Современная естественно-научная картина мира
Кто в состоянии найти в своем сердце столь мощную силу, чтобы достойно воспеть все величие наших открытий?
Тит Лукреций Кар
Современная естественно-научная картина мира является результатом синтеза систем мира древности, античности, гео-и гелиоцентризма, механистической, электромагнитной картин мира и опирается на научные достижения современного естествознания (табл. 3.1).
В конце XIX—начале XX в. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине мира. Прежде всего это открытия, связанные со строением вещества, и открытие взаимосвязи вещества и энергии.
Современное естествознание представляет окружающий материальный мир нашей Вселенной однородным, изотропным и расширяющимся. Материя в мире находится в форме вещества и поля. По структурному распределению вещества окружающий мир разделяется три большие области: микромир, макромир и мегамир. Между структурами существуют четыре фундаментальных вида взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, которые передаются посредством соответствующих полей. Существуют кванты всех фундаментальных взаимодействий.
Если раньше последними неделимыми частицами материи, своеобразными кирпичиками, из которых состоит природа, считали атомы, то в конце прошлого века были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов.
Согласно первой модели атома, построенной английским ученым Эрнестом Резерфордом, атом уподоблялся миниатюр-
Таблица 3.1
Основные этапы становления современной естественно-научной картины мира
| Этап истории | Научная картина мира |
| 4000 лет до н. э. 3000 лет до н. э | Научные догадки египетских жрецов, составление солнечного календаря Предсказание солнечных и лунных затмений китайскими мыслителями |
| 2000 лет до н. э. | Разработка семидневной недели и лунного календаря в Вавилоне |
| VIII в до н. э. | Первые представления о единой естественно-научной картине мира в античный период. Возникновения представлений о материальной первооснове всех вещей |
| VII в. до н. э. | Создание математической программы Пифагора-Платона |
| VI в. до н. э. | Атомистическая физическая программа Демокрита-Эпикура |
| V в. до н. э. | Континуа листическая физическая программа Анаксагора-Аристотеля |
| II в. н. э. | Изложение геоцентрической системы мира К. Птолемеем в сочинении "Альмагест" |
| 1543 г. | Гелиоцентрическая система строения мира польского мыслителя Н. Коперника |
| XVII в. | Становление механистической картины мира на основе законов механики И. Кеплера и И. Ньютона |
| XIX в. | Возникновение электромагнитной картины мира на основе трудов М. Фарадея и Д. Максвелла |
| XX в. | Становление современной естественно-научной картины мира |
ной Солнечной системе, в которой вокруг ядра обращаются электроны. Энергия излучается и поглощается атомом в виде квантов или порции энергии только при переходе электрона с одной орбиты на другую.
В 30-е годы XX в. было сделано другое важнейшее открытие, которое показало, что элементарные частицы вещества, например электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Это явление получило название дуализма волны и частицы — представление, которое никак не укладывалось в рамки обычного здравого смысла. До этого физики придерживались убеждения, что вещество, состоящее из разнообразных материальных частиц, может обладать лишь корпускулярными свойствами, а энергия поля — волновыми свойствами. Соединение в одном объекте корпускулярных и волновых свойств совершенно исключалось. В 1925-1927 гг. для объяснения процессов, происходящих в мире мельчайших частиц материи — микромире, была создана новая волновая, или квантовая, механика. Впоследствии возникли и разнообразные другие квантовые теории: квантовая электродинамика, теория элементарных частиц и другие, которые исследуют закономерности движения микромира.
Таким образом, в современной естественно-научной картине мира как вещество, так и поле состоят из элементарных частиц, а частицы взаимодействуют друг с другом, взаимопревращаются. На уровне элементарных частиц происходит взаимопревращение поля и вещества. Так, фотоны могут превратиться в электронно-позитронные пары, а эти пары в процессе взаимодействия уничтожаются (аннигилируются) с образованием фотонов. Более того, вакуум тоже состоит из частиц (виртуальных частиц), которые взаимодействуют как друг с другом, так и с обычными частицами. Таким образом, исчезают фактически границы между веществом и полем и даже между вакуумом, с одной стороны, и веществом и полем — с другой. На фундаментальном уровне все грани в природе действительно оказываются условными.
Другая фундаментальная теория современной физики — теория относительности, в корне изменившая научное представление о пространстве и времени. В специальной теории относительности получил дальнейшее применение установленный еще Галилеем принцип относительности в механическом движении. Важный методологический урок, который был получен из специальной теории относительности, состоит в том, что все движения, происходящие в природе, имеют относительный характер, в природе не существует никакой абсолютной системы отсчета и, следовательно, абсолютного движения, которые допускала ньютоновская механика. Здесь пространство и время носят относительный характер.
Еще более радикальные изменения в учении о пространстве и времени произошли в связи с созданием общей теории относительности, которую нередко называют новой теорией тяготения, принципиально отличной от классической ньютоновской теории. Эта теория впервые ясно и четко установила связь между свойствами движущихся материальных тел и их пространственно-временной метрикой. Теоретические выводы из нее были экспериментально подтверждены во время наблюдения солнечного затмения. Согласно предсказаниям теории, луч света, идущий от далекой звезды и проходящий вблизи Солнца, должен отклониться от своего прямолинейного пути и искривиться, что и было подтверждено наблюдениями. Общая теория относительности показала глубокую связь между движением материальных тел, а именно тяготеющих масс и структурой физического пространства-времени.
В современной естественно-научной картине мира наблюдается теснейшая связь между всеми естественными науками, здесь время и пространство выступают как единый пространственно-временной континуум, масса и энергия взаимосвязаны, волновое и корпускулярное движения, в известном смысле, объединяются, характеризуя один и тот же объект, наконец, вещество и поле взаимопревращаются. Поэтому в настоящее время предпринимаются настойчивые попытки создать единую теорию всех взаимодействий. Включение гравитации в
существующие теоретические схемы вынуждает привлекать такие сложные теоретические конструкции, как многомерные пространства, суперсимметрии и суперструны и т. п. Важно, что, как и для других полей, в основе описания гравитационного взаимодействия должны лежать квантовые закономерности. Классическое гравитационное поле и связанное с ним классическое пространство-время являются приближениями, справедливыми в определенных условиях.
Как механистическая, так и электромагнитная картины мира были построены на динамических, однозначных закономерностях. В современной картине мира вероятностные закономерности оказываются фундаментальными, не сводимыми к динамическим. Случайность стала принципиально важным атрибутом. Она выступает здесь в диалектической взаимосвязи с необходимостью, что и предопределяет фундаментальность вероятностных закономерностей.
Научно-техническая революция, развернувшаяся в последние десятилетия, внесла много нового в наши представления о естественно-научной картине мира. Возникновение системного подхода позволило взглянуть на окружающий мир как единое, целостное образование, состоящее из огромного множества взаимодействующих друг с другом систем. С другой стороны, появление такого междисциплинарного направления исследований, как синергетика, или учение о самоорганизации, дало возможность, не только раскрыть внутренние механизмы всех эволюционных процессов, которые происходят в природе, но и представить весь мир как мир самоорганизующихся процессов. Заслуга синергетики состоит прежде всего в том, что она впервые показала, что процессы самоорганизации могут происходить в простейших системах неорганической природы, если для этого имеются определенные условия (открытость системы и ее неравновесность, достаточное удаление от точки равновесия и некоторые другие). Чем сложнее система, тем более высокий уровень имеют в них процессы самоорганизации. Главное достижение синергетики и возникшей на ее основе новой концепции самоорганизации состоит в том, что они помогают взглянуть
на природу как на мир, находящийся в процессе непрестанной эволюции и развития.
В наибольшей мере новые мировоззренческие подходы к исследованию естественно-научной картины мира и его познания коснулись наук, изучающих живую природу. Переход от клеточного уровня исследования к молекулярному ознаменовался крупнейшими открытиями в биологии, связанные с расшифровкой генетического кода, пересмотром прежних взглядов на эволюцию живых организмов, уточнением старых и появлением новых гипотез о происхождении жизни и многого другого. Такой переход стал возможен в результате взаимодействия различных естественных наук, широкого использования в биологии точных методов физики, химии, информации и вычислительной техники.
Революционные преобразования в естествознании означают коренные, качественные изменения в концептуальном содержании его теорий, учений и научных дисциплин при сохранении преемственности в развитии науки и прежде всего ранее накопленного и проверенного эмпирического материала. Среди них в каждый определенный период выдвигается наиболее общая или фундаментальная теория, которая служит парадигмой, или образцом, для объяснения фактов известных и предсказания фактов неизвестных. Такой парадигмой в свое время служила теория движения земных и небесных тел, построенная Ньютоном, поскольку на нее опирались все ученые, изучавшие конкретные механические процессы. Точно так же все исследователи, изучавшие электрические, магнитные, оптические и радиоволновые процессы, основывались на парадигме электромагнитной теории, которую построил Д. К. Максвелл. Понятие парадигмы для анализа научных революций подчеркивает важную их особенность — смену прежней парадигмы новой, переход к более общей и глубокой теории исследуемых процессов.
Все прежние картины мира создавались как бы извне — исследователь изучал окружающий мир отстраненно, вне связи с собой, в полной уверенности, что можно исследовать явления, не нарушая их течения. Такова была веками закреплявшаяся
естественно-научная традиция. Теперь научная картина мира создается уже не извне, а изнутри, сам исследователь становится неотъемлемой частью создаваемой им картины. Очень многое нам еще неясно и скрыто от нашего взора. Тем не менее сейчас перед нами развертывается грандиозная гипотетическая картина процесса самоорганизации материи от Большого взрыва до современного этапа, когда материя познает себя, когда ей присущ разум, способный обеспечить ее целенаправленное развитие.
Наиболее характерной чертой современной естественно-научной картины мира является ее эволюционность. Эволюция происходит во всех областях материального мира в неживой природе, живой природе и социальном обществе.
ВЫВОДЫ
1. Стремление к единству многообразного окружающего мира получило одно из своих воплощений в астрономических догадках мыслителей Древнего Востока, античной Греции и Рима. Принципиальную основу новому этапу в развитии представлений об устройстве Вселенной положила гелиоцентрическая система Н. Коперника.
2. Галилей своими астрономическими открытиями дал новые аргументы в пользу идеи физической однородности Вселенной и тем самым способствовал окончательному преодолению аристотелевского принципа субстанциональной противоположности Земли и неба. Всеобщий синтез физического знания затем был произведен И. Ньютоном, заложившим фундамент величественного здания классической физики и содержавшим программу будущего развития науки. Так началось построение механистической картины мира, охватывающей все виды материи от корпускул света и атомов вещества до планет и Солнца включительно.
3. Во второй половине XIX в. на основе исследований
М. Фарадея и Д. Максвелла возникла электромагнитная картина
мира. Если в XVIII в. стремились свести все к механике, то теперь
все стремятся свести к электромагнетизму. Вне сферы элект
ромагнетизма остается только тяготение. В электромагнитной
картине, как и в механистической, господствовали однозначные причинно-следственные связи.
4. В современной естественно-научной картине мира наблюдается теснейшая связь между всеми естественными науками, здесь время и пространство выступают как единый простран ственно-временной континуум, масса и энергия взаимосвязаны, волновое и корпускулярное движения в известном смысле объединяются, характеризуя один и тот же объект, наконец, вещество и поле взаимопревращаются.
5. Можно выделить четыре следующих этапа становления картины мира: сущностную преднаучную, механистическую, электромагнитную и эволюционную. В современной естественно-научной картине мира имеет место саморазвитие, она эволюционна и необратима. В ней естественно-научное знание неразрывно связано с гуманитарным.
Вопросы для контроля знаний
1. Что представляет собой картина мира?
2. Какие представления о мире были в древности и античности?
3. Назовите основные принципы атомистического учения о природе, обоснованные Демокритом.
4. Какие положения складывают физику Аристотеля?
5. Что такое геоцентрическая и гелиоцентрическая модели устройства мира?
6. Какова роль Ньютона в истории естествознания?
7. В чем состоят преимущества и недостатки механистической картины мира?
8. Какое значение имеют в современной науке принципы лапла-совского детерминизма?
9. Какой новый вклад в картину мира вносит электромагнитная теория?
10. Каковы причины перехода от классического к неклассическому описанию природы? В чем его сущность?
11. Каково значение книги Дарвина "Происхождение видов"?
12. Какие этапы проходит естествознание в своем историческом развитии?
13. Почему время от времени происходит радикальное изменение естественно-научной картины мира?
14. Что такое научная революция? С чего она обычно начинается, чем сопровождается и чем заканчивается?
15. В чем состоят особенности революции естествознания в конце XIX — начале XX века?
16. В чем изменились взгляды на природу в связи с исследованием процессов в микромире?
17. Каковы основополагающие концепции современной картины мира?
18. В чем отличие химии от алхимии, астрономии от астрологии?