Беломестных В.Н., Теслева Е.П., Чинахов Д.А. Основы современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

мем прошлое столетие. В начале 20-го века был теплый период. С 1941

г. начался холодный, который продлился до 1970 г. Абсолютный мини-

мум в Томской области (Первомайский район) зафиксирован в январе

1931 года: –58градусов. Бывали и другие “холодные” рекорды в наших

краях: в июне 1961 года –4 градуса. В 80-х годах пошел теплый период.

24 января

2002 года в Москве зафиксирована температура +3,5°C, кото-

рой никогда не было (это означает только то, что её не было за тот пе-

риод, когда она фиксировалась). Сейчас теплый период заканчивается, и

мы вступим в холодный ритм. Между тем в среднесрочных прогнозах

отдается предпочтение общему потеплению. Так, например, по расче-

там специалистов

снежная “шапка” вблизи экватора – Килиманджаро,

воспетая Хемингуэем и в Голливуде, в связи с глобальным потеплением

климата, полностью растает к 2020 году. Однако механика природных

циклов наукой ещё не разгадана. Многие связывают все земные дела с

солнечной активностью, достигшей в настоящее время максимума. По-

следующий спад солнечной активности обещает более спокойный фон

земных

процессов. В месте с тем не стоит слишком-то доверять долго-

срочным прогнозам: они сбываются лишь процентов на 50.

7.9. Удивительная способность к жизни. Ученые единственного

в мире Тюменского института криосферы Земли сделали сенсационное

открытие. В Якутии в мерзлых породах (“вечная мерзлота”) биологи

обнаружили простейшие живые организмы: бактерии, водоросли, гри-

бы,

возраст которых 2,8 миллиона лет. Привезли в лабораторию, ото-

грели – они живут. Лучше изучать “гостей” из далекого прошлого сей-

час в лабораториях, чем дожидаться, когда при очередном периоде по-

тепления эти бактерии оттают и, не дай бог, окажутся опасными.

7.10. Полная совместимость с кожей. Прошла информация о

том, что создан материал, полностью

совместимый с кожей человека.

Это достижение существенно дополняет группу титановых соединений,

широко используемых сейчас в качестве материалов с памятью формы.

7.11. Вверх на “С

– лифте”. В микроэлектронике усиленно об-

суждаются свежие результаты исследований, связанных с легированием

молекулами CHBr

и CHCl

модифицировавших структуру С

и по-

зволившем достичь перехода этих комплексов в сверхпроводящее со-

стояние при Тс = 117 К(!) благодаря включению их в транзистор с

управляемым полем и инжектированию в них носителей при изменении

напряжения, приложенного поперек транзистора.

Лекция №2. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В КОНТЕКСТЕ

ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ

Не то, что мните вы, природа!

Не слепок, не бездушный лик:

В ней есть душа, в ней есть свобода,

В ней есть любовь, в ней есть язык.

Ф. Тютчев.

Раздел науки, изучающий природную среду и человека как биоло-

гическое существо, получил название естествознания. Естествознание

в современном понимании – совокупность наук о природе, взятых в их

взаимосвязи, как целое.

Во все времена естествоиспытатели пытались выяснить сущность

явлений природы, их законы, и на этой основе предсказывать новые яв-

ления. Это – познавательная сторона

естествознания. Но не менее важна

и прикладная сторона: на основе знания явлений природы, умения их

предсказывать и описывать человек может раскрыть возможность ис-

пользования на практике познанных законов, сил и веществ.

Познание законов природы и создание на этой основе картины

мира – непосредственная, ближайшая цель естествознания. Содей-

ствие практическому использованию этих законов

– конечная зада-

ча.

Все науки о природе основываются на наблюдении или экспери-

менте. Сначала происходит накопление фактов. Затем возникает необ-

ходимость их первичной систематизации. Это эмпирический уровень

исследования.

Затем факты необходимо объяснить, полученные результаты

обобщить. Возникают новые гипотезы, открываются новые закономер-

ности и законы, высказываются предсказания, делается прогнозирова-

ние. Это

теоретический уровень исследования. Два уровня естество-

знания взаимосвязаны и обусловливают друг друга. Наука стала осно-

вой развития человеческого общества с XVII в.

В течение тысячелетий существовала одна наука о природе и обще-

стве – натурфилософия. Самостоятельные науки возникли не так давно.

Природа едина. Разделение естествознания на самостоятельные науки

связано с выделением предметных специфических

областей. Наука ро-

ждена материальной и духовной культурой, является ее неотъемлемой

частью и непосредственно связана с экономическим развитием общест-

ва (зависит от него в ближайшей и определяет в дальнейшей перспекти-

ве).

Естествознание может быть искусственно разделено на органиче-

ское и неорганическое, так как природа может рассматриваться (в неко-

ем приближении) как живая и неживая. Тогда мы можем представить

естествознание как цепочку:

ФИЗИКА→ХИМИЯ→НЕОРГАНИЧЕСКАЯ (неживая природа)

↓

ОРГАНИЧЕСКАЯ (живая природа)→БИОЛОГИЯ.

Этот же принцип может быть положен в основу рассмотрения раз-

ных по масштабу явлений природы, например:

АСТРОНОМИЯ→ГЕОЛОГИЯ→ГЕОГРАФИЯ→БИОЛОГИЯ.

Пограничные области знаний наиболее интенсивно развиваются

(физическая химия, химическая физика, биофизика, физика белка, аст-

рофизика, химия и физика планет и т. п.).

Физика, химия, геология и биология относятся к фундамен-

тальным отраслям современного естествознания и образуют

стержень классификации естественных наук (

рис.3).

Рис.3. Классификация наук

В наше время естествознание имеет три главных направления: изу-

чение очень большого, изучение очень малого, изучение очень сложно-

го.

Изучением очень большого занимается астрономия. Это и огром-

ные расстояния, и продолжительные отрезки времени. Изучением очень

малого занимается физика. Атомы, их строение, взаимодействие, более

мелкие структурные единицы материи – сложнейшие объекты исследо-

наука

гуманитарные

науки

естественные

науки

Философия

математика

технические

науки

ваний. Область очень сложного принадлежит биологии. Как из химиче-

ских элементов, атомов возникает живой организм, мысль, где связь

живого и мира атомов, каково влияние Космоса?

Естественные науки – вместе с науками о человеке и обществе, ис-

кусством, литературой – являются составными частями общечеловече-

ской культуры.

Известны литературные произведения, которые являются одновре-

менно явлениями

и литературы, и естественной науки. Примеры тому –

диалоги древнегреческого философа-идеалиста Платона (428/27 –

348/47 гг. до н.э.), поэма “О природе вещей” Тита Лукреция Кара (1 век

до н.э.), “Естественная история” Ж. Бюффона (1707 – 1788), произведе-

ния М.В. Ломоносова (1711 – 1765).

Гуманитарные науки, искусство, литература, религия сильно влия-

ют на формирование мировоззрения естествоиспытателей. Особенно

ярко

это проявляется в трудах И. Кеплера (1571 – 1630), Т. Браге (1546 –

1601), Г. Галилея (1564 – 1642) и других. А. Эйнштейн (1880 – 1952) пи-

сал: “Музыка и исследовательская работа в области физики различны по

происхождению, но связаны между собой единством цели – стремлени-

ем выразить неизвестное. Их реакции различны, но они дополняют друг

друга” (сам Эйнштейн играл на скрипке).

Соотношение

между сферами науки (о природе, человеке, общест-

ве), искусства и религии, то, что мы называем культурой и жизнью, ил-

люстрирует рис. 4.

Жизнь, к сожалению, протекает не только в рамках культуры. Об-

ласть науки рациональна. Сфера искусства опирается на эмоциональное

восприятие мира. Существует понятие интуиции, умения предсказы-

вать, основываясь на неуловимых

деталях. Интуиция больше всего про-

является у профессионалов. Выдающийся советский авиаконструктор

А.Н. Туполев по внешнему виду самолета говорил, полетит тот или нет.

Объяснение было простым: он мне не нравится.

Одним из критериев истинности научной теории и эксперимента

является их внутренняя стройность, гармония, цельность, красота дока-

зательства, оригинальность постановки опыта, изящность

Одной из ведущих естественных наук является физика. Она изучает

самые элементарные явления природы и работает с моделями, упро-

щенно описывающими изучаемые явления (материальная точка, абсо-

лютно твердое тело, идеальный газ, сплошная среда и др.). История

науки показывает движение к более глубокому пониманию природы, но

не к полному ее объяснению. Природа

всегда сложнее и неожиданнее

любого объяснения. Никогда мы не можем утверждать, что достигли

полного понимания природы.

Культура

Рациональное мышление Образное мышление

Гуманитарные науки Искусство

Естествознание Литература

Религия

ЖИЗНЬ

Рис.4. Соотношение между различными сферами культуры

В ряде случаев законы природы противоречат нашему обыденному

опыту и не укладываются в рамки здравого смысла (корпускулярно –

волновая природа света, изменение массы m при изменении скорости υ

тела m =

−

, где m

– масса покоя, с – скорость света в вакууме

(

см103

⋅ ); изменение хода времени Δt в движущейся систе-

ме

Δ=

−

, где Δt

– промежуток времени, измеренный покоящи-

мися часами, законы микромира).

Любая новая физическая модель не должна противоречить ряду ос-

новных принципов:

1. Преемственность (специальная теория относительности (СТО)

Эйнштейна содержит в себе принцип относительности Галилея; преоб-

разования Лоренца обобщают классический закон сложения скоростей и

преобразования Галилея).

2. Подтверждение результатов теоретических расчетов и моделей

экспериментом. Только эксперимент является последним критерием

верности либо ошибочности модели, теории. Так СТО Эйнштейна стала

инженерной наукой (ускорители заряженных частиц).

При исследовании природы приходится иметь дело с измерением

физических величин. Под физической величиной понимается особен-

ность, свойство, общее в качественном отношении многим физическим

явлениям, объектам, физическим системам, их состояния и

т. п., но в

количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Примеры: масса, плотность, интервал времени, вязкость, скорость дви-

жения, давление, концентрация, расстояние и т.д.

Измерение – это последовательность экспериментальных и вы-

числительных операций, осуществляемая с целью нахождения зна-

чения физической величины, характеризующей некоторый объект

или явление.

Измерение завершается определением степени приближения най-

денного значения к

истинному, не известному ранее значению величи-

ны. Чем точнее измерение, тем ближе эти два значения. Измерение яв-

ляется, наряду с наблюдением, основным средством объективного, не

зависящего от человека познания окружающего мира. На сколько дале-

ко измеренное значение лежит от истинного, определяется погрешно-

стью измерений. Измерения бывают прямые (непосредственные изме-

рения

физической величины) и косвенные (определение по формуле

или “опосредованно”, допустим “мерный стакан”).

Используемая в настоящее время система СИ (система интерна-

циональная) базируется на 7 основных единицах измерения – м (метр),

кг (килограмм), с (секунда), К (кельвин), А (ампер), моль, кд (кандела).

Вопрос выбора основных единиц измерения – это вопрос соглашения

мирового сообщества в

условиях сложившегося рынка товаров и услуг.

Существует проблема точности определения физической величи-

ны воспроизведения эталона. Первоначально метр был определен как

1/10000 доля расстояния от Северного полюса до экватора по меридиа-

ну, проходившему через Париж. В 1983г.: “метр – длина пути, проходи-

мого светом в вакууме за 1/2999792458 долю секунды”. За стандарт

времени в

1900 г. были выбраны средние солнечные сутки. В наше вре-

мя созданы системы “часов”, убегающие на 1с за 1млн лет.

Температура, как физическая величина, оставалась непонятной до

начала XVIII века. Даже сегодня, пользуясь термометром, далеко не все

могут сказать, что они измеряют. Проще с давлением: р=F/S, F – сила

(нормальная), S – площадь. Температура – характеристика весьма

рас-

плывчатая (понятие “тепло” и “холодно” субъективны, зависят от со-

стояния человека). Принято считать, что Галилей в 1592 г предложил

воздушный термометр. В 1632г английский биолог Д. Рей предложил

жидкостный термометр. Первую температурную шкалу создал Р. Гук. В

1709 – 1714 гг немецкий физик Г.Д. Фаренгейт изготовил наиболее точ-

ные для того времени

спиртовой и ртутный термометры. По шкале Фа-

ренгейта одной из фиксированных точек была температура тела челове-

ка (96 градусов), а второй – температура таяния льда (32 градуса). Шка-

ла Фаренгейта действует в ряде стран, в том числе в США.

В 1730 г французский естествоиспытатель Р.А. Реомюр создал тем-

пературную шкалу, в которой за начало отсчета выбрана температура

таяния льда. При изменении температуры на 1°, объем спирта менялся

на 0,1%. Точка кипения воды приходится в этой шкале на 80 градусов.

Таблица 1

Сопоставление температурных шкал

Реперная точка

Шкала

Цельсия,

°С

Шкала Фа-

ренгейта,

°F

Абсолютная

шкала темпе-

ратур, К

Тройная точка воды (рав-

новесие льда, воды и водя-

ного пара при нормальном

давлении 760 мм. рт. ст.)

0 32 273,15

Температура кипения воды 100 212 373,15

Абсолютный нуль темпе-

ратуры

–273,15 –459 0

Шведский астроном и физик А. Цельсий предложил в 1742 г за

нуль температурной шкалы принять точку кипения воды при нормаль-

ном давлении, а за 100 – точку таяния льда. Шведский естествоиспыта-

тель К. Линней переставил точки 0 – 100 по шкале Цельсия. И сегодня

мы используем эту шкалу в своей обыденной жизни. 1°Ф=5/9°С,

С=32

F, 100

С=212

В 1927г В. Гейзенберг (один из создателей квантовой механики,

лауреат Нобелевской премии 1932 г.) сформулировал принцип неопре-

деленности, утверждающий, что любая физическая система не может

находиться в состояниях, в которых координаты ее центра масс x и им-

пульса p

принимают одновременно вполне определенные точные зна-

чения:

h≥Δ⋅Δ xp

или

Е⋅

t≥h ,

, где h – постоянная Планка, Е

– энергия частицы (квазичастицы), t – время её рождения.

Чем точнее, допустим, энергия фотона, тем с меньшей точностью

можно одновременно судить о времени, когда он был испущен. Прин-

цип неопределенности ограничивает применение к микрообъектам

классических понятий и представлений и характеризует естественный

предел точности измерений.

Лекция №3. МЕТОДЫ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ, ВСЕОБЩНОСТЬ

ЕГО ЗАКОНОВ. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД

Изучение и наблюдение природы породило науку

Цицерон

Природа есть сложная система, сложный организм, где все свя-

зано со всем. По выражению современного философа К. Ясперса, “су-

ществуют отдельные науки, а не наука вообще как наука о действитель-

ном, однако каждая из них входит в мир беспредельный, но все-таки

единый в калейдоскопе связей”. Аналитический метод и выделение

ка-

кой-то стороны предмета или явления – наиболее критикуемые стороны

научного метода познания. Наука с самого начала стала отвлекаться от

вопросов “почему?” и вопросов общего характера, занявшись исследо-

ванием “как” все происходит. Путь аналитического естествознания, за-

данный Ньютоном, превратил общие соображения в четко поставлен-

ную математическую задачу, и он,

не вдаваясь в выяснение физической

природы тяготения, решил ее разработанным им же математическим

методом.

Научный метод, независимо от конкретных приемов и способов

исследования в разных научных дисциплинах, отражает единство всех

форм знаний об окружающем мире.

Теории – основная форма научного знания. Теории разделяют

на описательные, научные и дедуктивные. С содержательной сто-

роны они состоит из эмпирического базиса и логического аппарата

теории, а с формальной – это совокупность допущений, аксиом, по-

стулатов, общих законов.

В описательных теориях формулируют общие закономерности на

основе эмпирических данных. Эти теории носят качественный характер.

Таковы первые теории в области электричества и магнетизма, физиоло-

гическая теория И.Павлова, эволюционная теория

Ч.Дарвина. В науч-

ных теориях конструируют идеальный объект, замещающий реальный.

Обычно они основаны на нескольких аксиомах, принимаемых без дока-

зательств. Часто к основным аксиомам добавляют гипотезы. Следствия

теории проверяются экспериментом. Таковы физические теории, ис-

пользующие логику и достаточно строгий математический аппарат.

Третий тип – это дедуктивные теории. Первая из них – “

Начала” Евк-

лида. В таких теориях разработан специальный формализованный язык,

все термины которого подвергаются интерпретации.

Понятия и термины теории формируются в процессах абстраги-

рования и идеализации. Понятия отражают существенную сторону яв-

лений. Оно может быть сформировано на основе опыта или теории. Так,

понятию “температура” может быть дано операционное определение

(показатель степени нагретости тела в определенной шкале термомет-

ра), а может – с позиций молекулярно-кинетической теории (величина,

пропорциональная средней кинетической энергии движения частиц, со-

ставляющих тело).

При абстрагировании игнорируют свойства объекта, которые счи-

тают несущественными. Таковы модели точки, прямой линии, окружно-

сти, плоскости,

материальной точки и т.д. Реальные объекты могут в ка-

ких-то задачах быть заменены этими абстракциями. Землю при движе-

нии вокруг Солнца можно считать материальной точкой, но нельзя –

при движении по ее поверхности.

При идеализации выделяют какое-то свойство или отношение. В

науке приходится идти на отвлечения от реальных разных

объектов. Та-

ковы популярные модели “абсолютно черного тела”, “идеального газа”,

“сплошной среды” и т.д.

Обращение к теории как к более высокому уровню научного иссле-

дования завершает научные исследования. В естествознании результаты

эксперимента – решающий аргумент признания теории.

В основе методов естествознания – единство эмпирической и тео-

ретической сторон. Они взаимно связаны

и взаимообусловлены. Мето-

ды разделяют на три группы:

1. Общие методы, касающиеся любой науки, фактически общефи-

лософские методы познания природы. Эти методы могут связывать все

стороны процесса познания (например, единство логического и истори-

ческого или восхождения от абстрактного к конкретному).

2.Особенные методы связаны лишь с какой-то одной стороной

изучаемого

предмета (например, анализ, синтез, дедукция, индукция,

измерение, сравнение, эксперимент).

Наблюдение – процесс восприятия предметов действительности,

которые не должны быть изменены. На наблюдениях и аналогиях строи-

лась натурфилософия. Наблюдения и ныне – начальный источник ин-

формации. Они используются там, где нельзя поставить прямой экспе-

римент, например, в вулканологии или космологии.

Эксперимент – при

помощи которого явления действительности

исследуются в контролируемых и управляемых условиях.

Сравнение и измерение являются частными случаями наблюдения.

Анализ – одна из начальных стадий исследования, когда от цельно-

го описания объекта переходят к его строению, составу, признакам и

свойствам.

Синтез основан на соединении различных элементов предмета в

единое целое и обобщении выделенных и изученных особенностей объ-

екта.

Индукция состоит в формулировании логического умозаключения

на основе обобщений данных эксперимента и наблюдений. Эти обоб-

щения рассматриваются как эмпирические законы. Логические рассуж-

дения идут от частного к общему. Индуктивный метод используется

при решении

задач, связанных систематизацией, классификацией, науч-

ным обобщением.

Дедукция – метод познания, состоящий в переходе от некоторых

общих положений к частным результатам. Дедуктивный метод лежит в

основе современных методологий (например, системного анализа).

Гипотеза – это предположение или предсказание, выдвигаемое для

разрешения неопределенной ситуации. Она не должна противоречить

уже существующим. С гипотезой имеет

сходство аналогия. При коли-

чественном сопоставлении исследуемых свойств, параметров объектов

или явлений, говорят о методе сравнения. Метод сравнения составляет

основу любых измерений, т.е. основу всех экспериментальных исследо-

ваний и науки в целом.

Гипотеза должна быть подтверждена или опровергнута. Процесс

установления истинности гипотезы на опыте называют верификацией

(фальсификация – ложность гипотезы)

. Если опыт не опровергает

гипотезу, должна быть выдвинута альтернативная. Так, гипотеза Планка

о квантовом характере испускания света привела к созданию квантовой

механики; гипотезы де Бройля (корпускулярно-волновой дуализм мате-

рии) и Бора (модель строения атома) обобщали многие факты и потом

были подтверждены. Гипотеза Гельмгольца о дальнодействующем ха-

рактере электрических явлений

была опровергнута экспериментом Гер-

ца, обнаружившим ток смещения, отделившийся от источника тока. Это

подтвердило введение Максвеллом тока смещения в уравнения поля из

соображений симметрии.

Моделирование – метод познания, основанный на изучении каких-

либо объектов посредством их моделей. Моделирование обычно упро-

щает изучаемое природное явление.

Физическое моделирование опыта широко применяется в гидро-

аэродинамике. Помимо модельного эксперимента проводят так назы-

ваемый мысленный эксперимент. Распространено и математическое

моделирование, предполагающее формирование систем уравнений,

описывающих исследуемое природное явление, и их решение при раз-

личных начальных или граничных условиях. Такие уравнения решают с

помощью компьютерной техники и получают численные результаты.