Во-вторых, как неявное знание оно задает образец продукта, к получению которого надо стремиться. В простейшем случае речь идет о постановке вопросов. Так, знание формы и размеров окружающих нас предметов породило вопрос о форме и размерах Земли, а знание расстояний между земными ориентирами позволило поставить вопрос о расстоянии от Земли до Луны и до звезд.

Традиции могут быть явными и неявными. Противопоставление явных и неявных традиций дает возможность понять различие между научными школами (явные традиции) и научными направлениями (неявные традиции). Развитие научного направления может быть связано с именем крупного ученого, но в отличие от научной школы оно не предполагает обязательных постоянных личных контактов людей, работающих в рамках этого направления. В научной школе контакты необходимы, так как большое значение имеет опыт, непосредственно передаваемый от учителя к ученику, от одного члена сообщества к другому.

Неявные традиции отличаются друг от друга не только по содержанию, но и по механизму своего воспроизведения. В основе их могут лежать как образцы действий, так и образцы продуктов. Например, очевидно, что есть разница между демонстрацией технологии производства некоего продукта и показом готового продукта с предложением сделать такой же.

Еще одним основанием для разделения традиций может служить их роль в системе науки. Одни традиции задают способы получения новых знаний (инструкции, задающие методику проведения исследований, образцы решенных задач, описания экспериментов и т.д.), а другие - принципы их организации (образцы учебных курсов, классификационные системы, лежащие в основе разделения научных дисциплин, категориальные модели действительности, определяющие рубрикацию при организации знаний, определение предмета тех или иных дисциплин). Вероятно, ни одна наука не имеет оснований считать себя окончательно сформировавшейся, пока не появились обзоры или учебные курсы, т.е. пока не заданы традиции организации знания.

Незнание и неведение

Новации могут состоять в постановке новых проблем, в построении новой классификации или периодизации, в разработке новых экспериментальных методов исследования, обнаружении новых явлений и т.д. Все новации можно разделить на преднамеренные и непреднамеренные. Первые возникают как результат целенаправленной деятельности и происходят в рамках парадигмы, вторые возникают только как побочный результат и ведут к изменению парадигмы. Это деление можно уточнить, противопоставив незнание и неведение [34].

Под незнанием подразумевается то, что может быть выражено в виде «Я не знаю того-то». Так, можно не знать химического состава какого-либо вещества, расстояния между какими-то городами, причины каких-нибудь явлений и т.д. Во всех этих случаях можно поставить вполне конкретный вопрос или сформулировать задачу выяснения того, чего мы не знаем. Незнание — это область нашего целеполагания, область планирования нашей познавательной деятельности.

Сфера неведения это все, что в принципе не может быть выражено подобным образом, просто не существует в нашем сознании как нечто определенное. В отличие от незнания неведение не может быть зафиксировано в форме конкретного утверждения типа: «Я не знаю того-то». Очевидно, что невозможен целенаправленный поиск неизвестных или, точнее, неведомых явлений. Неведение открывается только как побочный результат. Так, после открытия Австралии правомерно было поставить вопрос о животных, которые ее населяют; это составляло сферу незнания. Но тогда было невозможно поставить вопрос о том, в течение какого времени кенгуру носит в сумке своего детеныша, так как не было знания о существовании на Земле сумчатых животных.

Сопоставление незнания и неведения позволяет уточнить понятия открытия и обнаружения. Так, можно сказать, что наука открыла сумчатых животных. Открытия подобного рода часто знаменуют собой переворот в науке, но от неведения к знанию нет рационального, целенаправленного пути. Про И.Г. Галле можно сказать, что он обнаружил, а не открыл планету Нептун, так как эта планета была теоретически предсказана УЖ. Леверье1 на основании возмущений орбиты Урана. Специфической особенностью открытий является то, что на них нельзя выйти с помощью постановки соответствующих вопросов, ибо существующий уровень развития науки и культуры не дает оснований для вопроса. Принципиальную невозможность постановки того или иного вопроса следует отличать от его постановки нетрадиционных вопросов в рамках той или иной науки или культуры в целом.

Приведенные примеры относятся к сфере эмпирического исследования. На уровне теории также открывают новые явления; например, П. Дирак теоретически открыл позитрон. Однако обычно говорят, что теории не обнаруживают и не открывают, а их строят или формулируют. Здесь происходит переход из сферы обнаружений и открытий в сферу проектов и их реализации.

Проекты можно строить путем переноса образцов из одной области знания в другую или с помощью оригинальных идей, не имеющих прямых аналогов.

Путем переноса образцов В. Дэвисом была построена теория эрозионных циклов, которая сыграла огромную роль в развитии как геоморфологии (науке о рельефе земной поверхности), так и всей физической географии [7]. Согласно этой теории, все разнообразные формы рельефа образуются под воздействием двух основных факторов - тектонических поднятий суши и обратно направленных процессов эрозии. Образцом для Дэвиса служила концепция Ч. Дарвина о развитии коралловых островов, т.е. одна теория строилась по образцу другой. Так, у Дарвина все определяется соотношением двух процессов: медленного опускания морского дна и роста кораллов; у Дэвиса также два процесса - поднятие суши и процесс эрозионного воздействия текучих вод на возвышенный участок. В обеих теориях два фактора, находясь как бы в противоборстве друг с другом, определяют тем самым стадию развития объекта. В теории Дарвина вследствие опускания суши на поверхности океана остается лишь коралловая постройка -атолл, в теории Дэвиса следствием эрозии является почти плоская равнина — пенеплен. Следовательно, один и тот же принцип построения модели использован при изучении разных явлений.

Заметим, что общая идея, лежащая в основе теории образования коралловых островов, принадлежит не Дарвину. Путешествуя на «Бигле», он возил с собой книгу Ч. Лайеля «Принципы геологии», где даже на переплет было вынесено вошедшее потом во многие учебники изображение колонн храма Юпитера-Сераписа со следами поднятий и погружений.

Приведем еще несколько примеров [35]. Выдающийся отечественный естествоиспытатель и почвовед В.В. Докучаев создал, как считается, новый оригинальный проект, не имевший в то время прямого аналога. Однако создал как побочный результат. Предполагают, что восприятию почвы как специфического естественного тела природы способствовало то, что Докучаев пришел в почвоведение как геолог. Иными словами, первоначально Докучаев работает в рамках сложившихся традиций, но полученный им результат, показывающий, что почва есть продукт совокупного действия ряда природных факторов, оказывается образцом, или проектом, нового подхода в науках о Земле.

Нередко ученый, пришедший из одной области науки в другую и не связанный традициями этой области науки, делает то, что не могли сделать до него, поскольку использует методы и подходы, которые помогают по-новому поставить и решить проблемы. Например, Л. Пастер как химик владел экспериментальным методом; осваивая новую для себя область знания, он применял известные ему методы и приемы работы и во многом благодаря этому стал основоположником микробиологии и иммунологии. Еще один пример - деятельность А. Вегенера. Он получил докторскую степень по астрономии, затем занимался метеорологией, а итогом его деятельности стало учение о дрейфе континентов. Вегенер как ученый не связывал себя границами той или иной дисциплины, поэтому ему удалось привнести полипредметность в обсуждение проблемы перемещения материков, используя данные палеонтологии, стратиграфии, палеоклиматологии, тектоники и т.д.

По основанию незнания и неведения можно разделить все фундаментальные открытия на два класса. К первому классу - открытия на основании незнания - можно отнести уже представленное выше открытие планеты Нептун У.Ж. Леверье и Дж. К. Адамсом - большое событие в естествознании. К нему ученые пришли следующим образом. Сначала были рассчитаны траектории планет. Потом выяснилось, что они не совпадают с наблюдаемыми. Это подтолкнуло к предположению о существовании новой планеты. Последний этап - обнаружение планеты в телескоп в соответствующей точке пространства. Это открытие можно отнести к открытиям на основании незнания, поскольку оно было совершено на фундаменте уже разработанной небесной механики.

Следовательно, такие задачи обычно относятся к четко определенной предметной области. При их решении можно ясно представить себе, где именно следует искать ответ, хотя к задачам данного класса необязательно подходить со стандартным алгоритмом. Обычно здесь требуется глубокое понимание специфики рассматриваемых объектов, развитая профессиональная интуиция.

Фундаментальные открытия второго класса построены на основании неведения. Проблем, приведших к такого рода открытиям, в естествознании возникало не так уж и много, но их решения всякий раз означали огромный прогресс в развитии естествознания, науки и культуры в целом. Это такие фундаментальные научные теории и концепции, как гелиоцентрическая теория Н. Коперника, классическая механика И. Ньютона, генетика Г. Менделя, теория эволюции Ч. Дарвина, теория относительности А. Эйнштейна, квантовая механика.

Психологический контекст открытий

Говоря о психологическом контексте открытий этих двух классов, можно предположить, что он одинаков [34]. Самым приблизительным образом его можно характеризовать как непосредственное видение, открытие в полном смысле этого слова. По мнению Р. Декарта, исследователь как бы «вдруг» видит, что проблему нужно рассматривать именно так, а не иначе. Но открытие никогда не бывает мгновенным. Обычно сначала присутствует некое ощущение идеи. Потом она проясняется путем выведения из нее следствий, которые, как правило, уточняют идею. Затем из новой модификации выводятся новые следствия и т.д.

Выдвижение новых фундаментальных принципов всегда связывалось с деятельностью гениев, с озарением, с какими-то тайными характеристиками человеческой психики. Обращаясь к истории естествознания, мы видим, что такого рода открытия действительно осуществляются незаурядными людьми. Обратим внимание на тот факт, что многие открытия делали независимо друг от друга несколько ученых практически в одно время. Так, Ч. Дарвин впервые обнародовал свои идеи об эволюции видов в докладе, прочитанном в 1858 г. на заседании Линнеевского общества в Лондоне; на этом же заседании выступил и А.Р. Уоллес с изложением результатов исследований, которые по существу совпадали с дарвиновскими. Специальная теория относительности носит, как известно, имя А. Эйнштейна, который изложил ее принципы в 1905 г. Но в том же 1905 г. к подобным выводам пришел А. Пуанкаре. Совершенно удивительно «переоткрытие» менделевской генетики в 1900 г. одновременно и независимо друг от друга Э. Чермаком, К. Корренсом и X. Де Фризом. В истории естествознания можно найти множество похожих ситуаций. Таким образом, имеется историческая обусловленность фундаментальных открытий, что приводит к почти одновременному их открытию разными учеными.

Иногда фундаментальные открытия самими учеными и их современниками трактуются как решения частных задач и не связываются с фундаментальными проблемами. Например, Н. Коперник создал свою теорию в связи с тем, что в исследованиях были обнаружены несоответствия наблюдений и предсказаний на базе птолемеевской геоцентрической системы, т.е. возник конфликт между новыми данными и старой теорией. Но как показывает более глубокий анализ, Коперник убедился, что два фундаментальных мировоззренческих принципа его времени — принцип движения небесных тел по кругам и принцип простоты природы - явно не реализуются в астрономии. Решение этой фундаментальной проблемы привело его к великому открытию. Поэтому следует признать, что в общем случае фундаментальные открытия всегда связаны с решением фундаментальных проблем, т.е. таких, которые касаются наиболее общих представлений о действительности, ее познании, о системе ценностей, руководящей нашим поведением.

§ 3.3. Этапы становления современного естествознания

Этапы изменения характера науки

Современное естествознание состоит из большого количества дисциплин, причем некоторые естественно-научные дисциплины появились в античности или даже еще раньше (например, астрономия и география), другие возникли в Новое время (классическая механика), а третьи - уже в XIX в. (статистическая физика, электродинамика, физическая химия); наконец, часть дисциплин сформировалась совсем недавно (кибернетика, молекулярная генетика и т.д.). В современной литературе ведется спор о времени возникновения науки [34]. Вероятно, было бы полезно говорить не о том или ином рубеже, на котором возникла «настоящая» наука, а об этапах изменения функций науки в структуре общественной культуры. Можно говорить о пяти основных этапах изменения характера науки.

На первом этапе наука была связана с опытом практической и познавательной деятельности. Возникновение науки, вероятно, следует отнести к каменному веку, т.е. к той эпохе, когда человек в процессе непосредственной жизнедеятельности начинает накапливать и передавать другим знания о мире, и в первую очередь это касается естествознания. Так, один из основателей науковедения, английский физик XX в. Дж. Бернал, опираясь на тезис о том, что естествознание имеет дело с действенными манипуляциями и преобразованиями материи, полагает, что главный поток науки вытекает из практических технических приемов первобытного человека, следовательно, современная сложная цивилизация, основанная на механизации и науке, развилась из ремесел и обычаев наших предков [3]. Кульминационным пунктом этого этапа стала наука Древнего Египта и Вавилона.

Второй этап начался примерно в V в. до н.э. в Древней Греции; в это время мифологическое мышление сменяют первые программы исследования природы и не только появляются образцы исследовательской деятельности, но и осознаются некоторые фундаментальные принципы познания природы. Науку стали понимать как сознательное, целенаправленное исследование природы, осмысливались сами способы обоснования полученного знания, а также принципы познавательной деятельности. Известно, что только в Древней Греции начали доказывать теоремы; Аристотель проанализировал процесс доказательства и создал теорию доказательств - логику. В античное время возникают первые законченные системы теоретического знания (геометрия Евклида), происходит становление натурфилософии, формируются учение о первоначалах, атомистика, развиваются математика и механика, астрономия; в то же время появились описания окружающего мира, систематизирующие природные явления (географические работы Страбона).

Третий этап, ознаменованный развитием схоластики (занятой обсуждением вопроса отношения знания к вере и отношения общего к единичному), длился до второй половины XV в. В это время большое значение придавалось вненаучным видам знания (астрология, алхимия, магия, кабалистика и т.п.). Развивались математика, астрономия и медицина, а центр естественно-научных исследований в начале этого этапа переместился в Азию. Поворот в естествознании в Западной Европе в XII-XIV вв. связан с переосмыслением роли опытного знания. Наука в этом понимании формируется в первую очередь в Англии и связана с работами естествоиспытателей, математиков и одновременно деятелей церкви — епископа Р. Гроссетеста, монаха Р. Бэкона, теолога Т. Брадвардина и др. Эти ученые полагают, что следует опираться на опыт, наблюдение и эксперимент, а не на авторитет предания или философской традиции (безусловно, это и сейчас считается важнейшей чертой научного мышления), шире применять математические методы в естествознании; так, по мнению Бэкона, математика является вратами и ключом к прочим наукам.

Четвертый этап — вторая половина XV—XVIII в. -отмечен возникновением науки в том смысле, что наука — не что иное, как естествознание, умеющее строить математические модели изучаемых явлений, сравнивать их с опытным материалом, проводить рассуждения посредством мысленного эксперимента. Начало этого этапа отмечено созданием гелиоцентрической системы (Н. Коперник) и учением о множественности миров и бесконечности Вселенной (Дж. Бруно). В XVII в. происходит признание социального статуса науки, рождение ее как особого социального института. Это выразилось, в частности, в том, что во второй половине XVII в. возникают Лондонское Королевское общество и Парижская академия наук. В это время появляются работы И. Кеплера, X. Гюйгенса, Г. Галилея, И. Ньютона. С их именами связано рождение основ современной физики и необходимого для нее математического аппарата, формулирование основных идей классической механики (три основных закона движения, закон всемирного тяготения и т.п.), экспериментального естествознания. Кроме того, это эпоха Великих географических открытий (В. да Гама, Ф. Магеллан и др.).

Пятый этап относят к первой половине XIX в., начало которого характеризуется совмещением исследовательской деятельности и высшего образования. Первыми реформаторами стали ученые Германии, прежде всего Берлинского университета. Суть реформ состояла в оформлении науки в особую профессию. Во главе реформ стоял известный исследователь того времени В. Гумбольдт. Наиболее полно идеи реформирования высшего образования в данном направлении были реализованы в лаборатории известного химика Ю. Либиха, который привлекал студентов к исследованиям, имеющим прикладное значение. С середины XIX в. проводятся исследования с целью разработки технологий производства удобрений, ядохимикатов, взрывчатых веществ, электротехнических товаров, затребованных мировым рынком. Процесс превращения науки в профессию завершает ее становление как современной науки. Научная деятельность становится важной, устойчивой социокультурной традицией, закрепленной множеством осознанных норм, а государство берет на себя некоторые обязательства по поддержанию этой профессии. Данный этап можно назвать этапом эволюционных идей в естествознании. В это время появляются космогоническая гипотеза Канта-Лапласа, теория катастроф, теория геологического и биологического эволюционизма, формулировка Периодической системы химических элементов, начала клеточной теории, закон сохранения и превращения энергии.

В конце XIX - начале XX в. разрабатывается классическая электродинамика, обнаруживается и изучается явление радиоактивности, открыты электрон и атомное ядро, формулируются квантовая гипотеза и квантовая теория атома, а также специальная теория относительности, а в первой половине XX в. - общая теория относительности. Важными событиями развития естествознания XX в. являются создание модели расширяющейся Вселенной, квантовой механики, кибернетики, открытие расщепления ядра урана и структуры генетического кода и т.д.

Научные революции Нового и Новейшего времени

В настоящее время популярна идея о том, что в истории науки со времени становления ее как социального института в XVII в. произошли четыре глобальные революции и были соответственно три периода в развитии науки, различающиеся по типам преобладающей рациональности [29, 30].

Первая научная революция произошла в XVII в. и завершилась становлением классического естествознания. С этого времени основное внимание уделялось поиску очевидных, наглядных принципов бытия, на базе которых можно строить теории, объясняющие и предсказывающие опытные факты. В соответствии с распространенной идеей о возможности редукции (сведения) всего знания о природе к фундаментальным принципам и представлениям механики строилась и развивалась механистическая картина природы, которая выступала одновременно и как картина реальности применительно к сфере физического знания, и как общенаучная картина мира. Преобладали представления о познании как наблюдении и экспериментировании с объектами природы, которые раскрывают тайны своего бытия познающему разуму.

Такая система взглядов соединялась с представлениями об изучаемых объектах как о малых системах или механических устройствах, которые характеризовались относительно небольшим количеством элементов, их силовыми взаимодействиями и жестко предопределенными (детерминированными) связями. Их познание связано с предположениями о том, что свойства целого полностью определяются состояниями и свойствами его отдельных частей, вещь можно представлять как относительно устойчивое тело, а процесс - как перемещение тел в пространстве с течением времени. Это обеспечивало успех механики и предопределяло редукцию (сведение) к ее понятиям представлений всех других областей естественно-научного исследования.

Вторая научная революция произошла в конце XVIII -первой половине XIX в. и отмечена переходом к дисциплинарно организованному естествознанию. В это время механистическая картина мира утрачивает статус общенаучной. Формирующиеся в биологии, геологии, географии и других областях естествознания специфические картины реальности несводимы к механической, а отражают идеалы эволюционного объяснения. Физика же продолжает строить свои знания, абстрагируясь от идеи развития, однако разработка теории поля приводит к постепенному размыванию ранее преобладавших норм механического объяснения, хотя познавательные установки классической науки еще сохраняются. Одной из центральных становится проблема соотношения методов науки, синтеза знаний и классификации наук. Поиск путей единства науки, проблема дифференциации и интеграции знания превращаются в фундаментальную проблему.

Итак, первая и вторая глобальные революции в естествознании характеризуются формированием и развитием классической науки и ее стиля мышления.

Третья научная революция была связана со становлением неклассического естествознания в период с конца XIX до середины XX в. В это время в физике открыта делимость атома, происходит становление релятивистской и квантовой теории; в космологии формулируется концепция нестационарной Вселенной; в химии начинается развитие квантовой химии; в биологии происходит становление генетики; возникают кибернетика и теория систем, сыгравшие огромную роль в построении современной научной картины мира.

Идеалы и нормы неклассической науки связаны с пониманием относительной истинности теорий и картины природы, выработанной на том или ином этапе развития естествознания. Вместо представлений о единственно истинной теории допускается истинность некоторого количества отличающихся друг от друга теоретических описаний одной и той же реальности. Образцом служили идеалы и нормы квантово-релятивистской физики, где в качестве необходимого условия объективности объяснения и описания выступала фиксация особенностей средств наблюдения, взаимодействующих с объектом. Новая система познавательных идеалов и норм открывала путь к освоению сложных саморегулирующихся систем с уровневой организацией, наличием относительно независимых и изменчивых подсистем, вероятностным взаимодействием их элементов, существованием управляющего уровня и обратных связей, обеспечивающих целостность системы.

Включение таких систем в процесс научного исследования вызвало трансформации картин мира многих областей естествознания. Создавались предпосылки для построения целостной картины природы, отмеченной иерархической организованностью Вселенной как сложного динамического единства. На этом этапе картины реальности, вырабатываемые в отдельных науках, еще сохраняли свою самостоятельность, но каждая из них участвовала в формировании представлений, которые затем включались в общенаучную картину мира. Последняя рассматривалась не как точный и окончательный портрет природы, а как постоянно уточняемая и развивающаяся система знания о мире.

Четвертая научная революция происходит в современную эпоху, начиная с последней трети XX в. В ходе этой научной революции рождается новая, постнеклассическая наука. Характер научной деятельности меняется в связи с применением научных знаний практически во всех сферах социальной жизни, а также вследствие радикальных изменений в средствах хранения и получения знаний (компьютеризация науки, появление сложных приборных комплексов и т.д.). На передний план науки выдвигаются междисциплинарные и проблемно ориентированные формы исследовательской деятельности. Если классическая наука была ориентирована на постижение все более сужающегося, изолированного фрагмента действительности — предмета конкретной научной дисциплины, то специфику современной науки определяют комплексные исследовательские программы, в которых принимают участие специалисты из различных областей знания. Кроме того, в процессе определения исследовательских приоритетов наряду с собственно познавательными целями все большую роль начинают играть цели экономического и социально-политического характера.

В настоящее время усиливаются процессы взаимодействия частных картин мира, они становятся взаимозависимыми и предстают как фрагменты целостной общенаучной картины мира. На ее развитие оказывают влияние и достижения фундаментальных наук, и результаты междисциплинарных прикладных исследований. В их рамках приходится сталкиваться со сложными системными объектами, которые в отдельных дисциплинах обычно изучаются лишь фрагментарно, поэтому эффекты, обусловленные их системностью, могут быть обнаружены только при синтезе фундаментальных и прикладных задач в проблемно ориентированном поиске.

Объектами современных междисциплинарных исследований все чаще становятся открытые и саморазвивающиеся системы, что начинает определять характер современного, постнеклассического естествознания. Ориентация современного естествознания на исследование сложных, развивающихся систем приводит к трансформации идеалов и норм исследовательской деятельности. Историчность комплексного объекта и изменчивость его поведения предполагают построение возможного поведения системы в точках бифуркации (раздвоения). В естествознание начинает внедряться идеал исторической реконструкции, причем не только в дисциплинах, традиционно изучающих эволюционные объекты (геология, биология, география), но и в современной космологии и астрофизике. Например, современные модели, описывающие развитие такого уникального объекта, как Метагалактика, могут быть расценены как исторические реконструкции, посредством которых воспроизводятся основные этапы его эволюции.

Типы научной рациональности

Три стадии исторического развития естествознания, каждая из которых начинается с глобальной научной революции, можно охарактеризовать с точки зрения научной рациональности [29, 30]: классическая рациональность (соответствующая классической науке в двух ее состояниях - додисциплинарном и дисциплинарно организованном); неклассическая рациональность (соответствующая неклассической науке) и постнеклассическая рациональность. Они взаимно «перекрываются», причем появление каждого нового типа рациональности не отбрасывает предшествующего, а только ограничивает сферу его действия, обусловливая его применимость только к определенным типам проблем и задач.

Классический тип научной рациональности (рис. 3.1, а), концентрируя внимание на объекте, стремится при теоретическом объяснении и описании исключить все, что относится к субъекту, средствам и операциям его деятельности, рассматривая это как необходимое условие получения научного знания.

Неклассический тип научной рациональности (рис. 3.1,5) учитывает связи между знаниями об объекте и характером средств и операций деятельности, причем выявление этих связей рассматривается в качестве условия научного описания и объяснения мира. Связи между внутринаучными и социальными ценностями и целями все еще не служат предметом научного осмысления, хотя опосредованно они определяют характер знаний и то, что именно и каким способом следует выделять и осмысливать в мире.

Постнеклассический тип рациональности (рис. 3.1, в) расширяет поле осмысления деятельности, учитывая соотнесенность получаемых знаний об объекте не только с особенностью средств и операций деятельности, но и с ценностно-целевыми структурами. Причем анализируется связь внутринаучных целей с вненаучными, социальными ценностями и целями.

Каждый новый тип научной рациональности характеризуется особыми, свойственными ему основаниями науки, которые позволяют выделить в мире и исследовать соответствующие типы системных объектов (простые, сложные, саморазвивающиеся системы). При этом возникновение нового типа рациональности и нового образа науки не приводит к исчезновению представлений и методологических установок предшествующего этапа. Между ними существует преемственность. Так, неклассическая наука не уничтожила классическую рациональность, а только ограничила сферу ее действия. При решении ряда задач неклассические представления о мире и познании оказывались избыточными и исследователь мог ориентироваться на традиционно классические образцы (например, при решении некоторых задач небесной механики не привлекают нормы квантово-релятивистского описания). Точно так же становление постнеклассической науки не стало причиной уничтожения всех представлений и познавательных установок неклассического и классического исследований.

§ 3.4. История отраслей естествознания

Относительно истории развития различных отраслей естествознания опубликовано достаточно много работ (некоторые из них были использованы при написании этого параграфа и приведены в списке в конце этой главы). Представим основные этапы развития отраслей естествознания, каждая из которых сложилась как система наук, имеющих свой объект исследований, специфическую методологию и длительную историю становления.

Физика

Физика наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, а также законы ее движения. В развитии физических представлений выделяют несколько периодов.

Период от древнейших времен до начала XVII в. можно считать предысторией физики, когда происходило накопление физических знаний об отдельных явлениях природы, возникали отдельные учения, а представления о природе объяснялись на основе умозрительных философских принципов. В VI-IV вв. до н.э. науку стали отличать от других форм познания, были созданы образцы построения научного знания. Именно тогда Аристотель разработал формальную логику — науку о способах доказательств и опровержений, а также отделил физику (науку о природе) от метафизики (философии), математики и т.д. Важнейшим фрагментом античной научной картины мира стало геоцентрическое учение о мировых сферах (теория движения планет вокруг неподвижной Земли), получившее завершенную форму у К. Птолемея. Заметим, что в античные времена Аристархом Самосским высказывались предположения о том, что не Земля, а Солнце находится в центре Вселенной. Однако его взгляды не были поддержаны учеными того времени и о них надолго забыли. Значимой для последующего развития физики была концепция, выдвинутая в античное время, о дискретности (прерывности) строения материи - атомизм (Демокрит, Левкипп, Лукреций, Эпикур), согласно которой все тела состоят из атомов — мельчайших неделимых частиц.

В VI—XIV вв. продолжается накопление разрозненных физических фактов и появляется ряд общих представлений о природных явлениях. В XV в. Николай Кузанский развивал мысль о том, что движение является основой всего сущего, Вселенная бесконечна и в ней нет неподвижного центра, а Земля и все небесные тела созданы из одной и той же первоматерии. В 1543 г. вышел в свет труд Н. Коперника «О вращении небесных сфер», содержащий изложение гелиоцентрической системы миpа, а в 1584 г. Дж. Бруно публикует диалог «О бесконечности, Вселенной и мирах», где была высказана идея о бесконечности Вселенной и единстве законов природы, о существовании других планетных систем, кроме Солнечной, и т.д.

Период классической физики ( XVII - начало XX в.). Физика как наука берет начало от Г. Галилея, который выдвинул в первой половине XVII в. идею об относительности движения, установил законы инерции и свободного падения и др., активно защищал гелиоцентрическую систему мира. Основным достижением физики XVII в. признано создание классической механики, связанное с формулировкой основных законов этой науки И. Ньютоном в 1687 г. Фундаментальное значение имело введение Ньютоном понятия состояния, которое стало одним из основных для всех физических теорий. Состояния систем тел в механике полностью определяются координатами и импульсами тел системы. Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером, Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения, с помощью которого удалось с достаточной точностью рассчитать движение Луны, планет и комет, объяснить приливы в океане. Им были впервые четко сформулированы классические представления об абсолютном пространстве как вместилище материи, не зависящем от ее свойств и движения, и абсолютном равномерно текущем времени. Ньютон построил механистическую картину природы как завершенную систему механики. Важное достижение этого времени - понимание идентичности физических законов для всей Вселенной.

В 1860-х гг. Дж. Максвеллом формулируется теория электромагнитного поля, дальнейшее развитие которой привело к революционным изменениям в физике. Используя концепцию поля М. Фарадея, Максвелл выводит пространственно-временные законы электромагнитных явлений. Дальнейшее развитие этой теории привело к созданию электродинамической картины миpа. На рубеже XIX и XX вв. происходят революционные открытия и изменения в физике (обнаружение сложного строения атома, явления радиоактивности и т.д.).

Период становления современной физики связывают с началом XX в. Переход от классической физики к современной характеризовался не только возникновением новых идей, открытием новых неожиданных фактов и явлений, но и преобразованием ее духа в целом, возникновением нового способа физического мышления, глубоким изменением методологических принципов физики. Она становится квантовой (М. Планк, Э. Резерфорд, Н. Бор); в 1920-1930-е гг. разработана квантовая механика — последовательная теория движения микрочастиц (Л. де Бройль, Э. Шрёдингер, В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак). Одновременно (в начале XX в.) появилось новое учение о пространстве и времени — теория относительности (А. Эйнштейн), физика становится релятивистской (любая физическая картина мира относительна и связана с определенной системой отсчета).

Во второй половине XX в. происходит преобразование физики, связанное с познанием структуры атомного ядра, свойств элементарных частиц (Э. Ферми, Р. Фейнман, М. Гелл-Манн и др.), конденсированных сред (Дж. Бардин, Л.Д. Ландау, И.Н. Боголюбов и др.). Физика стала источником новых идей, преобразовавших современную технику: ядерная энергетика (Н.В. Курчатов), квантовая электроника (Н.Г. Басов, A.M. Прохоров и Ч. Таунс), микроэлектроника, радиолокация и т.п. возникли и развились благодаря достижениям физики.

Химия

Химия наука, изучающая свойства и превращения веществ, которые сопровождаются изменением их состава и строения.

Донаучный период. Человек использовал химические процессы, в результате которых образуются новые вещества, еще в доисторическую эпоху. Можно сказать, что человек выделился из животного мира тогда, когда провел первую химическую реакцию - зажег огонь, а далее начал применять его для приготовления пищи, в гончарном производстве, для обработки металлов. Другими химическими процессами, используемыми с древности, по-видимому, были брожение и скисание. Древние египтяне получали краски и косметические средства из минеральных веществ, умели добывать железо, выплавлять бронзу, красить ткани, изготовлять стекло и фарфор, имитировать драгоценные камни и золото.

Древнегреческие философы пытались понять и объяснить явления природы. Так, Аристотель выдвинул положение о том, что вещества, соединяясь, теряют свои индивидуальные качества, а новое вещество - это не смесь, а «тело», обладающее новыми, лишь ему присущими качествами.

Приблизительно в 300 г. н.э. египтянин Зосима составил 28-томную энциклопедию, которая охватывала все знания по химии как искусству взаимных превращений веществ, собранные за предшествовавшие 500-600 лет, и пользовалась популярностью вплоть до XVI в. Это положило начало развитию такого явления культуры, как алхимия, теоретической основой которой были взгляды Аристотеля об элементах природы и их взаимном превращении (трансмутации). Осуществляя превращения одних веществ в другие, алхимики не видели препятствий для реализации любых превращений, в том числе одних металлов в другие, в частности в золото. Алхимики выработали экспериментальный метод работы, проверяющий гипотезу. Они построили первые лаборатории - помещения, предназначенные для проведения научных исследований. В поисках «философского камня» алхимики открыли целый ряд веществ: этанол, многие соли, щелочи и, что особенно важно, сильные минеральные кислоты — серную и азотную, резко расширившие возможности химического воздействия на вещество.

Становление собственно химии охватывает три столетия - с XVI по XVIII в. Слепое экспериментирование сменяется изучением законов превращения веществ для практического их использования. Первой из химических отраслей стала ятрохимия, основанная в начале XVI в. швейцарцем Т. Парацельсом. Ятрохимики (в современных терминах) считали, что болезни возникают из-за нарушения течения химических процессов в организме и недостатка (или избытка) в нем тех или иных веществ, и предлагали соответствующие способы лечения. В этот же период развивается техническая химия.

С именем ирландского ученого Р. Бойля связывается полное освобождение химии от алхимии и ятрохимии. Он отбросил частичку «ал» в самом термине, ввел в практику определение химического элемента как составной части вещества, которую нельзя разложить на более простые части; положил начало химическому анализу, химии газов.

На рубеже XVII и XVIII вв. появилась первая общая химическая теория — теория флогистона (от греч. phlogiston -воспламеняемый, горючий), разработанная немецким химиком и врачом Э.Г. Шталем и основанная на том положении, что, чем больше флогистона содержит данное тело, тем более оно способно к горению. Теория Шталя, созданная для объяснения явлений горения, окисления и восстановления металлов, смогла стать основой для объяснения большинства наблюдаемых в то время химических явлений.

В середине XVIII в. теория флогистона стала подвергаться сомнению. М.В. Ломоносов сформулировал закон сохранения массы вещества в химических процессах и доказал его экспериментально. Он также выдвинул идею, согласно которой при нагревании металл соединяется, как он говорил, с частичками воздуха. Французский химик А. Лавуазье, изучая горение и обжиг металлов, выяснил роль кислорода в этих явлениях, разрушив тем самым теорию флогистона. Он также внес ясность в понятия химического элемента, простого и сложного вещества. Независимо от Ломоносова он экспериментально установил закон сохранения массы в химических реакциях и убедил в нем своих современников-химиков .

В конце XVII - середине XIX в. были открыты стехиометрические законы химии о количественных соотношениях между массами веществ, вступающих в химическую реакцию, что придало химии рациональный характер и способствовало подведению экспериментального фундамента под атомно-молекулярную гипотезу, а также позволило сформулировать правила составления химических формул и уравнений. Основными стехиометрическими законами считаются законы Авогадро о пропорциональности между плотностями газов или паров и молекулярными массами, объемных отношений Ж.Л. Гей-Люссака, кратных отношений Дж. Дальтона, эквивалентов И.В. Рихтера и У.Х. Волластона и др. Все эти законы были установлены экспериментально.

Использование количественных измерений, совершенствование химического эксперимента привели к окончательному утверждению атомно-молекулярных представлений о строении вещества. Эти представления утвердились в 1860-х гг., когда A.M. Бутлеров создал теорию строения химических соединений, показав, что не только состав, но и структура определяют свойства веществ, а Д.И. Менделеев открыл периодический закон. С конца XIX - начала XX в. важнейшим направлением химии стало изучение закономерностей химических процессов.

На современном этапе развития химии широко привлекается квантовая (волновая) механика для интерпретации и расчета химических параметров веществ и систем веществ; исследования химических процессов доведены до их перехода в предбиологические и биологические; разрабатывается теория химической эволюции; утверждаются факт отсутствия химических индивидов в чистом виде и необходимость описания веществ как составных частей систем веществ; признается неправомерность игнорирования качественных различий микро- и макроформ вещества, характерного для классического атомно-молекулярного учения. В прикладном отношении химия характеризуется активным использованием химических свойств веществ в практической деятельности людей. Причем химическая промышленность относится к числу отраслей, определяющих технический прогресс.

Геология

Геология — комплекс наук о составе, строении и истории развития земной коры и Земли.

Люди давно научились находить, добывать и использовать камни, глины, пески, руды ряда металлов, многие минералы, подземные воды. Первые сведения об элементах геологического знания относятся к античности. Эмпедокл выдвигает предположение о том, что внутри Земли находится огненно-жидкая масса, которая является причиной вулканических извержений и горячих источников. Аристотель считал, что Земля находится в состоянии непрерывного развития, и придавал большое значение текучим и подземным водам в изменении поверхности Земли; ему принадлежит одна из первых классификаций минералов и горных пород. Теофраст полагал, что найденные на суше гальки и раковины свидетельствуют о том, что ранее в этих местах существовало море. Размышления о внутренних и внешних процессах, происходящих на Земле, можно встретить у Овидия, Геродота, Страбона и т.д.

В V - XVI вв. многие представления античного времени были отвергнуты. Считалось, что Земля создана в ее современном виде Богом, а событием, изменившим ее облик, признавался всемирный потоп. Центр научных исследований переместился на Восток. В X—XI вв. аль-Бируни и Ибн Сина (Авиценна) включали в круг своих научных интересов геологические явления. Особое внимание уделялось минералогии и горному делу. В середине XVI в. немецкий ученый Г. Агрикола обобщил опыт горно-металлургического производства.

В первой-половине XVII в. появляются цельные космогонические гипотезы (Р. Декарт, Г.Ф. Лейбниц), из которых пытались вывести основы геологических знаний (существование горных пород, минералов, слоев, складок, магмы и т.д.). (К числу космогонических разработок, появившихся позже, в XVIII в., относятся гипотезы Ж. Бюффона, И. Канта и П. Лапласа, О.Ю. Шмидта и др.) Земная поверхность, по Декарту, Лейбницу и Н. Стенону, сформировалась в результате обрушения частей земной коры в подземные пустоты; образовавшиеся понижения заливались водой и покрывались осадками. В отличие от них англичанин Р. Гук и итальянец А.Л. Моро полагали, что основная роль в формировании земной поверхности принадлежит внутренним процессам — землетрясениям и вулканическим извержениям. В середине XVII в. норвежский ученый М.П. Эшольт ввел термин «геология». Датчанин Стеной, живший в Италии, сформулировал два принципа, которые и сегодня рассматриваются как основные постулаты: нормальное залегание слоев, возникших в водных бассейнах путем осаждения, создает параллельные горизонтальные границы; слои, находящиеся внизу, возникли раньше верхних слоев. Нарушение нормального залегания вызвано движениями земной коры.

К середине XVIII в. геология сформировалась как специфическая система взглядов, сложился круг геологических задач и оформилась генетическая направленность исследований, связанная с попытками ответить на вопросы, каким образом возник и развивался тот или иной геологический объект, какие причины обусловили геологические явления. М.В. Ломоносов разделяет факторы изменения земной поверхности на внутренние и внешние, а причиной движений земной коры и вулканизма назвал «подземный жар», который вызывает поднятие толщ горных пород. В.М. Севергин составляет обширные сводки по минералогии и полезным ископаемым России. Шотландский ученый Дж. Геттон считал источником «подземного жара» расплавленные в глубоких недрах массы. История Земли, по Геттону, состоит из повторяющихся циклов: длительные эпохи разрушения материков, сопровождавшиеся отложением продуктов этого разрушения на морском дне, сменяются кратковременным поднятием морского дна, а также внедрением и излиянием вулканических пород. Немецкий ученый А.Г. Вернер придавал гораздо большее значение внешним процессам, прежде всего деятельности воды. Все горные породы он рассматривал как водные осадки. Научное направление Вернера называли нептунизмом (по имени римского бога подводного царства Нептуна), направление Геттона - плутонизмом (по имени греческого бога подземного царства Плутона). Заметим, что уже в Древней Греции некоторые философы считали основной стихией воду, а другие - огонь.

В первой половине XIX в. англичанин У. Смит установил, что возраст осадочных горных пород может сопоставляться по заключенным в них остаткам ископаемых организмов. Это привело к спорам о причинах смены фаун и флор в истории Земли. Ж.Б. Ламарк полагал, что от слоя к слою под влиянием изменения внешней среды постепенно вымирают одни организмы и появляются другие. Напротив, Ж. Кювье обращал внимание на резкие изменения фауны и флоры на границах слоев и объяснял их резкими перестройками в устройстве земной поверхности, приводившими к исчезновению одних видов животных и растений и появлению других. Не признавая превращения одних видов в другие, он выдвигал идею о многократном повторении актов творения живых организмов Богом после каждой геологической катастрофы.

В 1830-е гг. шотландский геолог Ч. Лайель применил метод актуализма, выразив его в формуле «Настоящее есть ключ к познанию прошлого». Он считал, что силы, преобразующие лик Земли, на протяжении ее истории были однообразны по характеру и интенсивности. (Это положение получило название униформизма.) Эти силы действуют медленно и непрерывно, а суммирование таких изменений в течение геологического времени приводит к грандиозным преобразованиям Земли.

В конце XIX - начале XX в. геология превращается в комплексную науку, что связано с введением в нее физико-химических и математических методов исследований. Открытие радиоактивности повлекло за собой создание абсолютной геохронологии: радиоактивные изотопы стали использовать для определения возраста Земли и длительности отдельных периодов. В начале XX в. был предложен ряд гипотез о внутренних причинах формирования земной поверхности. Гипотеза дрейфа материков А. Вегенера (мобилизм) утратила свое значение, и в 1930-1950-е гг. доминирующее положение заняли концепции В.В. Белоусова и голландского ученого Р.В. ван Беммелена, которые исходили из примата вертикальных движений.

С середины XX в. на базе достижений геофизики и морской геологии происходит пересмотр взглядов на внутренние причины формирования земной поверхности, что обусловило возрождение мобилизма. Результатом этих открытий стало появление тектоники литосферных плит. Современные методы исследований позволили детально изучить строение земной коры и выявить неоднородность мантии. Новые возможности открыло усовершенствование методов изучения химического состава минералов и горных пород. Изучение поверхности Земли из Космоса выявило крупные глубинные структуры в строении земной коры. Исследование других тел Солнечной системы дает материал для суждения о ранних стадиях эволюции Земли. В геологических науках появляются новые направления исследований, связанные с глобальными проблемами человечества: ресурсопользование, экологическая геология и т.п.

Биология

Биология — система наук о живой природе, которая изучает различные проявления жизни.

Древние цивилизации накопили множество сведений о растениях и животных и одомашнили крупный рогатый скот, овец, свиней, собак и др. Египтяне, вавилоняне, индийцы, китайцы достаточно много знали о растениях и животных и применяли эти знания в медицине и сельском хозяйстве.

Античные врачи и философы предприняли первые систематические попытки познания живой природы. Так, Гиппократ дал описание строения человека и животных, а также указал на роль среды и наследственности в возникновении болезней. Аристотель разделил окружающий мир на четыре царства: неодушевленный мир, мир растений, мир животных и мир человека. Он полагал, что растения и животные, постепенно изменяясь, поднимались вверх по «лестнице природы», побуждаемые внутренним стремлением к более сложной и более совершенной организации. Аристотель выявил основные признаки млекопитающих, дал описание наружных и внутренних органов человека, способов размножения и образа жизни животных и т.д. Теофраст описал 500 видов растений, собрал сведения о строении и размножении многих из них, выявил различия между однодольными и двудольными растениями. Во II в. римский врач Клавдий Гален широко использовал вскрытия млекопитающих для изучения их внутреннего строения. Он дал сравнительно-анатомическое описание человека и обезьяны, сделал ряд важных открытий, касающихся функций головного мозга и нервов.

В средние века накопление биологических знаний диктовалось в основном интересами медицины. Вскрытия человеческого тела были запрещены, преподававшаяся по Галену анатомия была в первую очередь анатомией животных. На Руси сведения о животных и растениях были обобщены в «Поучении Владимира Мономаха» (XI в.). Биологические знания того времени были отражены в энциклопедии XIII в. немецкого философа и теолога Алберта Великого. Великие географические открытия XV - середины XVII в. существенно расширили знания о животных и растениях, накопленный материал требовал осмысления. На рубеже XV-XVI вв. Леонардо да Винчи открыл явление сходства органов, нарисовал многие растения, птиц в полете, описал способ соединения костей в суставах, деятельность сердца и зрительную функцию глаза и т.д. Однако многие его наблюдения стали известны намного позже, когда были расшифрованы записи в его тетрадях. В XVI в. был совершен прорыв в познании анатомии человека. Бельгиец А. Везалий, живший в Италии, начал вскрывать человеческие трупы. Он дал научное описание всех органов и систем человека. В это же время появляются новые работы, посвященные зоологии и ботанике.

В XVII - XVIII вв. в биологию проникают экспериментальные методы. В 1628 г. У. Гарвей на основе количественных измерений и применения законов гидравлики открыл механизм кровообращения. Изобретение микроскопа раздвинуло границы мира живых существ, углубило представление об их строении. Р. Гук обнаружил «клетки» на срезе пробки; А. ван Левенгук начиная с 1673 г. увидел и зарисовал сперматозоиды человека, бактерии, простейших и ядра в клетках крови и т.д. М. Мальпиги увидел капилляры, соединяющие артерии с венами. Одно из главных достижений этой эпохи - создание К. Линнеем в 1735 г. классификации растений и животных. Он вводит четырехчленное таксономическое деление: класс - отряд - род - вид; классифицирует животных на шесть классов (млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, насекомые, черви); человека и человекообразных обезьян относит к приматам. Линней последовательно применил бинарную номенклатуру (с использованием двух наименований -родового и видового), которая позволила дать каждой форме животных и растений определенное научное название.

Вместе с тем в это время преобладали умозрительные теории о развитии и свойствах живых существ (самозарождения и др.). Так, в качестве объяснения процессов развития признанием пользовалась теория преформации, согласно которой яйцо (или сперматозоид) содержит все структуры взрослого организма, а развитие сводится к «развертыванию» уже сформированных зачатков. При этом шел спор о том, находятся ли все части зародыша в яйце, а сперматозоиды просто паразиты, обитающие в семенной жидкости, или же все структуры расположены в сперматозоиде, а яйцо - питательная среда для их развития. Противоположное представление о данной проблеме выдвинул в середине XVIII в. К. Вольф. Исследуя развивающееся куриное яйцо, он пришел к выводу, что оно содержит не реформированного зародыша, а только материал, из которого ему предстоит образоваться. Его концепция получила название эпигенетической.

В XIX в. в результате резко возросшего числа изучаемых биологических объектов (новые методы, экспедиции в разные районы Земли и др.) сформировались многие специальные биологические науки. В первой половине XIX в. K.M. Бэр обратил внимание на то, что на ранних стадиях развития строение зародышей очень сходно у всех представителей любой обширной группы (типа) животных. Позднее Э. Геккель по-новому истолковал закон Бэра и назвал его биогенетическим законом, выразив его сущность словами «онтогенез повторяет филогенез», т.е. организмы в процессе индивидуального развития обнаруживают тенденцию проходить ту же последовательность стадий, которую они прошли в ходе своей эволюции. Другое достижение того времени - формулировка Т. Шванном (1839) основных положений об образовании клеток и клеточном строении всех организмов. Крупнейшим завоеванием XIX в. стало эволюционное учение Ч. Дарвина, изложенное в книге «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859), где он вскрыл механизм эволюционного процесса.

В 1865 г. Г. Мендель обнаружил закономерности наследственности, которые впоследствии вместе с мутационной теорией X. Де Фриза легли в основу генетики.

В XX в. была выяснена роль в эволюции мутационного процесса, колебаний численности и изоляции при направленном действии отбора (1920-1930-е гг.). Это позволило в дальнейшем разработать синтетическую теорию эволюции. Установление структуры ДНК американцем Дж. Уотсоном и англичанином ф. Криком (1953) привело к раскрытию генетического кода, дало резкий толчок развитию молекулярной биологии, а позднее генетической инженерии и биотехнологии. К числу крупнейших достижений первой половины XX в. относят создание биогеохимии и учения о биосфере (В.И. Вернадский), биогеоценологии (В.Н. Сукачев), учения об экосистемах (А. Тенсли). На основе этих учений до настоящего времени разрабатывается стратегия взаимоотношений человечества с природой. В. Шелфорд, Ч. Элтон и др. разработали основы экологии — науки о взаимосвязи между организмами и окружающей средой.

Современной биологии свойственно взаимопроникновение идей и методов различных биологических дисциплин, а также других наук. Возникли новые биологические дисциплины на границах смежных наук, во многом в связи с практическими потребностями (радиобиология, космическая биология, физиология труда, социобиология и др.). Для современной биологии характерны две тенденции. С одной стороны, сформировалось представление о различных уровнях организации живой природы: молекулярном, клеточном, организменном, популяционно-видовом. С другой стороны, стремление к целостному познанию живой природы привело к прогрессу наук, изучающих определенные свойства живой природы на всех структурных уровнях ее организации.

География

География - наука, изучающая поверхность Земли, а также облекающие и подстилающие ее слои вещества, которые в совокупности составляют географическую оболочку. Центральным вопросом географии является выяснение взаимоотношений в системе природа — общество.

Зачатки географического знания встречаются у первобытных людей, когда возникают примитивные способы активного приспособления к среде обитания. Требовалось умение находить места, богатые дичью, ягодами и т.д. Значение таких умений возросло после того, как люди занялись скотоводством и земледелием. Возникла необходимость поиска удобных пастбищ и мест, где можно устроить поле. Несколько позднее (в Древнем Вавилоне, Египте и Китае) стимулом накопления географических знаний стали торговля и военные походы. Необходимо было описание новых земель и выяснение сухопутных и морских путей сообщения.

Древние греки и римляне ( VI в. до н.э. - IV в. н.э.) во время морских и сухопутных путешествий описывали все, что встречали в пути: население, животных, растения, реки. Завоевание соседних территорий, организация колоний, установление торговых отношений расширяли границы известного мира. Появляются собственно географические идеи: Фалес размышлял о кругообороте воды на Земле; Анаксимен считал, что состояние воздуха определяет погоду; Аристотель выделил как единое целое атмосферу, включив в нее гидросферу, в пределах которой происходит круговорот воды. Парменид и Пифагор высказали идею о шарообразности Земли, Аристотель привел доказательства этого (круглая тень на Луне во время затмения, расширение горизонта при подъеме на гору и др.), а Эратосфен достаточно точно определил размеры Земли. Он же составил карту Земли, нанеся на нее параллели и меридианы, выделил территории с разной продолжительностью дня и т.д. На то, что некоторые участки суши были когда-то морским дном, указывал Страбон и другие мыслители античности. Большое количество сведений об Индии, Сахаре собрал и систематизировал Геродот. В это время появляются представления о тепловых поясах Земли.

В средние века многие достижения античности были отвергнуты. Достижения географии в V—XV вв. сводятся к территориальным открытиям. Заметную роль в развитии географии Средневековья сыграли арабы, которые торговали со странами Средиземноморья, Востока и Северной Африки. Ибн Хордабех, Ибн Сина (Авиценна), аль-Бируни и другие арабские ученые сохранили для потомков многие идеи античного мира и внесли большой вклад в страноведческие исследования. Среди путешественников Средневековья следует назвать Марко Поло, который собрал данные о географическом положении отдельных территорий, особенно о восточном побережье Азии. В ΧΠ-XV вв. русскими землепроходцами осваивались Европейский Север и Северо-Западная Сибирь. В хрониках и летописях приводятся сведения о землетрясениях, ливнях и крупном граде, бурях, половодьях и т.д.

Интервал с середины XV по середину XVII в. - эпоха Великих географических открытий: открыта Америка (X. Колумб, А. Веспуччи и др.), путь в Индию вокруг Африки (В. да Гама), совершено первое кругосветное путешествие (Ф. Магеллан), положено начало систематическим открытиям в Сибири (Ермак). Значение Великих географических открытий в истории человечества огромно. Они ознаменовали новую эру в исследовании Земли, дали толчок к развитию многих областей естествознания, способствовали интенсификации мировой торговли. Кругосветные путешествия позволили доказать опытным путем шарообразность Земли и представить соотношение суши и Мирового океана. На основе этих открытий были составлены достаточно подробные карты и атласы (Г. Меркатор, А. Ортелий и др.). В России написана «Книга большому чертежу» — описание крупнейшей (несохранившейся) карты России XVII в. С XVII в. русские землепроходцы продвигаются на восток (Е.П. Хабаров, С.И. Дежнёв, В. Беринг и др.); составлена «Чертежная книга Сибири» (С.У. Ремезов).

В XVIII XIX вв. в Европе и России работали крупные географы. Многое для развития отечественной географии XVIII в. сделали В.Н. Татищев и М.В. Ломоносов. Последний рассмотрел происхождение черноземов, выделил горообразовательные и медленные колебания суши и морского дна, способствовал развитию метеорологии. В конце XVIII в. проведено Генеральное межевание России, описаны все земли, принадлежащие различным землевладельцам; был обобщен огромный фактический материал. Великий философ И. Кант читал курс физической географии в Кенигсбергском университете. Немецкий ученый А. Гумбольдт разработал сравнительно-географический метод; исследовал закономерности зональности в распределении растительности, температур, влажности воздуха и т.д. Немецкий географ К. Риттер предложил метод сравнительного землеведения, объяснял пространственные взаимоотношения между географическими объектами, количественно оценивал географическое положение, конфигурацию стран и областей Земли и т.д. Француз Э. Реклю, подчеркивая взаимосвязь географии и истории, охарактеризовал все страны мира.

В первой половине XIX в. произошло открытие Антарктиды (Ф.Ф. Беллинсгаузен и М.П. Лазарев); в Европе образовано несколько географических обществ, в том числе Русское географическое общество; в европейских университетах стали организовываться кафедры географии. Во второй половине XIX в. проведены исследования по выявлению рельефа дна Мирового океана (Ч. Томсон, Д. Меррей); H.H. Миклухо-Маклай изучал коренное население Юго-Восточной Азии, Австралии и Океании. В Военной академии Генерального штаба начинают читать военную географию. Выпускниками этой академии были Н.М. Пржевальский и A.A. Тилло. В 1864 г. выходит книга Дж.П. Марша «Человек и природа», которая считается первой специальной работой, посвященной проблемам охраны окружающей среды. Большое влияние на развитие географии оказали эволюционные взгляды. Важным событием стала публикация идей американского ученого В.М. Дэвиса (1890), который сформулировал теорию географических циклов развития рельефа суши как смену стадий юности, зрелости и старости. В конце XIX в. Д.Н. Анучин сформировал отечественную научную школу в Московском университете. Основным объектом географии он считал поверхность Земли в ее развитии, а главной ее задачей - изучение пространственных отношений. В Петербургском университете в это время работают В:В. Докучаев и А.И. Воейков. Докучаев создал генетическое почвоведение; показал, что почвы являются результатом взаимодействия различных факторов (почва — «зеркало ландшафта»); разработал учение о зонах природы как об универсальном законе. Воейков считается основателем отечественной метеорологии.

В первой половине XX в. происходит усиление интереса к изучению природных ресурсов; начинаются широкомасштабные исследования Арктики. Большое значение для географии имели исследования Н.И. Вавилова, которому удалось организовать ботанико-агрономические экспедиции в Средиземноморье, Северную Африку, Северную и Южную Америку; установить древние очаги формообразования культурных растений и т.д. В середине XX в. была обнаружена система срединно-океанических хребтов протяженностью свыше 60 000 км и глубоководных желобов (Б. Хейзен, Г. Менард, Д.Л. Безруков и др.).

Для современной географии характерны: комплексное изучение природных территориальных комплексов; усиление позиций количественного подхода; развитие эволюционно-хронологического направления исследований; детальный анализ процессов в географической оболочке; использование системного подхода и модельных представлений, а также дистанционных методов исследований (получение информации с помощью сенсоров, установленных на самолетах, космических аппаратов и т.д.); развитие геоинформационных технологий; геоэкологическая направленность исследований.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Охарактеризуйте презентистскую и антикваристскую традиции изучения истории науки. Следует ли использовать обе эти традиции? Объясните, почему не следует (или следует) это делать.

2. Какие модели развития науки вы знаете? Перечислите их и кратко охарактеризуйте.

3. В чем заключается основная идея кумулятивной модели развития науки? Что такое закон трех стадий О. Конта? Какое значение этот закон сыграл в становлении кумулятивной модели развития науки?

4. Каково основное содержание концепции развития науки Т. Куна? Что такое парадигма, нормальная наука, научная революция?

5. Как представляется развитие науки по И. Лакатосу? Что такое научно-исследовательская программа, жесткое ядро программы, негативная и позитивная эвристика?

6. Что такое «кейс стадис»? Как организовано исследование исторических событий в рамках этой модели?

7. Какое значение имеют традиции и новации в развитии науки? Что такое явные и неявные традиции? Чем отличается незнание от неведения?

8. Когда и почему возникла наука? Как изменялись ее функции? Перечислите основные этапы изменения этих функций.

9. Какие научные революции Нового и новейшего времени выделяет B.C. Степин? Как менялись типы научной рациональности в связи с этим?

10.Каковы основные этапы развития физики (химии, геологии, биологии, географии)?

11. Найдите общие черты и отличия развития различных отраслей
естествознания. С чем, по вашему мнению, связаны эти различия
и сходства?

ЛИТЕРАТУРА

1. Азимов А. Краткая история биологии. М., 1967.

2. Белоусов В.В. Очерки истории геологии (геология до конца XVIII века). М, 1993.

3. Бернал Дж. Наука в истории общества. М., 1956.

4. Блок М. Апология истории. М., 1986.

5. Вернадский В.И. Избранные труды по истории науки. Μ., 198Ί.

6. Голубчик М.М., Евдокимов С.П., Максимов Г.Н. История географии. Смоленск, 1998.

7. Грегори К. География и географы. М., 1988.

8. Дитмар А.Б. География в античное время. М., 1980.

9. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики. М., 1974-1979. Т. 1—2.

10.Исаченко А.Г. Развитие географических идей. М., 1979.

11.История биологии с древнейших времен до начала XX в. М., 1972.

12.История биологии с начала XX века до наших дней. М., 1975.

13.Косарева Л.М. Рождение науки Нового времени из духа культуры. М., 1997.

14.Краткая географическая энциклопедия /Под ред. А.А.Григорьева: В 5 т. М., 1960—1966.

15.Кудрявцев П.С. История физики. М., 1948-1971. Т. 1—3.

16.Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. М., 1996.

17.Кун Т. Структура научных революций. М., 1975.

18.Лакатос И. Методология научных исследовательских программ //Вопросы философии. 1995. № 4.

19.Лункевич В.В. От Гераклита до Дарвина. Очерки по истории биологии. 2-е изд. М., 1960. Т. 1—2.

20.Магидович И.П. Очерки по истории географических открытий. М., 1967.

21.Никулинский С.Р. Очерки развития историко-научной мысли. М., 1988.

22.Мир географии: География и географы. М., 1984.

23.Мукитанов Н.К. От Страбона до наших дней. М., 1985.

24.Найдыш В.М. Научная революция и биологическое познание: философско-методологический анализ. М., 1987.

25.Поликарпов B.C. История науки и техники. Ростов н/Д, 1999.

26.Поппер К. Логика и рост научного знания. М., 1983

27.Резанов H.A. История взаимодействия наук о Земле. М., 1998.

28.Соловьев Ю.И. История химии. М-, 1976.

29.Степин B.C. Философия науки. М., 2003.

30.Степин B.C., Горохов В.Г., Розов М.А. Философия науки и техники. М., 1996.

31.Структура и развитие науки. М., 1978.

32.Фигурновский H.A. История химии. М., 1979.

33.Физический энциклопедический словарь. М., 1960-1966. Т. 1—5.

34.Философия и методология науки /Под ред. В.И. Купцова. М., 1996.

35.Фонта Я., Новы Л. История естествознания в датах. М., 1987.

36.Фролов И.Т. Философия и история генетики. М., 1988.

37.Хаин В.Е., Рябухин А.Г. История и методология геологических наук. М., 1997.

38.Храмов Ю.А. Физики: Биографический справочник. М., 1983.

39.Хэллем Э. Великие геологические споры. М., 1985.

Глава 4

СИСТЕМНОСТЬ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

§ 4.1. Системный подход

Системность и уровни системности труда

Особенностью современного естествознания является осознанное внедрение идей системности во все его отрасли. Системность реализуется в рамках системного подхода, т.е. исследований, в основе которых лежит изучение объектов как сложных систем. Разработкой системных идей занимается системный анализ (специальная синтетическая наука, в центре которой находится изучение сложных систем). Особый вклад системного анализа, а более широко и системного подхода, в решение различных проблем обусловлен тем, что он позволяет, во - пеpвых, выявить те факторы и взаимосвязи, которые могут оказаться весьма существенными; во-вторых, видоизменять методику наблюдений и эксперимент таким образом, чтобы включить эти факторы в рассмотрение; в-третьих, осветить слабые места гипотез и допущений. Системный анализ с его акцентом на проверку гипотез посредством экспериментов и строгих выборочных процедур - мощный инструмент гибкого, но строгого исследования сложных явлений.

Вероятно, мышление и процесс познания всегда были системными, хотя и неосознанно. Представления о системности отражены в привычных для нас оборотах речи: «Солнечная система», «нервная система», «система уравнений», «общественно-политическая система», «система взглядов и убеждений», «отопительная система». Важной предпосылкой перехода на уровень осознанной системности и разработки системного подхода послужило появление новых задач в естествознании, связанных с изучением организации и функционирования сложных объектов, а также оперированием системами, границы и состав которых не столь очевидны.

В настоящее время общепризнано, что системные представления полезны и важны в решении проблем в различных сферах деятельности. Однако часто исследователи, назвав объект системой и декларируя использование системного подхода, строят свое изучение на обычной, традиционной для конкретной области основе. Исследование будет осознано системным при выполнении требований системной методологии, вырабатываемой в рамках системного подхода.

Для того чтобы осознать необходимость системности во всех отраслях человеческой деятельности, обратимся к практической деятельности человека, рассмотрев последовательное формирование трех уровней системности труда: механизацию, автоматизацию и кибернетизацию. Каждый из этих уровней, надстраиваясь на предыдущем, включает его в себя и не отменяет его полностью [22].

Механизация - простейший способ повышения эффективности труда. С помощью механизмов и машин один человек выполняет физическую работу, посильную многим людям. Механизация, позволяя решать многие проблемы, однако, имеет естественный предел - работой механизмов управляет человек, а его возможности ограничены физиологически: лопату нельзя делать слишком широкой; машина не должна иметь слишком много индикаторов и рычагов управления и т.д.

Решение проблемы состоит в том, чтобы исключить участие человека из конкретного производственного процесса, т.е. возложить на машины выполнение не только самого процесса, но операций по его регулированию. Автоматизация — способ повышения производительности труда с помощью автоматов, т.е. технических устройств, реализующих указанные две функции. В жизнь вошли торговые и игровые автоматы, автоматическая телефонная связь, в промышленности функционируют автоматические линии, цеха и заводы, развивается промышленная и транспортная робототехника. Большие возможности представляют перестраиваемые, многофункциональные автоматы, управляемые компьютерами.

Однако автоматизировать можно только те работы, которые хорошо изучены, подробно и полно описаны, о которых точно известно, что, в каком порядке и как надо делать в каждом случае, точно известны все возможные случаи и обстоятельства, в которых может оказаться автомат. Автомат реализует определенный алгоритм, который в какой-то своей части может быть неправилен или неточен либо не предусматривает всех возможных ситуаций; в этих случаях автомат не соответствует целям его создания.

Такие проблемы возникают в процессе руководства человеческими коллективами, при проектировании, эксплуатации и управлении крупными техническими комплексами, при вмешательстве (например, медицинском) в жизнедеятельность человеческого организма, при воздействии человека на природу, т.е. в тех случаях, когда приходится сталкиваться с неформализуемостью процессов, происходящих в системе, и непредвиденностью некоторых внешних условий.

Кибернетизация — совокупность способов решения возникающих при этом проблем - третий уровень системности практической деятельности человека. Кибернетика первой стала претендовать на научное решение проблем управления сложными системами. Поэтому, когда автоматизация (т.е. формальная алгоритмизация) невозможна, следует использовать человеческий интеллект, т.е. способность ориентироваться в незнакомых условиях и находить решение слабо формализованных задач. При этом человек выполняет операции, которые не поддаются формализации: экспертная оценка или сравнение неколичественных вариантов, взятие на себя ответственности и т.д. На таком принципе строятся автоматизированные (в отличие от автоматических) системы управления, в которых формализованные операции выполняют автоматы и компьютеры, а неформализованные операции - человек. Дальнейший путь кибернетизации обычно связывают с попытками хотя бы частично смоделировать интеллектуальные возможности человека.

Свойства и классификация систем

Центральное место в системном подходе занимает понятие «система». Поэтому разные авторы, анализируя это понятие, дают определения системы с различной степенью формализации, подчеркивая разные ее стороны [29]. Мы определим систему как совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом и образующих некую целостность.

Системам независимо от их природы присущ ряд свойств [30]:

целостность — принципиальная несводимость свойств составляющих ее элементов и невыводимость из последних свойств целого, а также зависимость каждого элемента, свойства и отношения системы от его места внутри целого, функции и т.д. Например, ни одна деталь часов отдельно не может показать время, это способна сделать лишь система взаимодействующих элементов. Появление у системы специфических свойств, не присущих ни одному элементу, называется эмерджентностью;

структурность - возможность описания системы через установление ее структуры или, проще говоря, сети связей и отношений системы. Структурность также подразумевает обусловленность свойств и поведения системы не столько свойствами и поведением ее отдельных элементов, сколько свойствами ее структуры. Простейший пример: разные свойства алмаза и графита определяются различной структурой при одинаковом химическом составе;

взаимозависимость системы и среды, выражающаяся в том, что система формируется и проявляет свои свойства в процессе взаимодействия со средой, являясь при этом ведущим активным компонентом взаимодействия. Действительно, сложно что-либо сказать о некоторой системе, если она себя никак не проявляет;

иерархичность систем, т.е. каждый компонент системы в свою очередь может рассматриваться как система, а исследуемая в конкретном случае система представляет собой один из компонентов более широкой системы. Например, живая клетка многоклеточного организма является, с одной стороны, частью более общей системы - многоклеточного организма, а с другой - сама имеет сложное строение и, безусловно, должна быть признана сложной системой;

множественность описания системы, т.е. в силу принципиальной сложности каждой системы ее познание требует построения множества различных моделей, каждая из которых описывает лишь определенный аспект системы. Например, любое животное имеет части тела, которые могут рассматриваться как его элементы; это животное можно рассмотреть как совокупность скелета, нервной, кровеносной, мышечной и других систем; наконец, его можно проанализировать как совокупность химических элементов.

Известно большое количество классификаций систем [22, 30]. Так, системы можно разделить на материальные и абстрактные. Материальные системы представляют собой целостные совокупности материальных объектов и в свою очередь делятся на системы неорганической природы (физические, химические, геологические и др.) и на живые (начиная с простейших биологических систем через организмы, виды, экосистемы к социальным системам). Абстрактные системы являются продуктом человеческого мышления. Это разного рода понятия, гипотезы, теории, концепции и т.д. По другому основанию можно разделить системы на статические, состояние которых в течение времени не меняется (например, газ в герметичной емкости и находящийся в равновесии), и динамические, состояние которых изменяется (земная кора, организм, биогеоценоз и т.д.). Еще одна классификация делит системы на детерминированные, в которых значение переменных системы в некоторый момент времени позволяет установить состояние системы в любой другой момент, и вероятностные (стохастические), в которых с определенной вероятностью можно предсказать направление изменения переменных. Классификация по характеру взаимоотношения системы и ее среды делит системы на закрытые, которые не ведут обмена со своей средой веществом и энергией; полуоткрытые, обменивающиеся только энергией, и открытые, которые обмениваются и энергией, и веществом.

Эволюция системных представлений

Многие исследователи полагают, что системность всегда, осознанно или неосознанно, была методом любой науки [22, 30]. Считается, что первые представления о системах возникли в античности. В трудах Евклида, Платона, Аристотеля, стоиков разрабатывались идеи системности знания, аксиоматического построения логики, геометрии. Представления системности бытия развивались в концепциях Б. Спинозы и Г.В. Лейбница, в научной систематике XVII—XVIII вв., стремившейся показать естественно-научную системность мира; примером такой систематики может служить классификация растений и животных К. Линнея. Принципы системной природы знания разрабатывались в немецкой классической философии. Так, согласно И. Канту, научное знание есть система, в которой целое главенствует над частями, Ф.В. Шеллинг и Г.В.Ф. Гегель трактовали системность познания как важнейшее требование диалектического мышления.

Первым в явной форме вопрос о научном подходе к управлению сложными системами поставил в 1834—1843 гг. М.А. Ампер, который выделил специальную науку об управлении государством и назвал ее кибернетикой. Почти в то же время польский философ Б. Трентовский начал читать курс лекций, изложенный им в книге «Отношение философии к кибернетике как искусству управления народом». Трентовский ставил целью построение научных основ практической деятельности руководителя («кибернета»). Он подчеркивал, что управление будет действительно эффективным, если учитывает все важнейшие внешние и внутренние факторы, влияющие на объект управления. Главная сложность в управлении, по Трентовскому, связана с неопределенностью поведения людей. Он указывал, что общество, коллектив и сам человек - это система, единство противоречий, разрешение которых и есть развитие. Поэтому «кибернет» должен уметь, исходя из общего блага, одни противоречия примирять, другие - обострять, направляя развитие событий к нужной цели.

Общество середины XIX в. оказалось не готовым воспринять идеи кибернетики. Лишь в конце XIX в. системная проблематика снова появилась в поле зрения науки. На этот раз внимание было сосредоточено на вопросах структуры и организации систем. В 1890 г. Е.С. Федоров опубликовал свои выводы о том, что может существовать только 230 разных типов кристаллической решетки, хотя любое вещество при определенных условиях может кристаллизоваться. Безусловно, это открытие касалось прежде всего минералогии и кристаллографии, но его более общий смысл и значение отметил еще Федоров. Важно было осознать, что все невообразимое разнообразие природных тел реализуется из ограниченного и небольшого количества исходных форм. Это верно и для лингвистических устных и письменных построений, архитектурных конструкций, строения вещества на атомном уровне, музыкальных произведений, других систем. Развивая системные представления, Федоров выявил и некоторые закономерности развития систем, в частности он установил, что главным средством жизнеспособности и прогресса систем является не их приспособленность, а способность к приспособлению («жизненная подвижность»), не стройность, а способность к повышению стройности.

Следующий шаг в изучении системности как самостоятельного предмета связан с именем A.A. Богданова, в 1913—1917 гг. опубликовавшего свою книгу «Всеобщая организационная наука (тектология)», где он высказал идею о том, что все существующие объекты и процессы имеют определенный уровень организованности [5]. В отличие от естественных наук, изучающих специфические особенности организации конкретных явлений, тектология должна изучать общие закономерности организации для всех уровней организованности, рассматривая все явления как непрерывные процессы организации и дезорганизации, исследовать закономерности развития организации, соотношения устойчивого и изменчивого, значение обратных связей и собственных целей организации (которые могут как содействовать целям высшего уровня организации, так и противоречить им), роль открытых систем. Богданов отмечал, что уровень организации системы тем выше, чем сильнее свойства целого отличаются от простой суммы свойств его частей, и подчеркивал роль моделирования и математики как потенциальных методов решения задач тектологии. Он довел построения тектологии до рассмотрения проблемы кризисов, т.е. таких моментов в истории системы, когда неизбежна скачкообразная перестройка ее структуры.

Тот факт, что тектологией заинтересовались лишь в середине XX в., объясняется во многом сложностью судьбы Богданова. Будучи по образованию медиком, он всерьез заинтересовался философией и создал собственную философскую концепцию -эмпириомонизм. В.И. Ленин в своей книге «Материализм и эмпириокритицизм» подверг его жесткой критике, после чего Богданов отошел от философии. В 1926 г. он создал первый в мире Институт переливания крови и стал его директором. Там он начал проверять некоторые выводы тектологии на примере кровеносной системы. Рискованные опыты по переливанию крови он проводил на себе, а один из опытов в 1928 г. закончился его гибелью.

Массовое усвоение системных понятий, осознание системности мира, общества и человеческой деятельности началось в 1948 г., когда американский математик Н. Винер опубликовал книгу «Кибернетика» [9]. Первоначально он определил кибернетику как «науку об управлении и связи в животных и машинах». Однако уже в следующей своей книге Винер анализирует с позиций кибернетики процессы, происходящие в обществе. Научное сообщество отреагировало на появление кибернетики неоднозначно, полагая, что одна дисциплина не может рассматривать одновременно технические, биологические, экономические и социальные объекты и процессы. Первый международный конгресс по кибернетике (Париж, 1956) принял предложение считать кибернетику не наукой, а «искусством эффективного действия». В нашей стране кибернетика была встречена особенно настороженно и даже враждебно. Однако по мере ее развития стало ясно, что кибернетика - это самостоятельная наука со своим предметом изучения и своими методами исследования. Так, по А.И. Бергу, кибернетика - это наука об оптимальном управлении сложными динамическими системами; по А.Н. Колмогорову, кибернетика - это наука о системах, воспринимающих, хранящих, перерабатывающих и использующих информацию. Эти определения признаны достаточно общими и полными.

Уже из самих определений ясно, что предметом кибернетики является исследование сложных систем. Более того, хотя при изучении системы требуется учет ее конкретных свойств, для кибернетики в принципе несущественно, какова природа этой системы, т.е. является ли она физической, биологической, экономической, организационной или даже воображаемой. В поле зрения кибернетики попадают объекты любой природы, как только выясняется, что это сложные системы. То, что методы кибернетики могут применяться при исследовании объектов, традиционно изучаемых другими науками, можно трактовать как рассмотрение этих объектов с другой точки зрения. Более того, при этом происходит взаимное обогащение: кибернетика получает возможность развивать и совершенствовать свои модели и методы, а кибернетический подход к системе определенной природы позволяет прояснить некоторые проблемы данной науки, выдвинуть перед ней новые проблемы, а главное — содействовать повышению ее системности.

С кибернетикой Винера связаны такие достижения в развитии системных представлений, как типизация моделей систем, выявление особого значения обратных связей в системе и принципа оптимальности в управлении и синтезе систем, осознание информации как всеобщего свойства материи и возможности ее количественного описания, развитие методологии моделирования вообще и в особенности идеи математического эксперимента с помощью компьютера.

Параллельно и в определенной степени независимо от кибернетики развивается еще один подход к науке о системах - общая теория систем. В естествознании осознанная системность часто развивается именно на основе этого подхода. Идея построения теории, которая может быть использована в изучении систем любой природы, была выдвинута австрийским биологом Л. фон Берталанфи, опубликовавшим свои соображения в книге «Общая теория систем» в 1968 г. Один из путей реализации этой идеи он видел в том, чтобы отыскивать структурное сходство законов, установленных в различных дисциплинах, и, обобщая их, выводить общесистемные закономерности [4].

Важным достижением Берталанфи является введение понятия открытой системы. В отличие от винеровского подхода, где изучаются внутрисистемные обратные связи, а функционирование систем рассматривается как отклик на внешние воздействия, Берталанфи указал на особое значение обмена системы веществом, энергией и информацией (негэнтропией) с окружающей средой. В открытой системе устанавливается динамическое равновесие, которое может быть направлено в сторону усложнения организации (вопреки второму закону термодинамики, благодаря вводу негэнтропии извне), и функционирование является не просто откликом на изменение внешних условий, а сохранением старого или установлением нового подвижного внутреннего равновесия системы. Берталанфи и его последователи пытались придать общей теории систем формальный характер, но замысел построить общую теорию систем как новую логико-математическую дисциплину до сих пор не реализован полностью. Большую ценность общей теории систем имеет не столько ее математическое оформление, сколько разработка целей и задач системных исследований, развитие методологии анализа систем, установление общесистемных закономерностей.

Прогресс в области системности в исследовании систем связан с бельгийской школой во главе с И. Пригожиным. Развивая термодинамику неравновесных физических систем, он понял, что обнаруженные им закономерности характерны для систем любой природы [23]. Наряду с переоткрытием уже известных положений (иерархичность уровней организации систем; несводимость друг к другу и невыводимость друг из друга закономерностей разных уровней организации; наличие наряду с детерминированными случайных процессов на каждом Уровне организации и др.) Пригожий предложил новую теорию системодинамики. Согласно его взглядам, материя не является пассивной субстанцией, ей присуща спонтанная активность, вызванная неустойчивостью неравновесных состояний, в которые рано или поздно приходит любая система в результате взаимодействия с окружающей средой. Важно, что в такие переломные моменты (особые точки, или точки бифуркации) принципиально невозможно предсказать, станет ли система менее организованной или более организованной (диссипативной, в терминологии Пригожина). После опубликования в 1978 г. (на русском - в 1980 г.) работы Г. Хакена «Синергетика» направление, занимающееся изучением сложных саморазвивающихся систем, стало называться синергетикой [31]. По Хакену, в рамках синергетики анализируется совместное действие отдельных частей неупорядоченной системы, результатом которого является самоорганизация системы.

Таким образом, наращивание системности знаний - постоянный процесс, происходящий во всех областях человеческой деятельности. Осознанное использование системного подхода к изучению различных объектов и явлений, в том числе природных, в настоящее время развивается в рамках трех основных направлений — кибернетики, общей теории систем и синергетики. Попытки объединить все эти направления предпринимаются системным анализом. Обращаем внимание на специально ста ученых, стоявших в основании осознанной системности: Б. Трентовский - философ, Е.С. Федоров - геолог, A.A. Богданов — медик, H. Винер — математик, Л. фон Берталанфи - биолог, И. Пригожин — физик; уже это говорит о всеобщности проблем системности.

§ 4.2. Модели и моделирование систем

Понятие модели и моделирования

Одна из характерных особенностей современного естествознания — его модельный характер, т.е. все объекты, явления и процессы описываются с помощью моделей. В определенном смысле расширение границ естествознания можно представить как построение более подходящих и совершенных моделей природы. Модельный характер естествознания связан и с тем, что значимость того или иного факта можно определить, лишь опираясь на какую-либо модель.

Понятие модели стало пониматься широко лишь в XX в. Вначале модель стала осознаваться как нечто универсальное в научных дисциплинах информационного, кибернетического, системного направлений, а позднее эта идея распространилась на всю науку. При этом понятие абстрактной модели не сводится к математическим моделям, а относится к любым знаниям и представлениям о мире [18, 20, 22, 30, 33].

Под моделью будем понимать вещественный или мысленно представляемый аналог определенного оригинала, подобный ему в существенных для конкретного исследования чертах. По сути модель является неким «заместителем» оригинала в познании и практике. Основные функции моделей - фиксация знаний и получение информации. Они служат для хранения и расширения знания или, как иногда говорят, информации об оригинале, конструирования оригинала, преобразования и управления им.

Моделированием называется исследование каких-либо явлений, процессов или систем путем построения и изучения их моделей, а также использование моделей для определения или уточнения характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых объектов.

Моделирование - одна из основных категорий теории познания. На идее моделирования по существу базируется любой метод научного исследования.

Моделирование является важным этапом целенаправленной деятельности, так как она ориентирована на реализацию образа желаемого будущего, т.е. модели состояния. Например, земледелец возделывает почву для того, чтобы произвести продукты питания; студент учится для того, чтобы приобрести профессию; ученые изучают природу для того, чтобы получить знания об окружающем мире. Любая деятельность осуществляется по определенному плану (алгоритму), который является образом будущей деятельности, т.е. ее моделью. При этом приходится оценивать текущий результат предыдущих действий и выбирать следующий шаг из многих возможных, в связи с чем необходимо сравнивать последствия всех возможных шагов, не выполняя их реально, другими словами, изучать их на модели. Кроме того, сама модель является целевым отображением, причем не самого по себе объекта-оригинала, а того, что в нем нас интересует, т.е. то, что соответствует поставленной цели. Поскольку модель - это целевое отображение, можно говорить о множественности моделей одного и того же объекта: для разных целей, как правило, требуются разные модели.

Классификация моделей

В зависимости от направленности моделирования (теоретическая или практическая) модели можно разделить на познавательные и прагматические [22]. Познавательные модели являются формой организации и представления знаний, средством соединения новых знаний с имеющимися. Поэтому при обнаружении расхождения между моделью и реальностью встает задача устранения этого расхождения путем изменения модели, так как познавательная деятельность ориентирована в основном на приближение модели к реальности, которую модель отображает. Примером здесь могут служить все усложняющиеся модели пространства и времени в естествознании.

Прагматические модели являются средством управления и средством организации практических действий, способом представления образцовых действий или их результата. При их использовании в случае обнаружения расхождений между моделью и реальностью усилия направляют на изменение реальности так, чтобы приблизить реальность к модели. Прагматические модели носят нормативный характер, выполняя функцию стандарта, образца, под которые «подгоняются» деятельность и ее результаты. Прагматические модели - это планы, алгоритмы и программы действий (например, по преобразованию ландшафта какой-либо территории) и т.д. Следовательно, познавательные модели стремятся отражать существующее, а прагматические - желаемое.

Модели также можно разделить на статические - модели конкретного состояния интересующего нас объекта - и динамические — когда возникает необходимость в отображении процесса изменений состояния. Например, в одних случаях нужны модели некоторого ландшафта в некоторый момент времени, а в других - модель сезонной смены его состояний; можно описать структуру кристалла алмаза, а можно рассмотреть процесс его формирования; можно характеризовать анатомию человеческого организма или построить модель его функционирования или развития.

Наибольшее распространение получила классификация моделей на абстрактные (мысленные, идеальные) и материальные (реальные, вещественные) в зависимости от способа их воплощения или реализации или на основании использования того или иного способа передачи информации, поскольку в распоряжении человека, создающего модель, имеются средства самого сознания и средства окружающего материального мира [30, 33].

Абстрактные, модели — идеальные конструкции, построенные средствами мышления, сознания. Для человеческого мозга важную роль играют неязыковые формы мышления: эмоции, бессознательное, интуиция, озарение, образное мышление, подсознание и т.п. К абстрактным моделям относятся лингвистические конструкции - продукт мышления, готовый или почти готовый для передачи другим носителям языка. Естественные языки являются универсальным средством построения абстрактных моделей, поскольку на них можно говорить практически обо всем, и, кроме того, языковые модели обладают неоднозначностью. Многозначность слов (например, «мало», «много», «несколько») наряду с многовариантностью их возможных соединений во фразы позволяет отобразить любую ситуацию с достаточной для обычных практических целей точностью. Для ситуаций, когда приблизительность естественного языка становится недостатком, вырабатывается специфический язык. Например, у северных народов имеется несколько десятков разных слов, обозначающих снег в различных состояниях; языковые модели различных естественно-научных отраслей более точны и содержат больше информации, чем естественные языки. Новые знания аккумулируются в новых моделях, и если старых языковых средств для их построения не хватает, то возникают еще более специализированные языки. Одним из специальных и достаточно универсальных языков науки является математика.

В общем случае мысленные модели, используемые в естествознании, можно разделить на образные, образно-знаковые и знаковые модели. К образным моделям относятся неформализованные мысленные представления, гипотетические построения, разного рода мод ели-аналогии и прочие модельные представления; например, утверждая, что Земля похожа на шар, мы выстраиваем образную модель; в более сложном виде — это словесное описание некоторой гипотезы, теории, концепции или парадигмы. Образно-знаковые модели - разного рода схемы, графы, чертежи, графики - широко распространены в естествознании; так, в науках о Земле и астрономии большое значение имеет такой вид образно-знаковых моделей, как карты. Знаковыми моделями называют определенным образом интерпретированные системы. Наиболее важны в этой группе математические модели.

Материальные (реальные, вещественные) модели - некоторая материальная конструкция. Чтобы она могла быть отображением, т.е. замещала в каком-то отношении оригинал, между оригиналом и моделью должно быть установлено отношение схожести, подобия. В рамках материальных моделей по характеру подобия выделяют модели, построенные на принципе прямого и косвенного подобия; иногда выделяют модели условного подобия.

К построенным на основе прямого подобия относят пространственно и физически подобные модели. Пространственно подобные модели геометрически подобны оригиналу. Языком пространственно подобных моделей передаются наиболее общие черты формы объекта и соотношения определенных его частей. Например, фотографии, макет рельефа местности, масштабированные модели самолетов или гидротехнических сооружений, макеты зданий, шаблоны и т.п. Физически подобные модели обладают механическим, динамическим, кинематическим и другими видами подобия с оригиналом. Эти модели широко применяются во многих отраслях естествознания. Так, с их помощью изучают на небольших лабораторных установках деформации, происходящие в земной коре, формирование долин крупных рек, влияние еще не построенных гидроэлектростанций на окружающую среду и т.д.

Прямое подобие (геометрически и физически подобные модели) связано с проблемой переноса результатов моделирования на оригинал. Например, при изучении поведения русла реки на уменьшенной модели часть условий эксперимента можно привести в соответствие с натурой, изменяя масштабы модели (скорость течения, глубина потока, морфология русла), а часть условий (вязкость и плотность воды, сила тяготения, определяющие свойства волн, и т.д.) не может быть масштабирована. Задачами пересчета данных модельного эксперимента на реальные условия занимается теория подобия, которая позволяет перейти с использованием коэффициентов подобия от оригинала к модели и наоборот.

Косвенное подобие между оригиналом и моделью — аналогия — проявляется в совпадении или достаточной близости их абстрактных моделей и используется в практике реального моделирования. Наиболее известна электромеханическая аналогия, основанная на том, что некоторые закономерности электрических и механических процессов описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями, различающимися лишь физической интерпретацией переменных, входящих в эти уравнения. Поэтому можно не только заменить неудобное и громоздкое экспериментирование с механической конструкцией на простые опыты с электрической схемой, перепробовать множество вариантов, не переделывая конструкцию, но и проверить на модели варианты, в механике пока не осуществимые (например, с произвольным и непрерывным изменением масс, длин и т.д.). Роль моделей, обладающих косвенным подобием оригиналу, очень велика. Например, часы являются аналогом времени; подопытные животные у медиков - аналоги человеческого организма; автопилот — аналог летчика; электрический ток в подходящих цепях может моделировать течение воды в водоносном горизонте или в русле реки, а также транспортные потоки, перенос информации в сетях связи и т.д.

Модели условного подобия основаны на том, что подобие оригиналу устанавливается в результате соглашения. К ним причисляют различные географические карты и планы (модели местности), рабочие чертежи (модели будущей продукции), разнообразные сигналы (модели сообщений), деньги (модель стоимости), удостоверения личности (официальная модель владельца) и т.д. Данные модели являются вещественной формой, в которой абстрактные модели могут передаваться от одного человека к другому, храниться до момента их использования на основе соглашения о том, какое именно состояние реального объекта ставится в соответствие конкретной абстрактной модели. Обычно эти соглашения формулируются в виде совокупности правил построения моделей условного подобия и правил пользования ими. (Заметим, что выше эти модели мы определяли как мысленные образно-знаковые. Это подчеркивает условность рассматриваемой классификации, а также широту охвата и многоплановость модельных представлений.)

Особенности моделей

Для того чтобы модель отвечала своему назначению, необходимо существование условий, обеспечивающих ее функционирование. Так, географическую карту можно понять, только зная значения тех условных обозначений, которые на нее нанесены; древнеегипетская клинопись не могла быть прочитана, пока не был найден камень, на котором текст был изображен и на забытом древнеегипетском языке, и на древнегреческом. Следовательно, для реализации своих модельных функций модель должна быть согласована со средой, в которой ей предстоит функционировать.

Главными различиями между моделью и действительностью являются конечность, упрощенность и приближенность модели [22]. Так, реальный мир бесконечен в своих проявлениях и связях. Однако бесконечный мир необходимо познавать конечными средствами, имеющимися в распоряжении человека. Это возможно именно в результате построения моделей. Так, А. Розенблют и Н. Винер отмечали, что частные модели являются единственным средством, выработанным наукой для понимания мира. Конечность мысленных моделей выражается в том, что они наделяются строго фиксированным количеством свойств. В вещественных моделях из множества свойств объекта-модели выбираются и используются лишь некоторые свойства, подобные свойствам объекта-оригинала.

Конечность моделей делает неизбежными их упрощенность и приближенность. Как правило, для достижения цели оказывается вполне достаточным неполное, упрощенное отображение действительности. Степень упрощения зависит от целей моделирования. Упрощение является важным средством для выявления главных эффектов в исследуемом явлении. Это видно на примере таких моделей, как идеальный газ, непоглощающее зеркало, абсолютно черное тело, математический маятник и т.д. Уровень упрощения обусловливается также возможностью оперирования с моделями. Так, одно дело проводить моделирование с использованием логарифмической линейки, а другое — с помощью компьютера. Более того, давно замечено, что из двух моделей, с одинаковой точностью описывающих некоторое явление, более простая будет и более успешной. Например, геоцентрическая модель Птолемея позволяла с достаточной точностью рассчитать движения планет, предсказать затмения Солнца, но требовала расчетов по очень громоздким формулам с переплетением многочисленных «циклов». На смену геоцентрической системе пришла более простая и изящная гелиоцентрическая система Н. Коперника.

Приближенность моделей в отображении действительности также является неотъемлемым свойством модели. Так, абсолютно точной картой страны будет только сама эта страна, а абсолютно точной моделью атома может быть сам атом. Приемлемое различие определяется целью моделирования. Так, точность наручных часов обычно достаточна для повседневных целей и недостаточна для многих других целей, в том числе научных.

Модель, с помощью которой достигается поставленная цель, должна быть адекватна этой цели, т.е. требования полноты, точности и истинности должны выполняться не вообще, а лишь в той мере, которая достаточна для достижения цели. Например, геоцентрическая модель Птолемея была адекватной в смысле точности описания движения планет и не лишена истинности: относительно Земли Солнце и планеты действительно движутся; шаман, объясняющий свое успешное врачевание силами духов, предлагает адекватную, но ложную модель. В ряде случаев удается ввести меру адекватности модели, т.е. указать способ сравнения моделей по степени успешности достижения цели с их помощью. В таких случаях говорят об идентификации модели (о нахождении в заданном классе моделей наиболее адекватной), об исследовании чувствительности и устойчивости моделей (о зависимости меры адекватности модели от ее точности), об адаптации моделей (подстройке параметров модели с целью повышения адекватности) и т.п.

Заметим, что об истинности, правильности или ложности модели самой по себе говорить бессмысленно. Степень истинности выявляется лишь в практическом соотнесении модели с отображаемой ею натурой, причем изменение условий, в которых ведется сравнение, весьма значимо влияет на его результат и может привести к существованию двух противоречивых, но одинаково истинных моделей одного объекта. Примером этого могут являться волновая и корпускулярная модели света или электрона; эти модели различны, противоположны и истинны, но каждая в своих условиях.

Любая модель явно или неявно содержит условия своей истинности, и одна из опасностей практики моделирования состоит в применении модели без проверки выполнения этих условий. Например, при обработке экспериментальных данных часто употребляют статистические процедуры, не проверяя условий их применимости (скажем, нормальности или независимости). Когда это делается вынужденно (не всякое условие возможно проверить), к полученным результатам должно быть осторожное, условное отношение. Такие ситуации выдвинули перед исследователями проблему создания моделей, применимость которых сохраняется в некотором диапазоне условий.

Основные типы моделей систем

При изучении систем используют модели «черного», «белого» и «серого» ящика. Систему представляют как «черный ящик», если неизвестно внутреннее строение самой системы; ее поведение и функционирование изучается по входному и выходному сигналам. При изучении системы как «белого ящика», наоборот, известны все элементы и их взаимосвязи. Систему рассматривают как «серый ящик», когда что-то из внутреннего строения объекта известно, а что-то остается неизвестным, например модель состава системы с неизвестной структурой или, наоборот, модель структуры с неизвестным составом.

В рамках модели «черного ящика» внутреннее устройство системы изображают в виде непрозрачного ящика, выделенного из окружающей среды (рис. 4.1). Эта модель отражает два важных свойства системы — целостность и обособленность от среды [22]. Система не является полностью изолированной от среды, она связана со средой и с помощью этих связей взаимодействует с ней (входы и выходы системы). В модели «черного ящика» отсутствуют сведения о внутреннем содержании системы, а задаются, фиксируются и перечисляются только входные и выходные связи системы со средой. В одних случаях достаточно содержательного словесного описания входов и выходов; тогда модель «черного ящика» является просто их списком. В других случаях требуется количественное описание некоторых или всех входов и выходов с заданием двух множеств Х и У входных и выходных переменных.

Модель «черного ящика» в ряде случаев является единственно применимой при изучении систем. Например, при исследовании психики человека или влияния лекарства на живой организм ученый лишен возможности вмешательства в систему иначе, как только через ее входы, и делает выводы лишь на основании наблюдения за ее выходами. Часто приходится ограничиваться моделью «черного ящика» в связи с отсутствием данных о внутреннем устройстве системы. Например, мы не знаем, как «устроен» электрон, но знаем, как он взаимодействует с электрическими и магнитными полями, с гравитационным полем. Это и есть описание электрона на уровне модели «черного ящика».

Для решения вопросов, касающихся внутреннего устройства системы, недостаточно только модели «черного ящика» — необходимы более развитые модели. Например, любая система внутренне неоднородна, что позволяет различать составные части самой системы, причем некоторые части системы в свою очередь могут быть разбиты на составные части и т.д. Части системы, которые рассматриваются как неделимые, называют элементами, а части системы, состоящие более чем из одного элемента, — подсистемами. В результате получается модель состава системы, которая описывает, из каких подсистем и элементов состоит система (рис. 4.2) [22].

Для того чтобы составить представление о свойствах изучаемого объекта, часто бывает необходимо выявить определенные связи (отношения) между элементами. Совокупность связей элементов друг с другом, обеспечивающих целостность системы, называют ее структурой. Модель структуры в простейшем виде представляет собой список существенных для решения конкретной задачи отношений. Так, при расчете механизма не учитываются силы взаимного притяжения его деталей, хотя, согласно закону всемирного тяготения, такие силы объективно существуют; в то же время вес деталей (т.е. сила их притяжения к Земле) учитывается обязательно.

Поскольку все структурные схемы имеют много общего, возможно абстрагирование от их содержательной стороны и соответственно построение схем, в которых обозначены только элементы и связи между ними, а также (в случае необходимости) разница между элементами и между связями. Такая схема называется графом.




Граф (рис. 4.3) состоит из обозначений элементов произвольной природы - вершин и обозначений связей между ними - ребер (дуг). Если необходимо отразить несимметричность некоторых связей, линию, изображающую ребро, снабжают стрелкой. Если направления связей не обозначаются, граф называют неориентированным, при наличии стрелок - ориентированным (полностью или частично). Любая пара вершин может быть соединена с любым количеством ребер; вершина может быть соединена сама с собой (тогда ребро называют петлей). Если в графе требуется отразить другие различия между элементами или связями, то либо приписывают разным ребрам различные веса (взвешенные графы), либо раскрашивают вершины или ребра (раскрашенные графы) [2, 21].

Графы могут изображать любые структуры, в том числе в различных областях естествознания. Так, при анализе природных систем часто используют линейные, древовидные (иерархические), матричные и сетевые структуры (рис. 4.4).

Например, в виде древовидного графа можно изобразить речной бассейн и изучать соотношение притоков и главного русла.

Если соединить модели «черного ящика», состава и структуры, то образуется модель, которую часто называют «белый (прозрачный) ящик» (рис. 4.5). В «белом ящике» указываются все элементы системы, все связи между элементами внутри системы и связи определенных элементов с окружающей средой (входы и выходы системы). Такие модели часто называют структурными схемами системы [22].

Если при исследовании системы не учитываются ее изменения во времени, то модель называется статической. Чтобы понять и описать, как система работает (функционирует) и что происходит с ней самой и с окружающей средой в ходе ее развития, нужны такие модели, которые отражают поведение систем, описывают происходящие с течением времени изменения, последовательность этапов, операций, действий, причинно-следственные связи. Модели, отображающие изменения в системах в течение времени, называются динамическими.

Разработано большое количество динамических моделей, описывающих процессы с различной степенью детальности: от самого общего понятия динамики, движения вообще, до формальных математических моделей конкретных процессов типа уравнений движения в механике или волновых уравнений в теории поля.

Обычно говорят о двух типах динамики системы: функционировании, т.е. устойчивой последовательности постоянно действующих процессов в системах, обеспечивающей сохранение того или иного характерного для значительного отрезка времени состояния этой системы, и развитии — необратимом, направленном, закономерном изменении системы, которое может привести к смене структуры системы. Типы динамических моделей такие же, как и статических, но элементы этих моделей имеют временной характер. Так, динамический вариант «черного ящика» содержит указания о начальном («вход») и конечном («выход») состояниях системы; модели состава соответствует перечень этапов в некоторой упорядоченной последовательности действий; динамический вариант «белого ящика» - подробное описание происходящего или планируемого процесса.

§ 4.3. Системные исследования

Информационные аспекты изучения систем

Информация — специфическая форма взаимодействия между объектами любой физической природы или, точнее, такой аспект взаимодействия, который несет сведения о взаимодействующих объектах. В сущности информация - мера организованности системы в противоположность понятию энтропии как меры неорганизованности [6, 7, 22, 24, 32].

Представление об энтропии как мере неорганизованности было введено Р. Клаузиусом в связи с изучением термодинамических явлений. Л. Больцман дал статистическую интерпретацию энтропии, позволившую рассматривать энтропию как меру вероятности пребывания системы в конкретном состоянии. Больцман показал, что природные процессы стремятся перевести термодинамическую систему из состояний менее вероятных в состояния более вероятные, т.е. привести систему в равновесное состояние, для которого значения энтропии (неупорядоченности) максимальны. После построения в середине XX в. К.Э. Шенноном теории информации оказалось, что формула Больцмана для термодинамической энтропии и формула Шеннона для информационной энтропии тождественны [32]. Таким образом, понятие энтропии приобрело более универсальный смысл в изучении систем различного происхождения.

Изучение потоков информации в системах имеет очень большое значение. Так, если вещественные и энергетические потоки обеспечивают целостность системы и возможность ее существования, то потоки информации, переносимые сигналами, организуют все ее функционирование, управляют ею. Поэтому при изучении любого объекта как системы не следует ограничиваться рассмотрением и описанием вещественной и энергетической его сторон, необходимо проводить исследование информационных аспектов системы (сигналов, информационных потоков, организации, управления и т.д.).

Информационный анализ систем использует представление о сигналах - носителях информации, средстве перенесения информации в пространстве и времени. В качестве сигналов выступают состояния некоторых объектов: чтобы два объекта содержали информацию друг о друге, необходимо соответствие между их состояниями; тогда по состоянию одного объекта можно судить о состоянии другого. Соответствие между состояниями двух объектов устанавливается либо в результате непосредственного взаимодействия, либо с помощью взаимодействия с промежуточными объектами. Например, от преподавателя до ушей студентов звук переносят колебания воздуха.

Не всякое состояние имеет сигнальные свойства, поскольку объект взаимодействует не только с тем объектом, информацию о котором требуется получить, но и с другими объектами, в результате чего соответствие состояний ослабевает. Условия, обеспечивающие установление и способствующие сохранению сигнального соответствия состояний, называют кодом, а посторонние воздействия, нарушающие это соответствие, - помехами или шумами. Нарушение соответствия состояний возможно не только вследствие помех, но и из-за рассогласования кодов взаимодействующих объектов. При этом предполагается, что в природных системах согласование кодов происходит в самой структуре систем путем естественного отбора различных вариантов.

Сигналы делятся на два типа:

1) статические сигналы, являющиеся стабильными состояниями физических объектов (например, книга, фотография, магнитофонная запись, состояние памяти компьютера, положение триангуляционной вышки и т.д.);

2) динамические сигналы, в качестве которых могут выступать динамические состояния силовых полей. Изменение состояния таких полей приводит к распространению возмущения, конфигурация которого во время распространения обладает определенной устойчивостью, что обеспечивает сохранение сигнальных свойств. Примерами таких сигналов могут служить звуки (изменение состояния поля сил упругости в газе, жидкости или твердом теле), световые и радиосигналы (изменения состояния электромагнитного поля). Так как сигналы - это состояния физических объектов, можно математически описать данное явление. Например, можно зафиксировать звуковые колебания, соответствующие конкретному сигналу, в виде зависимости давления х от времени t и изобразить этот сигнал функцией х (t). Так же функцией можно изобразить и статический сигнал, например запись звука на магнитной ленте, поставив в соответствие параметру t протяженность (длину) записи. Однако между просто состоянием объекта и сигналом имеется существенное различие: единственная функция x(t) не исчерпывает всех важных свойств сигналов. Дело в том, что понятие функции предполагает, что нам известно значение х (либо правило его вычисления) для каждого интервала времени. Но если это известно получателю сигнала, то отпадает необходимость в его передаче, так как функция x ( t ) может быть и без этого воспроизведена на приемном конце. Следовательно, функция приобретает сигнальные свойства только тогда, когда она является одной из возможных функций. Моделью сигнала может быть набор (ансамбль) функций параметра t, причем до передачи сигнала неизвестно, какая из них будет отправлена. Каждая такая конкретная функция называется реализацией. Если ввести вероятностную меру на множество реализации, то получается математическая модель, называемая случайным процессом.

Специфическим для теории информации является понятие неопределенности случайного объекта, для которой и была введена количественная мера — энтропия. Пусть, например, некоторое событие может произойти с вероятностью 0,99 (99%) и не произойти с вероятностью 0,01 (1%), а другое событие имеет вероятности соответственно 0,5 (50%) и 0,5 (50%). В первом случае результатом опыта «почти наверняка» является наступление события, а во втором неопределенность исхода так велика, что от прогноза разумнее воздержаться.

В качестве меры неопределенности случайного объекта А с конечным множеством возможных состояний А1 ,..., А n соответствующими вероятностями р1, ..., р n принимают величину

которую называют энтропией случайного объекта А (или распределения вероятностей { pi }) и используют в качестве меры неопределенности. Обобщение этой меры на непрерывные случайные величины выглядит следующим образом:

Функция h ( X ) получила название дифференциальной энтропии и является аналогом энтропии дискретной (прерывной) величины.

Это позволяет интерпретировать процесс получения информации как изменение неопределенности в результате приема сигнала. Тогда количество информации можно представить как меру снятой неопределенности: числовое значение количества информации о некотором объекте равно разности априорной и апостериорной энтропии этого объекта, иначе говоря, как меру уменьшения неопределенности в результате получения сигнала. При этом в результате обработки уже полученных данных содержащееся в них количество информации не может быть увеличено. Следовательно, обработка делается лишь для представления информации в более удобном, компактном виде и в лучшем случае без потери полезной информации.

Информация и энтропия - безразмерные величины. За единицу энтропии принимают неопределенность случайного объекта, такого, что

т.е. энтропия (неупорядоченность) равна единице (достигает максимального значения) при данном т, когда все исходы равновероятны, и равна нулю в том случае, когда одна из pi равна единице, а остальные равны нулю, т.е. когда исход опыта достоверен. Следует конкретизировать число т состояний объекта и основание логарифма. Наименьшее число возможных состояний, при котором объект остается случайным, равняется 2 = 2). Если в качестве основания логарифма также взять число 2, то единицей неопределенности служит энтропия объекта с двумя равновероятными состояниями — бит. Например, количество информации 1 бит дает бросание монеты. Для непрерывных величин обычно употребляется другая единица (нит), которая получается при использовании натурального логарифма.

При обмене информацией между системами возникают специфические эффекты, полезные для анализа систем. Например, избыточность - явление не всегда отрицательное. При искажениях, выпадениях и вставках символов именно избыточность позволяет обнаружить и исправить ошибки.

Важным понятием информационного характера является скорость передачи информации - количество информации, передаваемое в единицу времени. В дискретном случае единицей времени удобно считать время передачи одного символа. Для непрерывных каналов единицей времени может служить либо обычная единица (например, секунда), либо интервал между отсчетами. Для более наглядного представления об этой величине укажем, что темп обычной речи человека соответствует скорости примерно 20 бит/с, муравьи обмениваются информацией (путем касания усиками) со скоростью около 0,1 бит/с. Скорость передачи информации по каналу связи зависит от многих факторов (энергия сигнала, количество символов в алфавите, избыточность, способ кодирования и декодирования и т.д.) и не превышает некоторого предела, называемого пропускной способностью канала. Например, пропускные способности зрительного, слухового и тактильного (осязательного) каналов связи человека составляют приблизительно 50 бит/с (заметим, что распространено мнение о сильном отличии зрительного канала). Если включить в канал и «исполнительные» органы человека (например, предложить ему нажимать педаль или кнопку в темпе получения сигналов), то пропускная способность снизится до 10 бит/с.

Теория информации имеет большое значение для системного подхода. Ее конкретные методы и результаты позволяют проводить количественные исследования информационных потоков в изучаемой системе. Однако более важным является эвристическое значение основных понятий теории информации - неопределенности, энтропии, количества информации, избыточности, пропускной способности и др.

Этапы системного исследования

Любое системное исследование имеет определенную структуру и проводится по определенному алгоритму. Так, для целей экологии Дж. Джефферс рекомендует алгоритм, показанный на рис. 4.6 и включающий следующие этапы системного анализа: выбор проблемы, постановку задачи и ограничение степени ее сложности, установление иерархии целей и задач, выбор путей решения, моделирование, оценку возможных стратегий и, наконец, внедрение результатов [10]. Ф.И. Перегудов и Ф.П. Тарасенко предлагают другой алгоритм постановки задач системного исследования, изображенный на рис. 4.7, где помимо опорной последовательности действий (утолщенные сплошные линии) предусматривается возможность возврата к уже выполненным действиям в случае необходимости (штриховые линии) [22].

Однако системный анализ, а тем более системный подход не предполагает строго определенного набора рецептов. Поэтому, говоря о некоторых этапах и направлении системной деятельности, следует рассматривать их только как руководство к действию. При решении конкретных задач часть этапов может быть исключена или изменен порядок их следования. Иногда приходится повторять эти этапы в различном порядке. Например, если необходимо уточнить роль исключенных на первых этапах из рассмотрения факторов, требуется пройти несколько раз этапы моделирования и оценки возможных стратегий; для проверки адекватности целевой структуры исследования придется время от времени возвращаться к одному из ранних этапов даже после выполнения значительной части работы на более поздних этапах анализа и т.д.

Рассмотрим специфику системного исследования в естествознании на примере алгоритма Дж. Джефферса (см. рис. 4.6) [10].

1. Выбор проблемы. Выбор некой проблемы, которую можно исследовать только с помощью системного анализа, не всегда оказывается тривиальным шагом, но всегда столь же важен, как и правильный выбор метода исследования. Ведь можно взяться за решение проблемы, не поддающейся системному анализу, либо выбрать проблему, которая не требует для своего решения всей мощи системного анализа и изучать которую данным методом неэкономично.

2. Постановка задачи и ограничение степени ее сложности. Этот этап связан с упрощением задачи в той мере, чтобы она могла иметь аналитическое решение и в то же время сохранить все те элементы, которые делают проблему интересной для изучения. Успех или неудача исследования во многом зависит от умения выбрать равновесие между упрощением и усложнением, при котором сохранены все связи с исходной проблемой, достаточные для того, чтобы аналитическое решение поддавалось интерпретации. Может оказаться, что проект не осуществлен из-за того, что принятый уровень сложности затруднил последующее моделирование, не позволил получить решение или, напротив, в результате системного исследования получено тривиальное решение задачи, не требующее применения системного анализа.

-

3. Установление иерархии целей и задач. Обычно цели и задачи исследования образуют иерархию, причем основные задачи последовательно подразделяются на ряд второстепенных. В такой иерархии следует определить приоритеты различных этапов и соотнести их с теми усилиями, которые необходимо приложить для достижения поставленных целей. Так, в прикладном исследовании можно присвоить сравнительно малый приоритет тем целям и задачам, которые, хотя и важны с точки зрения получения научной информации, довольно слабо влияют на вид воздействий на систему и управление ею. Однако, когда данная задача составляет часть программы какого-то фундаментального исследования, исследователь заведомо ограничен в выборе форм управления и концентрирует усилия на решении задач, которые непосредственно связаны с конкретными процессами. В любом случае условием успешного применения системного анализа является четкое определение приоритетов различных задач.

4. Выбор путей решения задачи. В общем случае следует искать наиболее общее аналитическое решение, что позволит максимально использовать результаты исследования аналогичных задач. Обычно любую задачу можно решать более чем одним способом и применять решение, подобное известному, следует при допущениях, справедливых для данного конкретного случая. Поэтому полезно разрабатывать несколько альтернативных решений и выбрать то из них, которое лучше подходит для данной задачи.

5. Моделирование. Приступая к этапу моделирования, необходимо помнить, что моделируемым процессам, а также механизмам обратной связи присуща внутренняя неопределенность, а это может значительно усложнить как понимание системы, так и ее управляемость. Кроме того, в самом процессе моделирования при выработке решения о подходящей стратегии нужно учитывать ряд правил.

Процесс моделирования структурирован, т.е. состоит из последовательности этапов. Этапы различаются качественно, конкретными целями и средствами и должны выполняться в определенной очередности. Например, при имитационном моделировании выделяют: формирование целей моделирования - построение абстрактной модели - создание имитационной реальной модели — ее исследование - обработку и интерпретацию результатов.

Однако на практике чаще всего не удается строго выдержать рекомендуемую последовательность действий. Более того, очевидно, что нельзя выработать какой-то единый, пригодный для всех случаев алгоритм моделирования, поскольку в процессе создания моделей кроме осознанных формализованных, технических и научных приемов значительное место занимает творческое, интуитивное начало.

6. Оценка возможных стратегий. На этапе оценки потенциальных стратегий, полученных на модели, исследуется чувствительность результатов к допущениям, сделанным при построении модели, поскольку правомерность этих допущений можно проверить лишь в процессе использования модели. Если окажется, что основные допущения некорректны, возможно, придется вернуться к этапу моделирования, но часто удается улучшить модель, незначительно модифицировав исходный вариант. Обычно также исследуют чувствительность модели к тем аспектам проблемы, которые были исключены из формального анализа на этапе, когда ставилась задача и ограничивалась степень ее сложности.

7. Внедрение результатов. Если исследование проводилось по описанной выше схеме, то шаги, которые необходимо предпринять для внедрения результатов, достаточно очевидны. Заметим, что на последнем этапе может выявиться неполнота исследования на тех или иных этапах и необходимость их пересмотра, т.е. понадобится повторить какие-то этапы.

В заключение еще раз заметим, что возможности системного подхода огромны, но предлагаемые для исследования естественно-научные проблемы не всегда требуют использования арсенала системного подхода. Этот подход не отменяет и не заменяет классические исторически сложившиеся методы изучения природы - он его дополняет и обогащает, определяя специфику современного естествознания.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что такое системность и системный подход? Какие проблемы позволяет эффективно решать системный подход? Какие уровни системности труда вы знаете?

2. Дайте определение системы. Какие основные свойства систем вы знаете? Кратко поясните эти свойства.

3. Какие классификации систем вы знаете? Укажите основания этих классификаций.

4. Когда зародились и как развивались системные представления? Специалисты каких областей знаний являлись инициаторами внедрения системности в научное знание?

5. Какие три основных направления сложились в изучении системности? Кратко охарактеризуйте специфику каждого направления.

6. Что такое модель и моделирование? Дайте определения и рассмотрите значение модельных представлений в современном естествознании.

7. На каком основании и как подразделяются модели природных явлений? Приведите примеры моделей разных типов и дайте обоснование необходимости их использования в естествознании.

8. Какие особенности моделей вы знаете? Поясните сущность конечности, упрощенности и приближенности моделей. В чем заключается требование к полноте, точности и истинности моделей?

9. Какие типы моделей систем выделяют? Что такое модели «черного», «серого» и «белого» ящика? Охарактеризуйте их и поясните, зачем они нужны.

10. Какое значение имеет информация в системных исследованиях? Дайте определение информации.

11.Что такое энтропия в теории информации? Какое значение она имеет для передачи информации?

12.Какие этапы системного исследования можно выделить? Охарактеризуйте каждый этап.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аверьянов А.Н. Системное познание мира. М, 1985.

2. Белов В.В., Воробьев Е.М., Шаталов В. E . Теория графов. М., 1976.

3. Березина Л.Ю. Графы и их применение. М., 1979.

4. Берталанфи Л. фон. История и статус общей теории систем // Системные исследования: Ежегодник. М., 1973.

5.Богданов A.A. Всеобщая организационная наука (тектология): В 3 т. М., 1905—1924.

6.Бриллюэн Л. Наука и теория информации. М., 1960.

7.Бриллюэн Л. Научная неопределенность и информация. М., 1970.

8.Винер Н. Кибернетика и общество. М., 1958.

9.Винер Н. Кибернетика. М., 1968.

10. Джефферс Дж. Введение в системный анализ: применение в экологии. М., 1981.

11.Ефимов А.Н. Информационный взрыв: проблемы реальные и мнимые. М., 1985.

12.КалманР., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. М., 1971.

13.Кемени Дж., Снелл Дж. Кибернетическое моделирование. Некоторые приложения. М., 1972.

14.Модели в географии /Под ред. Р. Дж. Чорли, П. Хаггета. М., 1971.

15.Моисеев H.H. Люди и кибернетика. М., 1984.

16.Мороз А.И. Курс теории систем. М., 1987.

17.Налимов В.В. Вероятностная модель языка. М., 1979.

18.Неуймин Я.Г. Моделирование в науке и технике. М., 1984.

19.Нечипоренко В.И. Структурный анализ систем. М., 1977.

20.Новик И.Б. О моделировании сложных систем. М., 1968.

21.Оре О. Теория графов. М., 1968.

22.Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. М., 1989.

23.Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.

24.Работы по теории информации и кибернетике. М., 1963.

25.Растригин Л.А. Кибернетика и познание. Рига, 1978.

26.Садовский В.Н. Основания общей теории систем. М., 1974.

27.Седов Л.И. Теория подобия и размерности в механике. М., 1954.

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

29. Уемов А.И. Системный подход и общая теория систем. М., 1978.

30.Философский энциклопедический словарь. М., 1983.

31.Хакен Г. Синергетика. М., 1980.

32.Шеннон К.Э. Имитационное моделирование систем - искусство и наука. М., 1978.

33.Штофф В.А. Моделирование и философия. М.; Л., 1966.

34.Эксперимент. Модель. Теория. М.; Берлин, 1982.

Глава 5

ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ

§ 5.1. Пространство и время в естествознании

Эволюция взглядов на пространство и время

Пространство и время - фундаментальные категории современного естествознания. Физические, биологические, географические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с пространственно-временными характеристиками объектов. Ученые ведут дискуссии о сущности пространства и времени, об их основных свойствах. Проблемы пространства и времени во многом решаются в рамках господствующей в данную эпоху парадигмы. Картинам мира разных исторических эпох с присущими им культурами соответствовали свои пространственно-временные представления. Более того, выбор самих моделей пространства и времени зависит от конкретных целей и масштабов, в которых существует изучаемое явление или объект.

Нашим далеким предкам мир представлялся маленьким и кратковременным; для них пространство замыкалось видимыми очертаниями моря и гор [1]. Пространство первобытных людей было очень неоднородным. На территории племени выделялись тотемные центры - места, где пространство, по мнению членов племени, обладало максимально благоприятными качествами. Место обитания племени было также благотворным пространством, ибо здесь похоронены предки, охраняющие племя. За относительно упорядоченным пространством племенной территории располагалось внешнее пространство, наделенное отрицательными качествами. Развитие межплеменных связей обусловило появление представлений о множественности оазисов упорядоченного бытия. Постепенно мифологический мир приобретает многоуровневый характер: верхний уровень предков или иных сакральных персонажей, средний уровень людей и нижний уровень мертвых. Подобные уровни объединяются с помощью «мирового древа», креста и т.п.

Что касается восприятия времени, то первобытное мышление не ощущало как однородные следующие друг за другом отрезки времени и приписывало некоторым периодам дня и ночи, лунного месяца, года и т.д. свойство оказывать благоприятное или гибельное влияние. В более развитой мифологии каждому уровню мира присуще свое время, отличающееся такими параметрами, как ритм, длительность и т.п. Для мифологического времени характерна ориентация на прошлое. Мифологический прамир помещается в то время, когда еще не было времени, оно само еще созидалось. Более того, мифологическое время, соотнесенное с прошлым, оказывается вместе с тем настоящим и даже будущим, так как первобытные представления порождены циклическим видением времени. Колесо времени двигалось из прошлого, захватывало настоящее и через будущее уносило их в прошлое. Прошлое претерпевало изменения, аккумулируя достижения первобытного мышления и познания.

Древним грекам мир не представлялся столь маленьким [1]. Они были смелыми мореплавателями; установили торговые и культурные связи со многими народами, населявшими берега Средиземного моря. Древнегреческому ученому Эратосфену удалось определить длину земной окружности. В античной натурфилософии на смену опоясывающему Землю Океану приходит линейно упорядоченная река времени, которая катит свои воды из прошлого через настоящее в будущее, унося нас из детства в старость. (Эту линейную модель восприняло христианство, где присутствуют три момента времени: сотворение мира, распятие Христа и загробный мир — конечный пункт. Однако в христианстве река времени потекла вспять: настоящее непрерывно переходит из будущего в прошлое. Здесь более приемлем образ песочных часов. Бог сотворил время и, отмерив нужное количество, «засыпал» его в верхнее отделение часов - это и есть будущее, которое через отверстие (настоящее) стекает в нижнее отделение - в прошлое.)

В античности существовал широкий спектр представлений о сущности пространства и времени. Представители элейской школы в Древней Греции отрицали возможность существования пустого пространства, или, по их выражению, небытия.

Эмпедокл, поддерживая учение о невозможности пустоты, высказывался в пользу реальности изменения и движения, считая, что пустого пространства не существует, и в качестве доказательства указывал: если рыбы передвигаются в воде, следовательно, все объекты также существуют в определенной среде. Напротив, Демокрит утверждал, что пустота существует и необходима для перемещений и соединений атомов. У древнегреческого математика Евклида пространственные характеристики объектов обрели строгую математическую форму. В это время зарождаются геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве, высказываются предположения о шарообразности Земли и о Солнце как центре Вселенной.

В античное время возникает первая целостная система мира - геоцентрическая система К. Птолемея, в которой планеты, Солнце и другие небесные тела обращаются вокруг Земли по орбитам, представляющим сложное сочетание круговых орбит -деферентов и эпициклов. В центр деферента помещалась Земля, и принималось, что планета движется по эпициклу (системе эпициклов), центр которого равномерно перемещается по деференту. Система Птолемея представляла собой универсальную модель мира, где время было бесконечным, а пространство - конечным, в котором происходит равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли.

Согласно Библии, Вселенная состоит из круглой плоской Земли, накрытой сверху твердым куполообразным небесным сводом, под которым движутся облака и небесные светила. Все религии сходятся на том, что мир был некогда сотворен, и при этом называют срок 6-9 тыс. лет.

Начиная с XV в. представления о пространстве и времени значительно расширяются. Этому активно способствовали Великие географические открытия, давшие представления о пространстве в пределах Земли и эмпирически доказавшие шарообразность нашей планеты. Изменение научной картины мира произошло с появлением гелиоцентрической системы мира, предложенной Н. Коперником (1543), где Солнце — центральное тело, вокруг которого обращаются планеты. Гелиоцентрическая система мира сменила представление о Земле как центре мироздания. Теория Коперника направила движение естественнонаучной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства. Система мира Коперника унаследовала высказанные ранее, но не воспринятые современниками идеи Аристарха Самосского (III в. до н.э.), который полагал, что звезды и Солнце неподвижны, Земля вращается вокруг Солнца по окружности, расстояние от Земли до звезд бесконечно большое, а также мыслителя раннего Возрождения Николая Кузанского (XV в.), который утверждал, что Земля, как и любое другое тело, не может быть центром Вселенной. Развитие взглядов Николая Кузанского и Коперника получило в теории Дж. Бруно, который связал бесконечность Вселенной и пространства. Бруно писал, что Вселенная должна быть бесконечной благодаря возможности и сообразности бытия бесчисленных миров, подобных нашему.

В начале XVII в. И. Кеплер в гелиоцентрической картине движения планет увидел действие единой физической силы. Он установил универсальную зависимость между периодами обращения планет и средними расстояниями их до Солнца, ввел представление об их эллиптических орбитах.

Огромную роль в развитии представлений о пространстве сыграл сформулированный Г. Галилеем принцип относительности, расширение которого во многом привело к современным научным представлениям о пространстве и времени. Он заметил, что, находясь в помещении под палубой корабля и наблюдая за всем, что там происходит, нельзя определить, покоится корабль или он движется равномерно и прямолинейно. Галилей сделал вывод, что механическое движение относительно, а законы, которые его определяют, абсолютны, т.е. безотносительны. Его взгляды коренным образом отличались от общепринятых в то время представлений Аристотеля о существовании «абсолютного покоя» и «абсолютного движения».

Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени связано с именем Р. Декарта, который полагал, что все явления природы объясняются механическим взаимодействием элементарных материальных частиц. Взаимодействие он представлял в виде давления или удара при соприкосновении частиц друг с другом и ввел, таким образом, в естествознание идею близкодействия. Он поставил знак равенства между материальностью и протяженностью, т.е., отрицая пустое пространство, отождествил пространство с протяженностью.

Новая картина мира была предложена И. Ньютоном. Распространив на всю Вселенную закон тяготения, он пришел к выводу, что Вселенная бесконечна. Лишь в этом случае в ней может находиться множество космических объектов - центров гравитации, связанных между собой силой тяготения. Пространство и время Ньютон характеризует как вместилища самих себя и всего существующего: во времени все располагается в порядке последовательности, в пространстве — в порядке положения. При этом Ньютон различал два типа понятий пространства и времени — абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные). Абсолютное время само по себе и без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью, а абсолютное пространство безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное время есть постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного времени (час, день, месяц, год), а относительное пространство есть мера или какая-либо его ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которая в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное. Для своих построений Ньютон использовал модели абсолютного пространства и времени.

Немецкий ученый Г.В. Лейбниц развивал реляционную концепцию пространства и времени, отрицающую существование пространства и времени как абсолютных сущностей. Указывая на чисто относительный (реляционный) характер пространства и времени, Лейбниц считал, что пространство и время есть нечто относительное (пространство - порядок сосуществования, а время — порядок последовательностей) и не могут рассматриваться в отрыве от самих «вещей». Однако идеи Лейбница о пространстве и времени не получили распространение среди его современников.

Ньютоновская концепция пространства и времени и принцип относительности Галилея, на основе которых строилась физическая картина мира, господствовали вплоть до конца XIX в. Принятие абсолютного времени и постулирование абсолютной и универсальной одновременности во всей Вселенной стало основой для теории дальнодействия. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое с бесконечной скоростью, мгновенно и прямолинейно распространялось на бесконечные расстояния. Эти мгновенные, вневременные взаимодействия объектов служили физическим каркасом для обоснования абсолютного пространства, существующего независимо от времени.

Изучение электромагнитных явлений выявило ряд существенных отличий их свойств от механических свойств тел. Если в механике Ньютона силы зависят от расстояний между телами и направлены по прямым, то в электродинамике (теории электромагнитных процессов), созданной в XIX в. английскими физиками М. Фарадеем и Дж.К. Максвеллом, силы зависят от расстояний и скоростей и не направлены по прямым, соединяющим тела, распространение же сил происходит не мгновенно, а с конечной скоростью. Из этого вытекал вывод о конечной скорости распространения электромагнитных взаимодействий и существовании электромагнитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматриваться как проявление единого электромагнитного поля. Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было значимо для описания свойств пространства и времени. Перенос принципа относительности на электродинамику не представлялся возможным, так как в то время считалось, что все пространство заполнено особой средой - эфиром, натяжения в котором истолковывались как напряженности электрического и магнитного полей. Эфир не влиял на механические движения тел, но на электромагнитных процессах движение относительно эфира («эфирный ветер») должно было сказываться. В частности, предполагалось, что «эфирный ветер» должен влиять на распространение света. Однако попытки обнаружить «эфирный ветер» не увенчались успехом. Так, американский физик А. Майкельсон поставил опыт, который доказывал независимость скорости света от движения Земли. Результаты опыта Майкельсона не поддавались объяснению с помощью понятий классической механики.

Расширение представлений о пространстве и времени связано с распространением принципа относительности Галилея на системы отсчета, которые движутся по отношению друг к другу равномерно и прямолинейно под действием инерции (инерциальные системы отсчета) со скоростями, сопоставимыми со скоростью света с. Для таких систем X . Лоренц предложил преобразования, носящие его имя. При v << с преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея, но если скорость v сопоставима со скоростью света с, то проявляются существенные отличия от нерелятивистской картины пространства-времени :

◊ события, которые происходят одновременно в одной системе отсчета, перестают быть одновременными в другой; меняется и закон преобразования скоростей;

◊ пространственные и временные промежутки не остаются неизменными при переходе из одной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой со скоростью v.

Важный шаг в понимании сущности пространства и времени связан с созданием А.Эйнштейном (1905) специальной теории относительности. Он показал, что в преобразованиях Лоренца отражаются не реальные изменения размеров тел при движении (что можно представить лишь в абсолютном пространстве), а изменения результатов измерения в зависимости от движения системы отсчета. Относительными оказывались и «длина», и «промежуток времени» между событиями, и даже «одновременность» событий, иначе говоря, не только всякое движение, но и пространство, и время. Исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два постулата, делавших излишней гипотезу о существовании эфира и составивших основу обобщенного принципа относительности: 1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отсчета и не должны меняться при преобразованиях Лоренца; 2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью независимо от движения источника.

В рамках общей теории относительности Эйнштейна считается, что структура пространства-времени определяется распределением масс материи. Так, в классической механике принимается, что если бы вдруг все материальные вещи исчезли, то пространство и время остались бы. Согласно теории относительности, пространство и время исчезли бы вместе с этими вещами.

Пространство и время в различных отраслях естествознания

В современной науке используются такие понятия, как физическое, геологическое, географическое, биологическое, психологическое, социальное пространство и время [4, 11, 12 и др.]. Проиллюстрируем это на двух видах пространства и времени - биологическом и психологическом.

Биологическое пространство и время характеризуют специфические пространственно-временные свойства параметров органической материи: асимметрию расположения атомов в молекулах белка и нуклеиновых кислот; собственные временные ритмы и темпы изменения внутриорганизменных и надорганизменных биосистем; взаимосвязь и синхронизацию ритмов друг с другом, а также с вращением Земли вокруг оси и сменой времен года.

Для анализа биологического времени человека полезно обратиться к рис. 5.1 [2], где дана зависимость темпа биологического времени человека от его физического возраста. График построен на основе анализа данных о длительности заживления ран, температуре тела, составе крови, концентрации ДНК в организме, содержании глюкозы в тканях и показывает, что если для 10-летнего человека принять темп биологического времени за один год, то в трехлетнем возрасте этому времени соответствует 6 лет, а в 70-летнем - всего несколько месяцев. Аналогичные графики построены для рыб, мух дрозофил, мышей, лошадей, моллюсков. Более того, такие графики зависимости темпа времени системы от его возраста можно строить и для неживой природы в виде графика скорости разрушения горных систем разного возраста, скорости роста оврага на разных стадиях его развития и т.д.

Психологическое пространство и время характеризуют основные структуры пространства и времени, связанные с восприятием и так называемыми перцептивными (вкусовыми, визуальными и т.д.) полями. Исследователями выявлены неоднородность перцептивного пространства, его асимметрия, эффект обратимости времени в бессознательных и транспсихических процессах, а также синхронизм психических процессов, состоящий в одновременном параллельном проявлении идентичных психических переживаний у двух или нескольких человек. Для иллюстрации психологического времени можно привести широко известное высказывание немецкого философа А. Шопенгауэра о том, что в детстве время идет очень медленно, в юности -быстрее, но все равно еле «передвигает ноги», в зрелом возрасте оно уже «идет в ногу» со старением, а в старости мчится, как стрела. Конечно же каждый человек испытывал моменты, когда время «мчится, как стрела» или «тянется, как резина». Проиллюстрировать различное восприятие пространства можно, например, напомнив о том, что одно и то же помещение одним людям может казаться большим, а другим - маленьким.

Кроме рассмотренных типов пространства и времени в литературе обсуждаются проблемы геологического, географического, социального и других типов пространств и времен, выделяются их специфические черты и характерные особенности. При этом обычно анализируются неоднородность пространственно-временных структур, специфические пространственные отношения между элементами, ритмы и темпы изменения, ускорение или замедление темпов развития рассматриваемых в конкретной отрасли естествознания объектов.

§ 5.2. Свойства пространства и времени

Самостоятельность пространства и времени

До настоящего времени нет единой модели пространства и времени, применимой во всех областях естествознания. Скорее можно говорить о выборе и создании подходящей модели пространства и времени для решения конкретных задач в разных отраслях науки о природе. Выбор некоторой модели пространства и времени или ее изменение имеет смысл лишь в случае, если это приведет к новой исследовательской программе, способствующей более глубокому проникновению в сущность изучаемого явления, получению нового знания.

Существуют разные подходы к решению проблемы о таких специфических свойствах пространства и времени, как самостоятельность, мерность, симметрия, обратимость, кривизна, соотношение физического и геометрического подходов [5, 10, 11, 13, 14]. Одно из наиболее обсуждаемых свойств пространства и времени связано с выявлением его самостоятельной сущности. Здесь говорят о двух концепциях: субстанциальной и реляционной (релятивистской).

Субстанциальная концепция подразумевает, что при описании природных процессов используются средства классической механики и пространство и время воспринимаются как нечто самостоятельное: пространство — некоторое пустое вместилище тел, а время — нечто протекающее равномерно и иначе называющееся длительностью. Само слово «субстанция» (от лат. substantia - сущность; то, что лежит в основе) подразумевает нечто относительно устойчивое или, другими словами, то, что существует само по себе, не зависит ни от чего другого.

В связи с самостоятельностью сущности пространства и времени возникает потребность в поиске специфических их свойств. В литературе эта проблема рассматривается применительно ко времени. Например, советский астрофизик H.A. Козырев в 1963 г. в своей работе «Причинная механика и возможность экспериментального исследования свойств времени» обратил внимание на следующие обстоятельства [10]. Большинство законов механики по отношению ко времени симметрично. Однако в действительности наблюдается направленное развитие мира. Несимметричность этого процесса обычно объясняется переходом систем из маловероятного состояния в более вероятное. Но реальная картина наблюдаемой Вселенной противоречит этому утверждению. Козырев предположил, что несимметричность есть свойство самого времени, а ход времени должен быть универсальной постоянной и определяться по отношению к некоторому инварианту, которым может служить пространство. Он ввел три аксиомы причинности: 1) причины и следствия всегда разделяются пространством; 2) причины и следствия всегда разделяются временем; 3) время обладает абсолютным свойством, отличающим будущее от прошедшего. Если это так, то в пространстве-времени должна существовать точка, не принадлежащая ни причине, ни следствию, а наличие хода времени должно служить объяснением того, что при изотропности пространства (независимости свойств физических явлений от направления) в нем всегда различаются правое и левое начала.

Реляционная (релятивистская) концепция используется в случае, если описание явлений действительно требует привлечения теории относительности А. Эйнштейна, где пространство и время существуют постольку, поскольку существует материя, т.е. если вдруг исчезнет материя, то исчезнет и пространство, и время. Эта концепция отрицает самостоятельную сущность пространства и времени, рассматривая время как отношение или систему отношений между физическими событиями. В ее рамках для времени наиболее ясно раскрываются отношения раньше-позже, очень важные с точки зрения причинно-следственного анализа.

Мерность пространства и времени

В литературе обсуждается такое свойство пространства и времени, как их мерность. Обычно под мерностью понимают количество замеров, которые следует сделать для однозначного определения места некоторой точки. Так, чтобы однозначно определить место точки в пространстве в фиксированный момент времени, необходимо и достаточно указать три ее координаты. В наиболее привычной прямоугольной декартовой системе координат это х, у, z - длина, ширина и высота (рис. 5.2, α); в сферической системе координат требуется указать радиус-вектор r и углы α и β (рис. 5.2, б); в цилиндрической системе - высоту h, радиус-вектор r и угол α (рис. 5.2, в).

Считается, что все материальные процессы и взаимодействия реализуются именно в пространстве трех измерений. В одномерном (линия) или двухмерном (плоскость) пространстве не могут происходить взаимодействия частиц и полей. Три измерения являются необходимым и достаточным минимумом, в рамках которого могут осуществляться все типы взаимодействий материальных объектов.

В настоящее время не известно каких-либо форм движения и взаимодействия, которые требовали бы четырех- или пятимерного пространства, и возможность таких процессов не вытекает ни из каких установленных законов природы.

В литературе нередки рассуждения о возможности существования пространств большего количества измерений. Так, в последнее время была выдвинута гипотеза о реальных 11 измерениях в области микромира в первые моменты рождения нашей Вселенной: 10 - пространственных и одно — временное; затем они образуют 4-мерный пространственно-временной континуум. Эта гипотеза связана со следующими обстоятельствами. В математике и физике широкое применение получило представление о многомерных (n -мерных) пространствах. Данная математическая абстракция играет важную роль. Каждая координата многомерного пространства может указывать на какое-то любое свойство рассматриваемой физической реальности - температуру, плотность, скорость, массу и т.д. Если число таких параметров вместе с пространственно-временными характеристиками равно п, то считается, что они образуют «-мерное пространство, а конкретные значения свойств определяются как точки в «-мерном пространстве. При достаточно большом количестве свойств и взаимосвязанных переменных можно прийти к понятию многомерного и даже бесконечномерного пространства. Однако понятие пространства здесь имеет условный характер, так как применяется для характеристики совершенно других свойств.

Что касается мерности времени, то чаще всего указывают на его одномерность: для определения времени достаточно задать одну координату. По мнению С.Т. Мелюхина, если бы время имело не одно, а два, три измерения и больше, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с нашим миры-двойники, в которых те же события разворачиваются в той же последовательности. Соответственно у каждого человека должны были бы существовать двойники в каждом из параллельных миров. Но для таких предположений нет оснований [19].

Другой точки зрения придерживается российский географ Ю.Г. Симонов [5]. Он полагает, что вполне возможно предложить двухмерную модель времени, полезную для описания и изучения некоторого класса событий, и рассматривает ее на примере некоторых географических явлений. Здесь следует вспомнить о двух типах времени — солнечном и лунном. С фазами лунного и солнечного календарей могут быть связаны различные события. Известно, что эти векторы времени независимы и не совпадают по фазам, а их периоды не являются кратными друг другу. Так, изучая явления на Земле, можно отыскать среди них те, которые связаны лишь с гравитационными полями Земля - Луна и Земля - Солнце. Эти поля могут накладываться друг на друга, то суммируясь, то вычитаясь. В таком случае можно говорить об изучении гравитационной системы из трех тел. В такой системе количество векторов времени совпадает с количеством степеней свободы. Пусть в пространстве двух векторов времени ось х совпадает с вектором солнечного времени, а ось у — с лунным. В фазу новолуния силы лунного и солнечного притяжений складываются, а в фазу полнолуния — вычитаются. Поэтому в фазу новолуния максимальные гравитационные возмущения испытывают Земля и Солнце, а в фазу полнолуния — Луна и Солнце; минимум гравитационной напряженности Земли приходится на полнолуние, когда гравитационные поля вычитаются. Таким образом, на Земле гравитационная напряженность нарастает от полнолуния к новолунию, а затем убывает. При нарастании гравитационной волны возникают одни эффекты, а на фоне убывания (снятия) напряженности - другие. Так, тектонические трещины в разные фазы сжимаются и расширяются; процессы, связанные с трещинно-поровым давлением грунтовых вод, протекают с разной силой и т.д.

В общем случае, по мысли Симонова, векторов времени может быть не два, а больше. Выбор модели многомерного времени (в частности, определение количества временных векторов) удается осуществить довольно просто в том случае, когда изучаемые процессы причинно не зависят друг от друга и их можно представить себе как циклически проявляющиеся, причем циклы могут длиться не часами и сутками, а годами, столетиями и даже тысячелетиями.

Симметрия и асимметрия пространства и времени

Симметрия - одно из свойств пространства и времени. Это свойство заключается в переходе объектов в самих себя или друг в друга при осуществлении определенных преобразований. В наиболее широком смысле симметрия свойство неизменности (инвариантности) отдельных сторон, процессов и отношений объектов относительно некоторых преобразований. Симметричными могут быть вещи, процессы, геометрические фигуры, математические уравнения, живые организмы, произведения искусства и т.д. Преобразования симметрии могут быть и реальными, и мысленными (пространственный сдвиг, вращение, зеркальное отражение в пространстве, зарядовое сопряжение -замена частицы на античастицу).

Представления о симметрии имеют большое значение практически во всех отраслях естествознания. Истоки этого понятия восходят к античным представлениям о гармонии, которые имели преимущественно эстетический смысл соразмерности, уравновешенности, упорядоченности, красоты и совершенства. Специальные научные разработки понятия симметрии начались в ХГХ в. в кристаллографии. Усилиями И. Гесселя (Франция), А. Шенфлиса (Германия), A.B. Гадолина и Е.С. Федорова (Россия) было создано учение о пространственной симметрии, в котором выделены 230 возможных групп симметрии. Внутренняя симметрия определяется молекулярным строением вещества, о чем свидетельствуют формы кристаллов природных минералов различного химического состава и их кристаллической решетки (рис. 5.3). Особенно совершенных форм можно добиться, выращивая искусственные кристаллы.

В окружающем нас мире преобладают два вида симметрии -зеркальная, или билатеральная, симметрия и радиально-лучевая [20]. Как оказалось, все, что растет или движется вертикально относительно земной поверхности, имеет радиально-лучевую симметрию в виде веера пересекающихся плоскостей симметрии, а все, что растет и движется горизонтально или наклонно по отношению к земной поверхности, подчиняется билатеральной симметрии (одна плоскость симметрии). Однако известно, что земное тяготение влияет лишь на внешнюю форму природных тел. Следовательно, форма любого объекта связана как с его внутренними свойствами, так и с внешними факторами, воздействующими на этот объект.

Соотношения внутренней и внешней симметрии получили отражение в принципе симметрии П. Кюри. В упрощенной форме он звучит так: симметрия порождающей среды накладывается на симметрию тела, образующегося в этой среде. Получившаяся в результате форма тела сохраняет только те элементы своей собственной симметрии, которые совпадают с наложенными на него элементами симметрии среды.

Идея симметрии лежит в основе многих исследований современной науки. Так, Ф. Клейн (Германия), рассматривавший различные геометрии как теории инвариантов определенных групп преобразований, внес существенный вклад в формирование современного понятия симметрии, тесно связав его с понятием инвариантности и теории групп. Теоремы Э. Нетера (Германия) позволили связать пространственно-временную симметрию (инвариантность) уравнений математической физики с сохранением фундаментальных физических величин - энергии импульса, момента количества движения. В дальнейшем исследование взаимосвязи принципов симметрии с законами сохранения стало одним из магистральных направлений развития физики.

В химии и биологии на первый план часто выходит асимметрия как определенное нарушение симметрии, особенно характерное для живых организмов на молекулярном и морфологическом уровнях их структурной организации. Эволюционное развитие материи от простых химических соединений к сложным органическим и биологическим системам обнаруживает общую тенденцию уменьшения степени симметрии и соответственно возрастание асимметрии. В.И. Вернадский видел в симметрии ключ к разделению живой и неживой природы, указывая на то, что правизна и левизна в мире кристаллов не играют принципиальной роли, а для живых организмов наблюдается иная картина. Л. Пастер показал, что в продуктах биохимических процессов преобладают либо правые, либо левые изомеры вещества. В обобщенном виде в биологии установлено, что пространство, занимаемое живым веществом, характеризуется асимметрией. Следует также отметить, что в мире кристаллов отсутствуют оси симметрии пятого, седьмого, восьмого и более высоких порядков, а в мире растений и простейших животных они встречаются достаточно часто.

Обратимость пространства и времени

Обратимость пространства и времени - свойство, тесно связанное с симметрией. Как известно, в каждую точку пространства можно снова и снова возвращаться. В этом отношении пространство является как бы обратимым. Что касается времени, то обычно подчеркивается его необратимость, означающая однонаправленное изменение от прошлого к будущему: нельзя возвратиться назад в какую-либо точку времени, но нельзя и перескочить через какой-либо временной промежуток в будущее. Отсюда делается вывод, что время составляет как бы рамки для причинно-следственных связей.

В более общем виде решение проблемы обратимости связано с рассмотрением двух противоположных концепций - статической и динамической [13].

Согласно статической концепции времени, события прошлого, настоящего и будущего существуют в известной мере одновременно. Кроме того, все физические законы инвариантны относительно замены знака времени, поскольку время в уравнениях движения классической и квантовой механики берется в квадрате. Это наводит на мысль, что все физические процессы могут происходить одинаково как в прямом направлении, так и в обратном. Если это действительно так, то имеется принципиальная возможность, перемещаясь во времени, оказываться в событиях прошлого или будущего, а также возвращаться из них в настоящее. Статическая концепция допускает возможность построения «машины времени» и некоторые другие эффекты и парадоксы. Так, если течение времени зависит от скорости движения его носителя, то можно принять парадокс близнецов в теории относительности, о котором говорилось ранее, а именно: возвратившийся из космического путешествия космонавт по существу попадает в свое будущее, а его брат, оставшийся на Земле, встречается со своим прошлым. Эти события происходят одновременно, т.е. в некоторый момент времени встречаются настоящее с прошлым и настоящее с будущим. В такой встрече отсутствует симметрия: один и тот же человек не встречается сразу и со своим прошлым, и со своим будущим.

Еще один пример. Свет от различных звезд долетает до нас за разные интервалы времени; следовательно, об их современном состоянии мы ничего не знаем, а изучаем их далекое прошлое, принимая его за настоящее.

В науках о Земле также обсуждаются такие явления. Еще в 1938 г. российский географ акад. К.К. Марков описал явление, которое он назвал метахронностью. Оно проявляется в том, что наступление и чередование фаз и стадий развития геосистем происходят несинхронно в разных частях земного шара, даже если эти геосистемы располагаются на одной широте. Например, установлено, что формирование ледникового щита Антарктиды началось значительно раньше, чем оледенение в Северном полушарии.

В настоящее время в науках о Земле обсуждают такое явление, как полихронность, которая предполагает одновременное наличие нескольких пластов времени в одном объекте. Все они существуют в настоящем, но, располагая их в некоторой хронологической последовательности, можно самые древние из них называть прошлым, средней давности - настоящим, а самые молодые - будущим. Полихронность свойственна многим природным явлениям. Поэтому статическая концепция не так уж нелепа, как ее иногда пытаются представить [5].

Динамическая концепция времени противоположна статической: в ней есть лишь настоящее, прошлое существовало, а будущее только еще будет существовать. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Будущие события — это те, которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те явления, которые реально существуют и способны к взаимодействию между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном сосуществовании объектов.

В рамках динамической концепции невозможно построение «машины времени» для перемещения в прошлое и будущее. Если бы путешествие в прошлое было реально возможным, тогда, дойдя до некоторого момента, «машина времени» исчезла бы вместе с экипажем, поскольку в прошлом их реально не существовало. А при путешествии в будущее надо еще воссоздать некоторый будущий мир из ничего, куда-то «спрятав» существующий мир, чтобы затем возвратиться в него.

С этой концепцией связана неопределенность понятия настоящего, поскольку неясно, какой именно отрезок времени можно считать настоящим - миг, день или более продолжительное время. (Эта проблема стоит и перед представителями гуманитарных дисциплин, например современность в истории.) Представление о настоящем можно предельно сузить, выбирая все более и более короткие отрезки времени и доведя их до интервала, достаточного для того, чтобы его невозможно было принять за настоящее. Появляется ощущение, что нет не только прошлого и будущего, но и настоящего. Все, что было, — уже прошлое, все последующее - еще в будущем. Но настоящее может быть и расширено в зависимости от сопоставляемых интервалов и масштабов события до часа, дня, года и т.д.

Обычно говорят, что для объектов и явлений настоящее время охватывает тот интервал, в течение которого они физически могут взаимодействовать между собой путем обмена веществом и энергией. Если бы скорость распространения воздействий была бесконечной, то это настоящее представляло бы собой сколь угодно малый миг, дающий мгновенное сечение всех событий во Вселенной - настоящих, прошлых и будущих. Но скорость распространения воздействий конечна и, по современным представлениям, не превышает скорости света в вакууме. Поэтому физически проявляющееся во взаимодействиях настоящее материальных систем охватывает тот временной интервал, в течение которого они способны провзаимодействовать. Для элементарных частиц это будут очень малые отрезки времени, но для Галактики они возрастают до сотни тысяч лет. Внутри этого настоящего для крупных систем могут укладываться события прошлого, настоящего и будущего малых систем, существующих намного меньшее время. Только сейчас мы воспринимаем излучение от звезд и галактик, испущенное тысячи и миллионы лет назад. Взаимодействия между ними могут осуществляться в течение миллионов лет в обоих направлениях. Отсюда следует относительность понятия настоящего. При этом из систем будущего никаких воздействий и информации не может поступать, ибо эти системы еще не возникли, не обладают реальным существованием. Действие всегда происходит только в одном направлении: от прошлого к настоящему и от настоящего к ближайшему будущему, в которое настоящее переходит, но никогда наоборот. Принято считать, что последнее исключается законом причинности.

Геометрические свойства пространства

Геометрический анализ пространства опирается прежде всего на исторический опыт землепользования. Первые научные геометрические представления выражены в евклидовой геометрии, по которой пространство характеризуется трехмерностью и изотропностью (независимостью свойств от направления), а прямая есть кратчайшее расстояние между двумя точками. Геометрия Евклида исходит из пяти аксиом, или постулатов. Более всего споров у математиков вызывал пятый постулат, в соответствии с которым из одной точки на плоскости можно провести только одну прямую, которая не будет пересекаться с данной. В начале XIX в. немецкий математик К.Ф. Гаусс признал, что если этот постулат "заменить другими аксиомами, то можно построить новую геометрию. Такие новые геометрии были построены Н.И. Лобачевским (Россия), Б. Риманом (Германия) и Я. Больяем (Венгрия). Так, Лобачевский и Больяй допустили, что существует множество прямых, которые не пересекутся с данной. Риман, напротив, заменил пятый постулат на аксиому, согласно которой через точку, лежащую вне данной прямой на плоскости, нельзя провести ни одной параллельной, все они будут пересекаться с данной.

Эти представления наглядно иллюстрируются на двухмерных поверхностях. Евклидова геометрия реализуется на плоскости, геометрия Римана - на поверхности сферы, на которой прямая линия выглядит как отрезок дуги большого круга, центр которого совпадает с центром сферы. Геометрия Лобачевского реализуется на так называемой псевдосфере. Поскольку пространство имеет три измерения, то для каждой геометрии вводится понятие кривизны пространства (рис. 5.4). В евклидовой геометрии кривизна нулевая, у Римана - положительная, у Лобачевского и Больяя - отрицательная, поскольку на основании пятой аксиомы доказывается теорема о сумме углов треугольника. В геометрии Евклида, как известно, она равна 180°, у Римана - она больше 180°, а у Лобачевского — меньше.

В трехмерном неевклидовом пространстве кривизна пространства понимается как отступление его метрики от евклидовой, что точно описывается языком математики, но невозможно представить как-то наглядно. Впоследствии Риман показал единство и непротиворечивость всех неевклидовых геометрий, частным случаем которых выступает геометрия Евклида.

Рассматривая физические и геометрические свойства пространства и времени, полезно затронуть вопрос об их соотношении и предпочтении той или иной геометрии для построения конкретных физических моделей явлений. С этой точки зрения интересна позиция А. Пуанкаре, который утверждал, что, если пространство с любой произвольно заданной геометрией дополнено законами физики, оно может быть принято для описания изучаемого явления. Аналогичной точки зрения придерживался А. Эйнштейн. Но если Пуанкаре предлагал выбирать относительно простую геометрию пространства и дополнять ее сравнительно сложными описаниями физических законов, то Эйнштейн, наоборот, предлагал более сложную геометрию дополнять сравнительно простыми физическими законами [14]. Так, в теории относительности Эйнштейна используется геометрия Римана. Эту возможность наглядно иллюстрирует следующий мысленный эксперимент [22, 23]. Пусть лифт покоится в отсутствие гравитационного поля (рис. 5.5, а). В стенке лифта сделано отверстие А, через которое луч света падает на его противоположную сторону; линия AB - прямая. Лифт начинает движение вверх с ускорением g. За время, пока свет проходит расстояние между стенками, лифт смещается вверх, и луч света попадает не в точку В, а в точку С (рис. 5.5, б). Линия АС сохраняет свойство быть кратчайшим расстоянием между двумя точками, но это будет не прямая, а так называемая геодезическая.

§ 5.3. Методы оценки пространства

Размеры микрообъектов

Нас окружают объекты, размеры которых несопоставимы друг с другом: молекулы и Солнечная система, атомы и галактики и т.д. Все они расположены в пространстве, и, следовательно, можно оценить расстояния, связанные с этими объектами. Приведем некоторые приблизительные оценки, позволяющие более уверенно ориентироваться в окружающем пространстве [3, 7, 15].

Минимально видимая глазом длина сопоставима с толщиной волоса - около 0,1 мм. Если быть более точным, то невооруженным глазом с расстояния наилучшего видения (около 25 см) наблюдатель со средней остротой зрения может отличить одну мелкую частицу (или деталь объекта) от другой, лишь если они отстоят друг от друга на расстоянии около 0,08 мм. Усилить наше зрение может лупа - собирающая линза - или система линз с небольшим фокусным расстоянием (10-100 мм). С ее помощью можно добиться увеличения от 2 до 50 раз, т.е. объект можно рассмотреть в среднем в 10 раз детальнее.

Свойство линзы или системы линз давать увеличенные изображения предметов известно с XVI в. Оптический микроскоп впервые успешно применил в научных исследованиях англичанин Р. Гук, установивший в 1670-х гг. клеточное строение животных и растительных тканей. Примерно в это же время голландский ученый А. Левенгук открыл с помощью оптического микроскопа микроорганизмы. Развитию методов микроскопических исследований существенно способствовала разработка теории образования изображений несамосветящихся объектов в микроскопах немецким физиком Э. Аббе (вторая половина XIX в.).

Современный оптический микроскоп дает увеличение примерно в 100-1000 раз. Следовательно, размеры объектов, которые можно увидеть в такой микроскоп, составляют 0,0001 мм (10-7 м). Различные типы оптических микроскопов предназначены для обнаружения и изучения микроорганизмов (бактерий, микроскопических грибов, водорослей и вирусов), органических клеток, мелких кристаллов, определения и детального изучения минералов, минерального состава и структуры горных пород и т.д.

Возможности оптических микроскопов ограничены разрешающей способностью, т.е. способностью давать раздельные изображения двух близких друг к другу точек объекта. Дело в том, что из-за дифракции света изображение точки представляет собой светлое пятно, окруженное кольцами, и после некоторого увеличения изображения двух точек начинают сливаться. В видимом свете ничего нельзя рассмотреть при увеличении объекта более чем в 1500-2000 раз, поскольку длина волны видимого света становится больше изучаемого объекта.

Для того чтобы рассмотреть более мелкие объекты, используют электронный микроскоп - прибор, в котором для получения увеличенного изображения используется электронный пучок. Разрешающая способность электронного микроскопа в сотни раз выше, чем у оптического микроскопа. Электронные микроскопы позволяют получить с помощью наблюдения и фотографирования многократно увеличенные объекты (вплоть до 10 раз) и увидеть объекты размером 10-9 м. Эти приборы дают возможность при определенных условиях рассмотреть микроструктуру тел (вплоть до атомно-молекулярного уровня) и т.п. Физические основы электронно-оптических приборов были заложены ирландским математиком У.Р. Гамильтоном почти за 100 лет до появления электронных микроскопов, которые стали создаваться в первой половине XX в., а широкое применение в естествознании получили уже во второй половине XX в. Высокие разрешения этих микроскопов достигаются благодаря чрезвычайно малой длине волны электронов. Несколько большие подробности объектов можно рассмотреть лишь косвенными методами. Например, в настоящее время применяется метод изучения объектов с помощью рассеяния электронов.

Размеры макрообъектов

Обратимся к макрообъектам. Если допустить, что рост человека составляет в среднем 1,5-2 м, то эта величина превышает диаметр волоса на четыре порядка. Размеры большей части предметов, окружающих нас, сопоставимы с размерами человеческого тела, иначе было бы трудно иметь с ними дело. Расстояния до объектов, находящиеся на больших расстояниях (холм, лес, поле и т.д.), можно оценить шагами, т.е. по существу сопоставить их с размером своего тела. В таких случаях расстояние составляет от нескольких километров до нескольких десятков километров. Таким образом, непосредственное восприятие человеком расстояний возможно в диапазоне от 0,1 мм до приблизительно 100 км. Оценка размеров континентов, а тем более окружности Земли вряд ли возможна с помощью шагов. В этом случае целесообразно поступить так. Если известны средняя скорость движения некоторого вида транспорта (поезда, машины, самолета и пр.) и время в пути, можно получить представление о преодоленном расстоянии: если ехать из одного пункта в другой со скоростью 100 км/ч в течение 7 ч, то ясно, что было преодолено расстояние 700 км; если самолет за 9 ч долетает из Москвы до Петропавловска-Камчатского при средней скорости 800-850 км/ч, то эти населенные пункты разделены расстоянием приблизительно 7500 км. Чтобы облететь вокруг Земли, самолету потребовалось бы примерно в 5 раз больше времени, поскольку ее окружность составляет около 40 000 км. Весьма точно окружность Земли и ее радиус удалось оценить еще в античное время Эратосфену. Он заметил, что в день летнего солнцестояния 21-22 июня в районе г. Сиены (Асуан, Египет) лучи Солнца падают отвесно, а в Александрии, отстоящей на 800 км севернее, угол падения 7,5° (рис. 5.6). Из простейших тригонометрических расчетов следует, что окружность Земли составляет 40 000 км, а ее диаметр — около 12 000 км. Оценить расстояние до небесных тел можно также с помощью очень простых способов. Ближайшим небесным телом для нас является Луна. Еще во II в. до н.э. Гиппарх измерил угол, под которым видна тень, отбрасываемая Землей на Луну во время лунного затмения, а зная диаметр Земли, он довольно точно определил расстояние от Земли до Луны. В настоящее время для таких целей используют радиолокацию. Сигнал радара направляют на объект и измеряют время, протекшее от посылки сигнала до возвращения отраженной волны. Для Луны это время составит 2,6 с; следовательно, в одну сторону сигнал летел 1,3 с. Поскольку волна радара имеет ту же природу, что и световая, и распространяется со скоростью 300 000 км/с, можно заключить, что расстояние Земля Луна приблизительно 400 000 км.

Наблюдения за движением планет позволяют определить относительные размеры их орбит. Так, Меркурий всегда наблюдается близко от Солнца, никогда не далее 23°, т.е. радиус орбиты Меркурия равен 0,38 радиуса земной орбиты (немногим более 1/3 ее радиуса). Аналогичным способом находим радиус орбиты Венеры - 0,7 радиуса земной орбиты (немногим более 2/3 от него). Таким образом, можно построить картину Солнечной системы, соблюдая найденные пропорции (рис. 5.7).

Для того чтобы узнать истинный радиус орбит планет, следует определить расстояние только до одной из них, а остальные рассчитать по уже известной пропорции. Здесь также пользуются радарным методом. Например, до Венеры время между испусканием и возвращением сигнала составляет 5-15 мин в зависимости от того, где находятся Земля и Венера на своих орбитах. Следовательно, расстояние до Венеры порядка миллионов километров. После того как было определено расстояние Венера - Земля, оказалось нетрудно найти и другие расстояния в Солнечной системе, зная пропорции и относительные размеры орбит. Так, свету требуется чуть больше 8 мин, чтобы дойти от Солнца до Земли, т.е. расстояние Земля — Солнце составляет 150 млн км. Размеры всей Солнечной системы таковы, что свету для того, чтобы пройти ее, нужно 11ч. Несложно оценить и размеры самого Солнца. Оно кажется нам таким же, как Луна, но оно в 375 раз дальше, и диаметр его должен быть в 375 раз больше лунного: он равен 1,4 млн км.

Межзвездные пространства

Оценить расстояния до звезд можно несколькими методами. Один из них связан с измерением светимости звезд. Предположим, что звезды имеют размеры, сопоставимые с размерами Солнца. Однако одни из них светят ярче, а другие - слабее, поскольку одни звезды ближе к нам, другие - дальше. Это позволяет вычислить расстояния до звезд. Для этого надо учесть, что если одно из двух одинаково ярких тел находится на расстоянии, в n раз большем, чем другое, то более близкое тело кажется в n раз ярче. Так, интенсивность света Солнца в (миллион) раз ярче Сириуса, т.е. Сириус находится в миллион раз дальше от Земли, чем Солнце. Яркость других звезд, например семи звезд ковша Большой Медведицы, в 9 раз меньше яркости Сириуса; следовательно, они должны находиться еще в 3 раза дальше.

Используя этот метод, можно было бы найти расстояния до всех звезд. Однако мы не обязаны верить «на слово», что звезды - такие же тела, как и Солнце. Поэтому полезно использовать какой-либо иной метод. В 1830-х гг. для этой цели был предложен метод параллаксов. Этот метод основан на простейшем способе измерения расстояния до какого-либо недоступного предмета: его визируют из двух разных точек и затем определяют, как изменяется направление, в котором он виден. Например, отдаленное дерево будет видно немного в ином направлении, если пройдем несколько шагов перпендикулярно линии, соединяющей дерево и наблюдателя, и, чем дальше дерево, тем меньше изменится направление, в котором оно видно. Исхода из этого изменения, вычисляют расстояние до дерева. При измерении расстояний до звезд используют эффект вращения Земли вокруг Солнца (рис. 5.8). Так, зимой мы смотрим на звезду из точки, которая на 300 млн км удалена от летней точки наблюдения. При этом для наблюдателя звезда переместится по небесному своду на расстояние, равное диаметру земной орбиты. Иначе говоря, он увидит звезду, сместившуюся на угол, под которым виден диаметр земной орбиты со звезды. Эти смещения крайне малы, но уже более 150 лет назад были созданы инструменты, способные измерять столь малые смещения. Оказалось, что таким методом можно измерить расстояние звезд, отстоящих не более чем на 50 световых лет. (Световой год - единица измерения межзвездных расстояний; путь, который свет проходит за год, т.е. 9,46 · 1012 км.) На этом расстоянии находится около 300 звезд. Ближайшие от нас звезды (Проксима, Альфа в созвездии Центавра) находятся на расстоянии приблизительно 4 световых лет.

Смещение множества звезд слишком мало, чтобы его можно было измерить. При этом оценку межзвездных расстояний по светимости выполняют путем сравнения звезд одного цвета, которые не слишком различаются по размеру.

Оценив межзвездные расстояния, можно оценить протяженность пустого пространства между нашей Солнечной системой и одной из ближайших звезд - Сириусом: оно в 1 млн раз больше расстояния от Земли до Солнца, т.е. порядка 1014 км. Свету требуется примерно 10 лет, чтобы пройти это расстояние. Если учесть те несколько часов, за которые свет проходит Солнечную систему, то можно получить представление о расстояниях до ближайших звезд.

Оценим распределение звезд в пространстве. Наблюдая за звездным небом, можно увидеть, что слабых звезд гораздо больше, чем ярких, и они распределены по небу неравномерно.

В самом Млечном пути или около него слабых звезд значительно больше, чем в отдаленных участках неба. Если смотреть в направлении, сильно удаленном от Млечного пути, можно заметить некоторое количество ярких звезд и почти не увидеть очень слабых. Таким образом, звезды не распределены в пространстве равномерно, а сосредоточены на участке, имеющем вид плоского диска. Наша Солнечная система находится где-то в этом диске.

Можно оценить размеры диска, внутри которого находятся все звезды, видимые нами на небе. Известно, что яркость звезд, еще видимых в направлении плоскости Млечного пути, в 100 раз слабее, чем звезд, видимых в перпендикулярном направлении; следовательно, радиус диска должен примерно в 10 раз превышать его толщину. Яркость наиболее слабых звезд Млечного пути приблизительно в 100 млн раз меньше яркости Сириуса, т.е. они должны находиться в 10 000 раз дальше от Земли, чем Сириус, — на расстоянии 100 000 световых лет. Таким образом, из распределения слабых и ярких звезд по небу следует, что звезды образуют круговой диск диаметром 105 световых лет и толщиной 10 световых лет. Причем Солнечная система находится примерно на середине радиуса. Это скопление звезд называется галактической системой или нашей Галактикой. Среднее расстояние между звездами в ней — около 10 световых лет. Это позволяет оценить количество звезд в Галактике - около 50 млрд. Другие оценки дают цифру 100 млрд звезд.

В настоящее время известно, что в состав Галактики входят не только звезды, но также газы и пыль, которые затрудняют применение рассмотренного метода измерения расстояний. Звезда, видимая через слой газа и пыли, кажется слабее, и мы можем ошибочно заключить, что она дальше от нас, чем на самом деле. Эту трудность позволяют преодолеть другие методы. С их помощью установлено, что звезды сосредоточены в больших спиральных рукавах, выходящих из центра диска и закрученных в его плоскости.

Межгалактические пространства

Кроме нашей Галактики существуют и другие звездные скопления, например туманность Андромеды, которая при наблюдении в сильный телескоп выглядит как скопления звезд, расположенных в виде такой же дискообразной спирали, как наша Галактика. Количество таких галактик очень велико. Расстояние до них может быть оценено исходя из кажущейся яркости объектов. Например, полная яркость туманности Андромеды приблизительно такая же, как у средней звезды, удаленной на 10 световых лет. Мощные телескопы показывают, что звезд в этой галактике примерно столько же, как и в нашей,- около 50 млрд. В таком случае эта туманность в 50 млрд раз ярче отдельной звезды нашей Галактики. Тогда расстояние до туманности Андромеды должно быть в корень из (50 х 109 ) раз больше, чем до ближайших звезд, т.е. определяется как произведение 10 световых лет на корень из (50 х 109 ), что дает около 2 млн световых лет. Получается, что расстояние от нашей Галактики до соседней приблизительно в 20 раз больше диаметра нашей Галактики. Свет, приходящий от туманности Андромеды, покинул ее тогда, когда нашу Землю населяли еще не люди, а их обезьяноподобные предки. Множество спиральных туманностей можно увидеть с помощью телескопов. Известно о миллионах таких туманностей, и расстояния между ними достигают нескольких миллионов световых лет.

Возникает вопрос: а есть ли предел у самой Вселенной? На него помогает ответить открытый в первой половине XX в. факт «разбегания» галактик. Анализ спектров галактик показал: чем дальше находятся от нас галактики, тем быстрее они удаляются. Дело в том, что при изучении спектров звезд было выявлено отсутствие в них определенных частот - темные линии в спектре, которые расположены как раз на тех местах, где находился бы свет соответствующей частоты, если бы он не поглощался холодным газом на поверхности звезд. Например, в большинстве звездных спектров наблюдаются две темные линии в фиолетовой части, указывающие на поглощение газообразным кальцием. Те же темные линии в спектрах наблюдаются в спектрах галактик, так как их излучение представляет собой сумму излучения всех входящих в них звезд. Однако эти линии находятся не при ожидаемой частоте, а смещены в сторону меньших частот. Такое смещение частоты можно истолковать как следствие движения объекта относительно наблюдателя, поскольку при удалении источника света от наблюдателя его частота уменьшается (можно сравнить со звуком автомобильного сигнала, который кажется ниже, когда автомобиль удаляется от нас). Смещение частоты пропорционально скорости и поэтому может служить для определения скорости удаляющихся объектов.

Смещение частоты света от отдаленных галактик трактуют как доказательство того, что они удаляются от нас. Скорость этого движения пропорциональна расстоянию до галактики. Движение ближайшей галактики, например туманности Андромеды, почти невозможно обнаружить, но галактики, отстоящие от нас на 100 млн световых лет, удаляются со скоростью около 3000 км/с. Связь между скоростью и расстоянием впервые установил американский астроном Э.П. Хаббл в 1929 г. На рис. 5.9 представлена последовательность оценок расстояний, расположенных в порядке их возрастания. В настоящее время наиболее сильные телескопы позволяют различать галактики, удаленные на 3 млрд световых лет и «убегающие» от нас со скоростью 90 000 км/с, что составляет почти треть скорости света. В начале 1960-х гг. были открыты квазары. Самый далекий из известных ныне квазаров находится от нас на расстоянии около 8 млрд световых лет.

Таковы размеры доступной в настоящее время нашим исследованиям части Вселенной.

Таким образом, можно создавать все более и более мощные телескопы, пытаясь наблюдать удаленные галактики, однако последние будут «убегать» от нас со скоростью, все более приближающейся к скорости света. Чем ближе скорость объекта к световой, тем меньше будет его яркость, тем менее заметным он станет. Поэтому если даже и существует множество галактик, удаленных на расстояние, большее 10 млрд световых лет, нам не удастся их увидеть: они удаляются от нас настолько быстро, что их свет никогда не сможет достичь Земли.

§ 5.4. Методы оценки времени

Малые интервалы времени

Оценим временные интервалы различной длительности [3, 7, 8, 15]. Сравнительно малой и хорошо воспринимаемой человеком единицей времени является 1 с - это приблизительно интервал между двумя ударами сердца. Наиболее короткий промежуток времени, воспринимаемый человеком, составляет 0,1 с (длительность щелчка пальцами). Также известна способность глаза различать отдельные изображения. Так, если кинопленку протягивать со скоростью менее 14 кадров в 1 с, то человек различит отдельные кадры. Смена изображения со скоростью 24 кадра в 1 с приводит к возможности видеть непрерывное изменение явлений, а 25-й кадр уже не воспринимается глазом.

Развитие науки и человеческой практики привело к потребности измерять время, составляющее тысячные, миллионные, миллиардные и даже биллионные доли секунды. Например, в течение 1 с бегун продвигается на 5—10 м и совершает много сложных движений, из которых каждое длится лишь сотые доли секунды; от правильности построения этих движений зависит его победа. В автомобильном двигателе вал делает несколько тысяч оборотов в 1 мин: в течение сотых долей секунды в двигателе резко меняются давление и механическое напряжение, испытываемое отдельными деталями.

Для определения географических координат, в первую очередь долготы местности, необходимо точно знать время в измеряемой точке. Ошибка в отсчете времени, равная 1 мин, при определении долготы на широте экватора соответствует искажению расстояния на 27,6 км, ошибка в 1 с влечет за собой искажение на 460 м и ошибка в 0,001 с - на 0,46 м. В ряде случаев определять координаты требуется с высокой точностью. Например, в геологии обсуждается проблема перемещения одних материков по отношению к другим. Скорость перемещения обычно не превышает несколько сантиметров в год. Чтобы измерить перемещение одной точки по отношению к другой на земном шаре, следует производить замеры в течение нескольких лет, обеспечивая погрешность определения моментов времени порядка тысячных долей секунды.

Для того чтобы измерять время, требуется выбрать систему отсчета, научиться хранить и передавать точное время. Долгие годы единственной системой отсчета было вращение Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, но оказалось, что этот эталон времени не всегда достаточно точен. Дело в том, что орбита Земли представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. Вследствие этого Земля то ближе, то дальше от него и соответственно движется то быстрее, то медленнее. Движение Земли вокруг своей оси также неравномерно, в частности сезонная нерегулярность достигает 0,001 с. Поэтому в 1960-х гг. Международный комитет мер и весов принял решение использовать в качестве эталона астрономические атомно-лучевые цезиевые часы. При этом 1 с = 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Обычный стрелочный секундомер измеряет промежутки времени между двумя моментами с погрешностью до 0,1 с. Электрический стрелочный секундомер с вращающимися механическими частями позволяет производить отсчет промежутков времени с погрешностью до 0,01 с. Оценка более быстрых процессов с помощью механических устройств затруднена, так как их детали обладают большой инерцией. Современные технологии, основанные на измерении колебаний атомов, позволяют достигать точности в пределах 10-12 - 10-14 с, т.е. с максимальной ошибкой в 1 с при измерении интервалов от 30 тыс. до 3 млн лет.

Для изучения быстрых процессов существует достаточно большое количество методов: специальная киносъемка, оптические устройства, электронные измерительные схемы и т.д. Для исследования ряда чрезвычайно быстрых ядерных процессов применяются различного типа счетчики (Гейгера - Мюллера, сцинцилляционный и др.).

В ряде случаев требуется не только измерять интервалы времени между двумя событиями, но и получать непрерывную запись быстрых процессов с помощью записывающих устройств. Для записи не очень быстрых процессов применяют самописцы различных типов со скоростью движения ленты от нескольких сантиметров в сутки до нескольких метров в секунду. Для увеличения скорости записи уменьшают вес подвижных частей прибора. Так, в шлейфовом осциллографе для записи вместо стержня с пером используется луч света, что позволяет записывать изменения величин, происходящие в течение тысячных и десятитысячных долей секунды. Самописцы и шлейфовые осциллографы применяются в сейсмологии для записи упругих колебаний земной коры, в биологии и медицине - для записи токов сердца (электрокардиография) и т.д. Процессы, протекающие с еще большей скоростью, фиксируют с помощью электронно-лучевого осциллографа, где запись процессов осуществляется посредством пучка электронов. С помощью такого осциллографа удалось подробно изучить грозовые разряды. Оказалось, что скорость движения молнии составляет около 0,1 скорости света, причем молния движется толчками: сначала она пробивает перед собой узкий проводящий канал, электризуя окружающий воздух, потом по этому каналу устремляется основной разряд, расширяющий его, затем вновь пробивается узкий проводящий канал и т.д.

Для фиксации быстрых явлений используют киносъемку. Как уже говорилось, при обычной киносъемке в 1 с получают 24 отдельных кадра. Для получения замедленной съемки скорость движения ленты в киносъемочном аппарате увеличивается до 120-240 кадров в 1 с; при демонстрации такого фильма со скоростью 24 кадра в 1 с движения всех тел представляются замедленными. Этот метод киносъемки позволил выявить особенности ряда процессов в живой и неживой природе: процессы разрушения и деформации различных материалов; разрушение почвы при падении капель дождя; особенности полета насекомых; способ захвата хамелеоном приманки; данные о строении бьющегося сердца животного, а также о работе отдельных мышечных волокон сердца до и после нарушения его работы; данные для решения задач баллистики, например при изучении полета снаряда после вылета его из дула орудия, механизма пробивания брони и т.п. В современных фотографических устройствах разрешающее время удалось довести до миллиардной доли секунды. Это значит, что можно зафиксировать разность во времени прихода двух световых лучей с разностью хода меньше 1 м.

Еще более быстродействующие приборы потребовались при изучении элементарных частиц, атомного ядра и ядерных реакций. Например, многие радиоактивные изотопы имеют чрезвычайно малый период полураспада (промежуток времени, в течение которого количество радиоактивного вещества уменьшается вдвое), неодинаковый у различных изотопов одного и того же элемента: период полураспада полония-210 составляет 138,3 дня, полония-216 — 0,16 с, полония-214 - 1,58·10-4 с, полония-213 -всего лишь 4,2 · 10-6 с, а полония-212 - 3 10-7 с. Некоторые элементарные частицы, например присутствующие в космическом излучении мезоны и гипероны, крайне неустойчивы; так, средняя продолжительность жизни мюонов составляет миллионные доли секунды. Другой пример очень быстрых процессов — переход возбужденного ядра в нормальное состояние, при котором испускаются гамма-кванты. В частности, возбужденное состояние ядра лития-7, получающегося в результате ядерной реакции взаимодействия бора с нейтроном, длится около десятибиллионной доли секунды (10-13 с).

Современные приборы позволяют прямыми методами измерять промежутки времени около 10-13 с. Более короткие промежутки, в течение которых протекают некоторые ядерные процессы, были получены на основе наблюдения косвенных признаков и теоретических расчетов. Так, в 1950-х гг. была открыта целая группа относительно тяжелых и чрезвычайно короткоживущих частиц - резонансов. Их открытие связано с разработкой специальной измерительной техники — пузырьковой камеры, представляющей собой сосуд со смотровыми окнами, заполненный жидким водородом. Пролетая через такую камеру, заряженная частица создает на своем пути цепь пузырьков газообразного водорода - видимый след, который можно наблюдать и фотографировать. Среднее время жизни резонансов оказалось настолько малым, что определить его можно было только с помощью расчетов, — около 10-22 —10-24 с.

Исчисление лет и исторических эпох

Естественные единицы времени, с которыми человек постоянно сталкивается в повседневной жизни, - день и год. Они опираются на изменения, происходящие в окружающем мире, и связаны с вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Еще одной привычной величиной является лунный месяц, который связан с отсчетом фаз Луны. Попытки объединить эти системы отсчета привели человечество к созданию календаря - системы счисления длительных промежутков времени, основанной на периодичности видимых движений небесных тел и устанавливающей порядок для отсчета дней в году. Если бы между длительностью суток и длительностью года, т.е. временем обращения Земли вокруг своей оси, Луны вокруг Земли и временем обращения Земли вокруг Солнца, существовало простое отношение, то счет дней в месяце и году не представлял бы большого труда. Однако с погрешностью до 0,1 с длительность так называемого тропического года (промежутка времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия) составляет 365 суток 5 ч 48 мин 46,1 с, или 365,2422 дня, а длительность лунного синодического месяца (периода смены лунных фаз) - 29,5306 дня.

Считается, что более или менее регулярный счет времени связан с развитием земледелия, скотоводства и мореплавания [8]. Первые требования к счету времени и методы его измерения были достаточно простыми: славяне и другие земледельческие народы устанавливали продолжительность года как промежуток от одной жатвы до другой; индейцы Америки отмеряли год по появлению снега, австралийцы - по наступлению периода дождей и т.д.

Развитие оросительного земледелия, возникновение государств, рост городов и расширение торговых связей потребовали улучшения и уточнения счета времени. Тогда появились лунные календари. По-видимому, один из первых лунных календарей был введен около 4000 лет назад в Древнем Вавилоне. Многие древние государства прошли через использование лунного календаря. В ряде мусульманских стран до настоящего времени пользуются лунным календарем, где начало календарных месяцев соответствует моментам новолуний. Лунный месяц (синодический) составляет 29 суток 12 ч 44 мин 2,9 с, а 12 таких месяцев дают лунный год продолжительностью 354 суток, т.е. на 11 суток короче тропического года.

В VI в. до н.э. в Китае и V в. до н.э. в Греции было обнаружено, что каждые 19 солнечных лет новолуние совпадает с летним солнцестоянием. Это позволило перейти к лунно-солнечному календарю. В ряде стран Юго-Восточной Азии, Иране, Израиле и поныне действуют разновидности лунно-солнечного календаря, в котором смена фаз Луны согласуется с началом астрономического года. В таких календарях важную роль играет Метонов цикл, названный в честь древнегреческого ученого Метона, - период в 19 солнечных лет, равный 235 лунным месяцам (6940 суток).

В I в. до н.э. римский император Юлий Цезарь приказал упорядочить календарь. По предложению египетского астронома Созигена в Древнем Риме был принят солнечный календарь — юлианский. Для ровного счета в этом календаре три года считались содержащими по 365 дней, а каждый четвертый - 366 дней. Счет дней по юлианскому календарю называют старым стилем. В юлианском календаре средняя длительность года в интервале 4 лет составляла 365,25 суток, что на 11 мин 14 с длиннее тропического года. Это дает погрешность 3 дня в 400 лет.

В настоящее время наиболее распространен солнечный григорианский календарь, введенный папой Григорием XIII в 1582 г. (новый стиль). В нем считаются високосными не 100 из 400 лет, как в юлианском календаре, а лишь 97 из 400. Поэтому длительность года в григорианском календаре в среднем равна 365,2425 суток, что лишь на 26 с превышает тропический год. В России григорианский календарь введен с 14 февраля 1918 г. Различие между старым и новым стилями в XVIII в. составляло 11 суток, в XIX в. - 12 суток и в XX в. - 13 суток.

Вопрос об улучшении календаря поднимался неоднократно (М. Мастрофини, 1834; О. Конт, 1849; Г. Армелин, 1888, и т.д.). В 1923 г. в Женеве при Лиге Наций был образован Международный комитет по реформе календаря. За время своего существования Комитет рассмотрел и опубликовал несколько сот проектов. В 1954 и 1956 гг. проекты нового календаря обсуждались на сессиях Экономического и Социального советов ООН, однако принятие окончательного решения было отложено. В настоящее время одним из наиболее подходящих считается календарь, в котором год состоит из 12 месяцев и делится на 4 квартала, содержащих по 91 дню, или 13 недель. В каждом квартале первый месяц имеет 31 день, а два последующих по 30 дней. Первое число нового года всегда соответствует одному и тому же дню недели - воскресенью; каждый квартал начинается с воскресенья и завершается субботой. В каждом месяце по 26 рабочих дней. Так как этот календарный год содержит 364 дня, то периодически вставляются вненедельные праздничные дни, например после 30 декабря, а один раз в четыре года - еще и после 30 июня.

Еще одной проблемой, связанной с оценкой времени, был и остается до настоящего времени выбор точки отсчета времени, который в разные эпохи основывался на различных соображениях. Так, богословы неоднократно предлагали «мировые эры», где за начало отсчета принималось «сотворение мира»; всего таких эр было придумано около 200. В самой длинной из них «сотворение мира» относилось к 6984 г. до нашего летосчисления, в самой короткой - к 3483 г. до нашего летосчисления.

Особое место занимает древнеиндийское летосчисление. В его основе лежит год, состоящий из 360 дней, выделяются зоны (или кальпы) длительностью 4,32 млрд лет - один день в жизни Брахмы. Каждый зон делится на 1000 махаюг по 4,32 млн лет. Последняя махаюга состоит из четырех периодов: деваюги - царства богов, или золотого века, третаюги — серебряного века, дванариюги - медного века, калиюги - железного века, века греха, в котором живем мы.

В настоящее время получила распространение христианская эра, в которой точкой отсчета является Рождество Христово. Эта эра была введена на основании расчетов, сделанных римским монахом Дионисием Малым в 525 г. от Рождества Христова. В России вплоть до XVIII в. была в ходу византийская эра от «сотворения мира». Петр I своим указом ввел эру от Рождества Христова, и 1 января 7208 г. византийской эры было приказано считать 1 января 1700 г. от Рождества Христова. К XIX в. счет от Рождества Христова был введен во всех христианских странах. В исламских странах точкой отсчета считается «хиджра» - год бегства пророка Мохаммеда из Мекки в Медину. Эта эра была введена халифом Омаром в 634—644 гг. Хиджра была отнесена Омаром к 622 г. Самой поздней была введенная во Франции «эра республики», отсчет в которой велся от дня провозглашения республики 22 сентября 1792 г. Этот календарь был отменен Наполеоном, восстановлен во время Парижской коммуны и перестал действовать после ее гибели.

Еще большие, чем годы и десятилетия, отрезки времени требуются для изучения прошлого человечества, возникновения, развития и гибели древних культур, без чего нельзя понять современное состояние общества и перспективы его развития. По археологическим находкам (орудия труда, предметы домашнего обихода, вооружение и т.д.) можно многое узнать о жизни людей многие тысячи лет назад, о связях между древними народами. Установить даты помогают исторические памятники и древние хроники, содержащие записи различных событий (войн и стихийных бедствий, смены правителей и династий и т.д.). Иногда одно и то же событие отмечает несколько независимых источников или само событие таково, что позволяет точно определить время, когда оно произошло. Например, из древней китайской летописи известно о двух астрономах, которые в 2200 г. до н.э. не предсказали своевременно затмения Солнца и за это лишились голов. Сопоставление летописи и результатов современных вычислений затмения дает точную дату событий. Древнейшие памятники письменности позволяют проследить события шумерской и египетской цивилизаций давностью до 4—5 тыс. лет.

Геологические интервалы времени

Один из методов оценки времени связан с определением скорости накопления отложений. Так, в Испании была открыта пещера, которая в течение долгого времени служила обиталищем то для людей, то для зверей. Они жили в ней, умирали, а земля, слой за слоем, прикрывала их останки. В общей сложности в этой пещере образовались отложения мощностью 13,5 м, состоящие из многих слоев. В верхнем слое на небольшой глубине были обнаружены треугольные кинжалы из бронзы, в следующем слое - кости северного оленя и изготовленные из кости резцы, далее – каменные ножи и сверла, затем - кости носорога и пещерного медведя, а на самом дне пещеры были найдены грубо выделанные каменные топоры и скребки. Была подсчитана скорость осадконакопления и сопоставлена с данными, полученными другими методами. Это позволило подробно изучить историю пещеры приблизительно за 50 тыс. лет.

Из других методов изучения длительных процессов особый интерес представляет оценка возраста горных сооружений. Пусть гора возвышается примерно на 2000 м и в основании имеет около 2000 м. Простой расчет объема такого гигантского конуса показывает, что он состоит примерно из 2·109 м3 горной породы. Дождь, лед и ветер и т.п. постепенно разрушают горы. В среднем от каждого 1 м2 породы в год отламывается обломок объемом несколько кубических сантиметров. Следовательно, за один год со всей горы осыплется примерно 103 м3 породы. Через миллион лет половина горы должна разрушиться. Так как при этом склоны станут менее крутыми, то скорость разрушения снизится и жизнь горы будет длиться несколько миллионов лет.

Скорость разрушения континентов можно рассчитать, проанализировав количество наносов (измельченной горной породы, песка и почвы), которое выносится реками в моря. Можно измерить количество наносов, увлекаемое дождями и переносимое реками в моря за год. Если равномерно распределить это количество по всей площади, с которой его собирает вода, текущая в реках, то получится слой толщиной около 1/300 см. За миллион лет это даст слой толщиной 30 м. Поскольку уносимая реками порода не поступает равномерно отовсюду, а только с тех участков, где есть уклон, то за миллион лет должны быть уничтожены неровности земной поверхности высотой много сотен метров. Следовательно, горы и холмы могли быть разрушены за несколько десятков миллионов лет, но этого не произошло из-за влияния внутренних (эндогенных) сил на формирование земной поверхности.

Возможность отсчета времени дают методы измерения времени по годичным кольцам деревьев (эта шкала времени простирается до нескольких тысяч лет); по отложениям ленточных глин, песка, солей; по изменениям намагниченности горных пород и т.д.; по смене различных форм жизни. Последний метод основан на том факте, что на протяжении тысячелетий и миллионов лет одни виды растений и животных сменяли другие. Большинство из них, пережив период расцвета и широкого распространения, погибало и уступало место другим. Изучив последовательность, в которой происходила смена одних видов другими, и оценив продолжительность существования каждого из них, можно составить шкалу времени. Такие «часы» основаны на сопоставлении различных событий между собой и, следовательно, показывают относительное время.

В начале XX в. для отсчета больших промежутков времени были разработаны «радиоактивные часы», которые позволяют определять с приемлемой точностью абсолютный возраст различных объектов - археологических находок, горных пород и др. - в отличие от методов относительной хронологии, когда возраст объекта определяется из сопоставления его с возрастом других объектов, например остатков спор и пыльцы растений, раковин различных типов и т.д.

«Радиоактивными часами» называют группу методов, в которых явление радиоактивного распада ядер различных изотопов используется для определения больших промежутков времени. Исследования радиоактивных веществ показали, что скорость их распада постоянна, например период полураспада висмута-212 равен 60,5 мин, урана-238 - 4,5 млрд лет, а углерода-14 - 5730 годам. Поэтому процесс радиоактивного распада может быть использован для отсчета промежутков времени, причем для измерения интервалов времени имеется достаточно широкий выбор изотопов.

Принцип измерения больших промежутков времени с помощью радиоактивных часов очень прост и в какой-то мере подобен принципу работы огненных часов, широко использовавшихся в Древнем Китае. В огненных часах специальным образом приготовленная палочка горит с постоянной и заранее известной скоростью. Зная ее начальную длину, скорость сгорания и измерив длину несгоревшей части, можно определить, сколько времени прошло от того момента, когда палочка была зажжена. Конечно, аналогия не полная, однако принцип «радиоактивных часов» именно таков.

С их помощью был установлен возраст старейших горных пород, найденных на Земле, — 3,8 млрд лет. Очевидно, что сама Земля старше, но из-за неоднократного преобразования земной поверхности нельзя найти более старые горные породы. Результаты изучения содержания радиоактивных веществ и продуктов их распада в первичном метеоритном материале позволили сделать заключение, что Земля существует около 4,6 млрд лет. Старейшие следы жизни насчитывают более 1 млрд лет -тогда существовали примитивные бактерии. Водоросли и губки имеют возраст около 600 млн лет. Обнаружены окаменелости рыб и моллюсков, живших 300 млн лет назад. Пресмыкающиеся появились примерно 275 млн лет назад. Им предшествовало появление около 400 млн лет назад деревьев и цветов. Млекопитающие развились только 150 млн лет назад, а человеческая линия эволюции выделилась около 5 млн лет назад.

Космические интервалы времени

Рассмотрим методы оценки возраста звезд, галактик, Вселенной. Возраст Солнца и других звезд можно определить с помощью энергетического подхода. Подсчитав запас энергии в звезде и измерив скорость, с которой она расходует энергию, оценивают длительность ее существования. Если определить, какую часть своего запаса энергии звезда уже израсходовала, то можно сказать и сколько времени она уже существует, и сколько ей осталось существовать.

Энергия Солнца и многих других звезд - результат ядерных реакций синтеза гелия из водорода. Следовательно, для того чтобы определить возраст Солнца и звезд, нужно измерить относительное содержание водорода и гелия. Состав того или иного небесного тела определяют методом спектрального анализа, который основан на том, что каждое вещество, в том числе и в смеси нескольких веществ, можно отличить от всех остальных по относительной яркости отдельных свойственных каждому веществу линий спектра. По составу света, излучаемого небесными телами, с помощью спектрального анализа определяется химический состав звезд. Так, по данным А.Б. Северного, Солнце содержит 38% водорода, 59% гелия, остальных элементов лишь 3%. В 1960 г. на основании данных о массе, светимости и составе Солнца, а также детальных расчетов предполагаемой его эволюции Д. Ламбер получил возраст Солнца 12 млрд лет (12·109 лет). По современным оценкам, запасов водородного «горючего» в Солнце хватит не менее чем на 10 млрд лет.

Солнце является рядовой звездой нашей Галактики, которая медленно вращается вокруг собственного центра. Угловая скорость вращения Галактики убывает от ее центра к периферии так, что период обращения в районе Солнца составляет, по разным оценкам, 215 - 275 млн лет. Этот период обычно называют галактическим годом. Очевидно, что возраст Галактики следует определять по самым старым звездам из входящих в нее. В 1961 г., исследуя ряд наиболее старых звезд, американский астроном Х.К. Арп для старейшего рассеянного скопления получил возраст 16·109 лет, а возраст одного из старейших шаровых скоплений оказался равным даже 20·109 лет. По оценкам английского астрофизика Ф. Хойла и др., возраст некоторых близких к Солнцу звезд составляет (10-15)109 лет. В настоящее время возраст Галактики удалось определить и другими методами.

Для оценки возраста Вселенной есть несколько подходов, например использующий определение возраста тяжелых элементов (элементов тяжелее свинца - тория, урана и т.п.). Дело в том, что в настоящее время ни на Земле, ни на Солнце нет условий для их образования, но эти вещества существуют и с течением времени количество их убывает в результате радиоактивного распада. Значит, когда-то они образовались.

Г.А. Гамов и другие выдвинули следующую гипотезу образования тяжелых элементов. Изначально существовало грандиозное скопление правещества - илема, в недрах которого произошел взрыв, в результате чего развились огромные температура и давление. При этом очень бурно протекали ядерные реакции, которые привели к синтезу различных элементов, в том числе и тяжелых. Взрыв был кратковременным, поэтому вызванное им быстрое расширение скопления привело к охлаждению вещества. Таким образом, синтез элементов был прерван и полученный состав вещества зафиксирован.

По другой гипотезе (Дж. Бербидж и др.), образование различных элементов происходит в недрах некоторых звезд. Тяжелые элементы образуются при температуре несколько миллиардов градусов и плотности, доходящей до 10" г/см3 . Такая высокая температура и плотность создаются в недрах сверхновых звезд при их катастрофическом сжатии и последующем взрыве. Во время вспышки сверхновая звезда производит тяжелые элементы и разбрасывает их во все стороны (Солнечная система в свое время получила некоторую порцию этих тяжелых элементов). В Галактике вспышки сверхновых звезд происходят приблизительно один раз в 100 лет. Таким образом, Солнце и Солнечная система при своем зарождении и формировании могли получить тяжелые элементы от одной или нескольких сверхновых звезд. Определение возраста тяжелых элементов сводится к нахождению промежутка времени, отделяющего нас от данных космических событий. Расчеты по соотношению изотопов урана, тория, рения, осмия дали значения от 7,1 · 109 до 8,2 · 109 лет. Однако этот промежуток времени еще не является возрастом Вселенной. Ведь до того, как та или иная звезда вспыхнула как сверхновая, произвела тяжелые элементы и выбросила их в космос, в частности и в ту его область, где формировалась Солнечная система, должна была образоваться и пройти некоторый путь развития сама сверхновая звезда. Учет этих и некоторых других обстоятельств дал основания Д. Шрамму предположить, что возраст Вселенной от 7 млрд до 15 млрд лет, а наиболее вероятное его значение - около 10 млрд лет.

Другой метод оценки возраста Вселенной связан с обнаружением эффекта «разбегания» галактик, который мы рассматривали в § 5.3. Все небесные тела имеют собственные движения, причем все они движутся в направлении «от нас» и, чем дальше от Земли они находятся, тем больше их скорость. Из факта «разбегания» галактик не следует, что Солнечная система занимает особое положение. Если на воздушный шарик нанести метки, а затем его раздувать, то расстояние между каждой меткой и всеми остальными будет увеличиваться, и это справедливо для любой метки. Аналогично: видимое с Земли «разбегание» галактик следует интерпретировать как общее расширение Вселенной.

Исследуя движение удаленных галактик, американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил, что их скорость пропорциональна расстоянию от Земли: v = Н r , где v - скорость движения космического тела; r его расстояние от Земли; H постоянная Хаббла, Эта формула, называемая законом Хаббла, позволяет сделать вывод, что некогда Вселенная имела очень малый объем и соответственно сверхвысокую плотность, а также определить промежуток времени, который отделяет нас от этого состояния Вселенной. Расчеты дают возраст Вселенной 18 млрд лет. Под действием гравитационных сил темп расширения постепенно уменьшается, поэтому можно уточнить возраст Вселенной - около 9-10 млрд лет.

Оценкам возраста Вселенной помогло еще одно открытие. Во второй половине XX в. было обнаружено реликтовое излучение, имеющее температуру около 3 К (примерно -270 °С) и идущее к нам с разных сторон приблизительно с одинаковой интенсивностью. Связано это с тем, что на определенном этапе существования сверхплотной горячей Вселенной - при ее расширении — произошел «отрыв» электромагнитного излучения от ее горячего ядра и началось «путешествие» этого излучения по расширяющейся Вселенной. Согласно расчетам, для того чтобы температура реликтового излучения снизилась от начальной до наблюдаемой ныне и соответствующей 2,7 К, должно было пройти около 10 млрд лет.

В последние годы был разработан еще один метод определения возраста Вселенной, основанный на изучении шаровых звездных скоплений. Предполагается, что все звезды некоторого шарового скопления находятся приблизительно на одинаковом расстоянии, образовались из одного и того же материала и примерно в одно и то же время. Методом спектрального анализа определяется расстояние, находятся светимость и масса звезд скопления. Это дает возможность определить, на каком этапе своего развития находится большинство звезд шарового скопления, следовательно, найти его средний возраст. И. Ибен и Р. Руд показали, что возраст шаровых скоплений составляет 13±3 млрд лет. Если они образовались в течение 1 млрд лет после начала развития Вселенной, то от этого события нас отделяет около 14 млрд лет.

Сравним результаты, которые дают рассмотренные методы определения возраста Вселенной. Оценка по скорости расширения Вселенной дает около 18 млрд лет; оценка по возрасту тяжелых элементов с учетом периода образования Солнечной системы и периода образования сверхновых звезд — около 10 млрд лет; по длительности существования реликтового излучения — около 10 млрд лет; по длительности существования шаровых звездных скоплений с учетом периода их образования – около 14 млрд лет. Если учесть сложность задачи и то, что они найдены различными методами, можно считать степень их совпадения вполне удовлетворительной. Итак, по современным данным естествознания, возраст Вселенной составляет 10-18 млрд лет, а его наиболее вероятное значение - 13-15 млрд лет.

Таким образом, окружающий мир имеет не только сложную пространственную иерархию, в нем протекает большое количество процессов, оцениваемых разными интервалами времени - от времени существования резонансов до возраста Вселенной. На рис. 5.10 приведена «лестница времен», где величины, которыми мы оценивали время, расположены в порядке их возрастания.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Как изменялись взгляды на то, что такое пространство и время? С чем это связано?

2. В чем суть субстанциальной и реляционной концепций пространства и времени?

3. Как вы понимаете биологическое и психологическое пространство и время?

4. Как трактовал И. Ньютон пространство и время?

5. Что такое мерность? Какова мерность пространства и какова мерность времени?

6. Что такое симметрия? Как выражаются симметрия и асимметрия в природе?

7. Обратимы или нет пространство и время? Обоснуйте свой ответ.

8. Какие геометрические способы описания пространства вы знаете? В чем состоит их различие?

9. Какие методы оценки размеров микрообъектов вы знаете?

10.Как можно оценить расстояния в пределах Земли и Солнечной системы?

11.Какие методы оценки межзвездных и межгалактических пространств вы знаете?

12.Каковы границы познаваемой нами Вселенной на современном уровне естествознания? С чем они связаны?

13.Какие методы оценки малых интервалов времени вы знаете?

14.Как исчисляются годы и исторические эпохи?

15.Как оценить геологические и космические интервалы времени?

16.Каков возраст Вселенной, которую мы наблюдаем? На основании чего делается заключение о ее возрасте?

ЛИТЕРАТУРА

1. Ахундов М.Д. Концепции пространства и времени: истоки, эволюции, перспективы. М., 1982.

2. Битюцкая Л.А., Еремин B.C., Чесноков О.Б., Дементьева О.Б. Естествознание. М., 1999.

3. Вайскопф В. Наука и удивительное. Как человек понимает природу. М,

1965.

4. Вернадский В.И. Размышления натуралиста. Пространство и время в неживой и живой природе. М., 1975.

5. Время и возраст рельефа /Отв. ред. H.A. Логачев, Д.А. Тимофеев, Г.Ф. Уфимцев. Новосибирск, 1994.

6. Грюнбаум А. Философские проблемы пространства и времени. М., 1969.

7. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск, 1997.

8. Завельский Ф.С. Время и его измерение. М., 1987.

9. Зимов С.А. Азбука рисунков природы. М., 1993.

10.История и методология естественных наук. М., 1963. Вып. 2.

11.Конструкции времени в естествознании: на пути к пониманию феномена времени. Ч. 1. Междисциплинарные исследования / Под ред. Б.В. Гнеденко. М., 1996.

12.Концепции современного естествознания / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. М., 1997.

13.Молчанов Ю.Б. Проблема времени в современной науке. М., 1990.

14.Мостпепаненко A . M . Пространство-время и физическое познание. М., 1975.

15.Мэрион Дж.Б. Физика и физический мир. М., 1975.

16.Пуанкаре А. О науке. М., 1983.

17.Райхенбах Г. Философия пространства и времени. М., 1985.

18.Урманцев Ю.А. Симметрия природы и природа симметрии. М., 1974.

19.Философские проблемы естествознания. М., 1985.

20.Шафрановский И.И. Симметрия в природе. Л., 1985.

21.Штейнман Р.Я. Пространство и время. М., 1962.

22.Шубников A.B., Копцик В.А. Симметрия в природе и искусстве. М., 1972.

23.Эйнштейн А. Эволюция физики. М., 2001.

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  155  156  157   ..