Эволюция естественнонаучной картины мира
КОНЦЕПЦИИ
СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Курс лекций
СОДЕРЖАНИЕ
| 1. | Эволюция естественнонаучной картины мира……………….…………. | |
| 1.1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры…………………….. | ||
| 1.2. Научный метод……………………………….……………………….. | ||
| 1.3. История естествознания и тенденции его развития………………… | ||
| 1.4. Развитие представлений о материи………………………………….. | ||
| 1.5. Развитие представлений о движении………………………………… | ||
| 1.6. Развитие представлений о взаимодействии………………………… | ||
| Вопросы для самоконтроля………………………………………………... | ||
| Тесты………………………………………………………………………... | ||
| Литература………………………………………………………………….. | ||
| 2. | Пространство, время, симметрия…………………………………………. | |
| 2.1. Эволюция представлений о пространстве и времени………………. | ||
| 2.2. Специальная теория относительности………………………………. | ||
| 2.3. Общая теория относительности……………………………………… | ||
| 2.4. Принципы симметрии и законы сохранения………………………… | ||
| Вопросы для самоконтроля………………………………………………... | ||
| Тесты………………………………………………………………………... | ||
| Литература………………………………………………………………….. | ||
| 3. | Структурные уровни и системная организация материи……………….. | |
| 3.1. Системный подход к изучению организации материи……………... | ||
| 3.2. Структурные уровни организации материи…………………………. | ||
| 3.3. Системы микромира…………………………………………………... | ||
| 3.4. Процессы в микромире……………………………………………….. | ||
| 3.5. Химические системы…………………………………………………. | ||
| 3.6. Структурные уровни организации живой материи…………………. | ||
| Вопросы для самоконтроля………………………………………………... | ||
| Тесты………………………………………………………………………... | ||
| Литература…………………………………………………………………. | ||
| 4. | Порядок и беспорядок в природе………………………………………... | |
| 4.1. Динамические и статистические закономерности в природе……….. | ||
| 4.2. Концепции квантовой механики……………………………………….. | ||
| 4.3. Принцип возрастания энтропии……………………………………….. | ||
| 4.4. Закономерности самоорганизации материи…………………………… | ||
| Вопросы для самоконтроля………………………………………………... | ||
| Тесты………………………………………………………………………... | ||
| Литература………………………………………………………………… | ||
| 5. | Панорама современного естествознания………………………………… | |
| 5.1. Космология (мегамир)………………………………………………...... | ||
| 5.2. Геологическая эволюция……………………………………………….. | ||
| 5.3. История жизни на Земле и методы исследования биологической эволюции………………………………………………………………. | ||
| 5.4. Эволюция живых систем…………………………………………….. | ||
| 5.5. Генетика и эволюция………………………………………………… | ||
| Вопросы для самоконтроля………………………………………………… | ||
| Тесты…………………………………………………………………………. | ||
| Литература…………………………………………………………………… | ||
| 6. | Биосфера и человек………………………………………………..………. | |
| 6.1. Устойчивость и эволюция биосферы……………………………….. | ||
| 6.2. Глобальный экологический кризис…………………………………. | ||
| 6.3. Принципы универсального эволюционизма. Ноосфера……….…... | ||
| Вопросы для самоконтроля………………………………………………. | ||
| Тесты……………………………………………………………………….. | ||
| Литература………………………………………………………………… |
ЭВОЛЮЦИЯ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА
Научный метод
Как было показано в предыдущем разделе, научное знание является единственнымисточником экономического развития (см. рис. 1.1) на ста-дии реализации прикладными науками своих функций – управленческой и практической (см. рис. 1.2). Там же был дан ответ на вопрос, почему подоб-ную задачу может решить знание научное, и не обладает такой возможно-стью знание гуманитарное – потому что первое есть единственно верное по-нимание реального мира, только поэтому позволяющее эффективно управ-лятьего процессами с хозяйственной (экономической) целью (см. табл. 1.1).
Данное утверждение рождает вполне закономерный вопрос – как наука гарантирует истинность– главное качество своего продукта – научного знания? Ответ известен – независимо от того, что исследует ученый, он пользуется универсальным инструментом познания, который при правиль-ном его применении (обязательное условие!) всегда обеспечитстопроцент-ную достоверность результатов этого исследования (познания).Данный ин-струмент, как единственный выход из лабиринта, как фонарь, освещающий путь бредущему в темноте путнику (Ф. Бэкон), называется научным мето-дом. Реализуется в два этапа, соответствующих разным уровням получаемого с его помощью научного знания (табл. 1.2). В качестве важных комментари-
Таблица 1.2
Содержание и результаты этапов научного метода
| Этапы научного метода | Эмпирический | Теоретический |
| Задача исследования | Сбор, накопление и первичная ра-циональная обработка внешних общих свойств и признаков явле-ний и процессов | Объяснение (интерпретация) изу-чаемых явлений и процессов |
| Предмет исследования | Эмпирические объекты с выделен-ными для изучения свойствами | Идеализированный объект – логи-ческая реконструкция действи-тельности, наделяемая признака-ми, которых нет у объекта реаль-ного, но которые необходимы для построения этой логики, как раци-онального объяснения сути дан-ной действительности |
| Уровень научного знания | Эмпирический (опытный и экспе-риментальный) | Теоретический (рационалистичес-кий) |
| Приём (способ) исследования | Наблюдение, описание, измерение, эксперимент, моделирование (мо-дельный эксперимент), проверка на воспроизводимость (на фальсифи-цируемость эмпирического зна-ния), индукция (классификация, эмпирическое обобщение) | Абстрагирование (идеализация), аналогия, гипотетико-дедуктивный метод, формализация (математиче-ское моделирование), проверка на подтверждаемость (верификация, фальсификация), математическое доказательство, мысленный экспе-римент |
| Тип научного знания и его формы | Индукционистское (эмпирический закон, эмпирическая зависимость) | Дедукционистское (гипотеза, за-кон, теория) |
ев к ней добавим только, что природа неисчерпаема по своей сложности – одна из величайших мыслей самой значимой – античной – философии, блес-тяще подтвержденная и подтверждаемая наукой вплоть до наших дней. В си-лу этого эмпирические объекты – фрагменты окружающей нас реальности, природные процессы и явления – не могут быть познаны до концав рамках сколь угодно сложного и долгого эмпирического исследования (подтвержде-ние ещё одного важнейшего постулата философии о недосягаемости для че-ловека абсолютной истины), поэтому предметом данного исследования всег-да выступает не эмпирический объект вообще, а конкретное, т.е. выделенное в рамках именно этого конкретного исследования количество свойств данно-го объекта. Идеализированные же объекты – это понятия и образы, с помо-щью которых, как языковых средств, на теоретическом этапе строится логи-ка, объясняющая, наоборот, общую суть изучаемого процесса или явления. Поскольку строится такое объяснение впервые,существующие научные тер-мины и определения для этого не годятся, как не подходят слова одного язы-ка для объяснения на другом. Вот наука и вынуждена создавать понятия, ко-торых нет и никогда не будет в природе, но построенное с их помощью объ-яснение какого-либо её явления или процесса будет понятным и убедитель-ным (логичным, то есть) для всех. Примерами подобных идеализированных объектов являются материальная точка, идеальный газ, абсолютно черное тело и другие понятия, преимущественно, физики, как науки, занимающейся объяснением наиболее сложных процессов и явлений природы.
Таким образом, научный метод – это совокупность приемов, приме-няемых исследователем (ученым) для получения истинного (научного)зна-ния. Для каждого из этапов научного метода данные приемы свои. Так, к при-емам (способам) эмпирического этапа относят:
· наблюдение – целенаправленное (т.е., имеющее задачей исследование только выделенных для этого свойств эмпирического объекта, см. выше) восприятие явлений объективной действительности;
· описание – фиксация (закрепление и передача) результатов наблюдения и / или эксперимента (см. ниже) с помощью знаковых средств (слов, чи-сел, графиков, схем фотографий и др.);
· измерение – сравнение исследуемых объектов по их сходным (имеющим одинаковые единицы и интервалы измерения) свойствам и сторонам;
· эксперимент – наблюдение в специально создаваемых и контролируе-мых условиях в целях установления причинной связи между этими усло-виями и свойствами (сторонами) исследуемого объекта. В модельном эксперименте исследованию подвергается не сам подобный объект, а заменяющая его модель – реально существующая или искусственно соз-данная система, которая, замещая оригинал, находится с ним в отноше-ниях сходства (подобия), благодаря чему экспериментальное изучение модели позволяет получать достоверную информацию об этом оригина-ле, как об объекте эмпирического исследования. В качестве примера мо-дельного эксперимента можно привести испытания моделей фюзеляжей самолетов или кузовов автомобилей в аэродинамической трубе;
· проверка на воспроизводимость – подтверждение достоверности дан-ных наблюдения или эксперимента с точки зрения их фальсифицируе-мости, т.е. возможности быть опровергнутыми практикой – повто-рением сколь угодно большое количество раз данного наблюдения или эксперимента любым исследователем (или даже просто сомневающим-ся) в любое время. Если проверяемые подобным образом эти данные не подтверждаются неоднократной их фиксацией с помощью хотя бы од-ного из пяти органов чувств человека – зрения, слуха, обоняния, осяза-ния или вкуса – они достоверными не признаются, т.е. фальсифициру-ются. Приемом подтверждения достоверности эмпирических данных яв-ляется также их статистическая обработка. Данные наблюдения или эксперимента, прошедшие проверку на воспроизводимость, получают статус эмпирического факта – промежуточной формы опытного (по-лученного наблюдением) или экспериментального научного знания, со-держащего объективную и достоверную, т.е. нефальсифицированную, информацию о внешних общих свойствах и признаках изучаемых явле-ний и процессов (см. табл. 1.2);
· эмпирические факты, как следует из той же таблицы 1.2, подлежат пос-ледней в рамках эмпирического этапа процедуре, а именно, первичной рациональной обработке с помощью индукции – способа рассуждения или приема получения конечного продукта данного этапа – эмпиричес-кого научного знания, как общего(отсюда и второе его название – «индукционистское знание», там же), делаемого на основе обобщения всех этих частных фактов, вывода. Следствием индукции, как приема сворачивания информации (первичного объема обобщаемых эмпирических фактов), является создание качественно новой формы знания, вмещающей бóльшее его количество, чем старые. Эта форма носит название эмпирического закона или эмпирической зависимости. Данные термины отнюдь не синонимы, поскольку эмпирический закон имеет, как правило, словесную (вербальную) форму, получаемую с помощью классификации – наиболее важного вида систематизации, заключающейся в разделении эмпирических фактов на отдельные группы в соответствии с каким-либо важным для их обобщения признаком. Эмпирическая же зависимость выражена всегда в математической форме, получаемой посредством эмпирического обобщения – приема мышления, в резуль-тате которого устанавливаются общие свойства и признаки изучае-мых объектов, как функций аргументов – внешних условий наблюдения или эксперимента. В качестве приемовуже эмпирического обобщения можно назвать ту же статистическую обработку или аппроксимацию.
Последовательность использования приемов (способов) эмпирического этапа в процессе получения соответствующих данному этапу промежуточной и итоговых форм научного знания показана на рис. 1.3. Эмпирическими за-конами являются, например, первые законы в области электричества и магне-тизма или современные психологические теории. Такие же примеры вербаль-нойформы результата индукции эмпирических фактов – это первое и вто-рое начала классической термодинамики, физиологическая теория И.П. Пав-лова, эволюционная теория Ч. Дарвина или периодический закон Д.И. Мен-делеева. Общее, что роднит эти законы физики, биологии и химии – прием, с помощью которого они были получены. Так, выделенный Менделеевым классификационный признак – атомный вес химического элемента – позво-лил «свернуть» хаотические и многочисленные сведения о свойствах этих элементов (эмпирические факты), полученные в разное время, в разных мес-тах и разными исследователями (порою, даже не учеными, а просто наб-людательными и любознательными людьми), в компактную (три строчки в
| Индукция (классификация, эмпирическое обобщение) |
| Проверка на воспроизводимость |
| Данные наблюдения |
| Данные эксперимента |
| Эмпирический факт |
| Эмпирический закон (эмпирическая зависимость) |
Рис. 1.3. Последовательность реализации эмпирического
Этапа научного метода
школьном учебнике химии) словесную формулировку, и в такую же, всего в две страницы объемом (там же), классификацию (периодическую систему) химических элементов. Более того, полученная Дмитрием Ивановичем систе-ма тут же проявила свои эмерджентные (свойственные только системе, как единому целому) качества, чего не могло быть присуще исходной, послужившей основой для ее создания, бессистемной информации (совокупности эмпирических фактов), а именно, предсказала не просто существование еще не обнаруженных химических элементов, но и их свойства.
Примером индукционистского закона в виде эмпирической зависимос-ти можно назвать результат обобщения Галилеем результатов своих экспе-риментов по сбрасыванию тел с Пизанской башни – что время падения тела не зависит от его веса, и с одинаковой высоты h тела неравного веса падают с одной и той же скоростью v, равной v2 = 2gh, где g – ускорение свободного падения.
Еще раз напомним, что с помощью эмпирического исследования воз-можно только фиксирование внешних общих признаков свойств и явлений (см. табл. 1.2). Выявить же внутренние механизмы, определяющие связь и природу эмпирических фактов, т.е. объяснить их (там же), позволяет лишь теоретический уровень познания, как более высокий по отношению к уров-ню эмпирическому. Так, если обратиться к приведенному выше примеру пе-риодического закона Д.И. Менделеева, как к случаю, без преувеличения, бле-стящей реализации в его лице систематизирующей и прогностической функ-ций науки (см. рис. 1.2), то в отношении функции объяснительной (там же) такого не получилось – почему одна группа родственных химических эле-ментов в данной последовательности их расположения обязательно сменяет-ся другой, и почему именно в этом месте и именно при таком количестве раз-ных элементов в их смежных группах – ответов на эти логичные вопросы, напрямую вытекающие из данной системы, как результата именно эмпири-ческого этапа, ни она, ни являющийся ее основой периодический закон дать не смогли. Точно такой же, на уровне «детской», т.е. наипростейшейлоги-ки, вопрос, как следствие эмпирического обобщения Галилея, можно задать ему (Галилею), и тоже не получить ответа – почему с Пизанской башни тела разного веса падают вниз с одной и той же скоростью? Ответы на подобные «детские» вопросы, как на самые трудные, поскольку логика этих ответов должна быть тоже «по-детски»понятной, т.е. убедительнойдля всех,и призван дать теоретический этап научного метода
Еще одним ограничением, присущим эмпирическим законам, является их противоречие новымэмпирическим фактам, которые в качестве исходной информации при получении данных законов путем индукции не фигуриро-вали, поскольку их просто ещё не было. Такие новые факты, как результаты более поздних, по отношению к ранее сформулированным эмпирическим за-конам, наблюдений или экспериментов, не вписываются в зафиксированную данными законами регулярность. Тут также на помощь призывается теоре-тический этап для того, чтобы мысленно перестроить известную реальность (существующие эмпирические законы) так, чтобы выпадающие из неё факты вписались в иную, уже теоретического происхождения, схему и перестали противоречить выше упомянутым законам. Если такая схема удачна, то есть снимает данное противоречие, она получает статус гипотезы (см. табл. 1.2), а если, что ещё лучше, позволяет предсказывать получение новых, нетривиаль-ных фактов (например, свойств эмпирических объектов, не поддающихся на-блюдению и измерению) – статус закона или даже теории (там же).
Примером разрешения подобного противоречия является трансформа-ция представлений о наследственности. Эволюционная теория Дарвина на основе обобщения множества совершенно достоверных эмпирических фак-тов трактовала передачу наследственных признаков по принципу усреднения или смешивания, когда скрещивание, допустим, растений с белыми и красны-ми цветками дает гибриды следующего поколения с цветками розовыми. Од-нако из ряда эмпирических фактов, рисующих убедительную картину подоб-ного «розового» усреднения наследуемых признаков выбивались не менее четко и достоверно фиксируемые случаи пусть не частого, но обязательного появления гибридов с чисто белыми или с полностью красными цветками. При усредняющемся наследовании такого быть не могло – смешав кофе с мо-локом нельзя в результате получить чисто черную или полностью белую жидкость! Кроме этого противоречия принцип усреднения наследуемых при-знаков еще и запрещал естественный отбор – это Дарвину математически строго доказал британский инженер Ф. Дженкин. Действительно, усреднение при скрещивании означает, что любой, даже самый выгодный для организма признак, появившийся в результате мутации – внезапного изменения наслед-ственной информации под воздействием внешних признаков – закрепиться и уцелеть в популяции не может, он должен исчезнуть тем быстрее, чем в бóльшем количестве гибридов следующих поколений, которые этой мутации не испытали, он в результате усреднения «растворится». Дарвину «кошмар Дженкина» отравлял всю оставшуюся жизнь, но опровергнуть инженера уче-ный так и не смог.
А ответ-то был, причем еще при жизни Дарвина, обрати он внимание на труды своего современника Г. Менделя. Тогда бы он и факты появления красных и белых цветков в большом букете цветков розовых объяснил, и «кошмар Дженкина» разогнал, а к своей известности как естествоиспытателя добавил бы еще и славу создателя генетики. По Менделю, передача от поко-ления к поколению наследуемых признаков идет не усредняющимся, а расще-пляющимся порядком с помощью большого числа дискретных частиц, сего-дня называемых генами. Случайная комбинация генов, в полном соответст-вии с законом нормального распределения Гаусса, может привести к появле-нию гибридов с признаками только одного из «родителей» (крайние зоны кривой Гаусса, рис. 1.4). А наблюдаемое в большинстве случаев (средняя зо-
| Гены, отвеча-ющие за бе-лый цвет, % |
| Гены, отвеча- ющие за крас- ный цвет, % |
| Количество гибридов |
| розовых |
| красных |
| белых |
Рис.1.4. Схема наследования по Г. Менделю
на этой же кривой, там же) более или менее равномерное «смешивание» нас-ледуемых признаков является, опять же в полном соответствии с теорией ве-роятности, наиболее представительным. Точно так же данная гипотеза Мен-деля «спасает» и естественный отбор – случайно приобретенный признак в популяции уцелеть может, поскольку математика (см. выше) это допуска-ет, хотя и с известной долей вероятности.
Для создания гипотез и других форм теоретического знания (см. табл. 1.2) на данном этапе используется иной (там же) инструментарий:
· абстрагирование – прием мышления, заключающийся в отвлечении от несущественных, незначимых для субъекта познания («теоретика», реа-лизующего теоретический этап) свойств (черт, сторон, качеств) исследу-емого объекта с одновременным выделением тех его свойств, которые представляются важными в контексте исследования. Абстрагирование является очень эффективным инструментом теоретических исследова-ний, позволяющим хирургически точно «вырезать» из хаоса множества реальных свойств изучаемого объекта именно те, которые представляют его сущность. А поскольку подобная «хирургическая» операция – один из вариантов первого шага процесса создания идеализированного объек-та (см. табл. 1.2), то она имеет синоним «идеализация» (там же);
· другой вариант такого же шага – это аналогия – прием познания, при котором наличие сходства (совпадение свойств) нетождественных объ-ектов позволяет предположить их сходство и в других чертах или ка-чествах. Но, как и абстрагирование, «аналогия не есть доказательство» (Аристотель), поскольку это доказательство – прерогатива следующего приема теоретического этапа;
· гипотетико-дедуктивный метод (см. тему 1.1) – это вторичная (см. выше) и главная рациональная обработка данных уже не только эмпи-рического, но и частично (после абстрагирования или аналогии) теоре-тического этапа, позволяющая почти (почему не в полной мере – об этом ниже) решить его главную задачу – построить логику, объясняю-щую с помощью созданного для этого уже законченного (см. выше) иде-ализированного объекта природу изучаемого предмета с учетом всей имеющейся на момент построения данной логики информации о нем. Результатом гипотетико-дедуктивного метода является первый по вре-мени получения продукт дедукционистского знания – гипотеза (см. табл. 1.2) – предположение, объясняющее ряд эмпирических и/или тео-ретических фактов;
· как и знание индукционистское (см. выше), гипотеза может иметь вер-бальную (словесную) или символьную (математическую) форму. Гипо-теза в виде абстрактной математической модели (системы уравнений, например) есть результат формализации или математического моде-лирования (см. табл. 1.2);
· гипотеза подлежит обязательной проверке на подтверждаемость (там же), включающей две взаимоисключающие друг друга процедуры – вери-фикации (подтверждения) и фальсификации (опровержения). Такое же обязательное условие данной проверки – она проводится либо эмпи-рическими данными опыта (наблюдения) или эксперимента, полученны-ми после выдвижения гипотезы, либо теоретическими следствиями, де-дуктивно выводимыми из неё. Если гипотеза проходит подобную про-верку, т.е. верифицируется новыми эмпирическими или теоретическими данными, она получает статус закона природы, или принципа (начала). Законом природы в естествознании называется существенная, повторя-ющаяся и необходимая связь между явлениями реальной действитель-ности. Законы (принципы, начала) формулируются как универсальные суждения. Если гипотеза указанными данными фальсифицируется, она считается опровергнутой, и поиски иной, более приемлемой, продолжа-ются. Таким образом, гипотеза – продукт теоретического этапа проме-жуточного характера, поскольку рано или поздно она обязательно квалифицируется описанным выше образом;
· законы в виде математических уравнений или систем уравнений полу-чают математическим доказательством с использованием верифици-рованных гипотез в качестве исходного материала. Запись законов при-роды на языке математики позволяет радикально повысить их точ-ность, а также логическую и прогностическую силу, т.е. существенно улучшить исполнение наукой своей описательной, объяснительной и прогностической функций соответственно (см. рис. 1.2). Так, математи-ческий вывод Ньютоном эмпирических законов движения планет вокруг Солнца, полученных ранее И. Кеплером, не только подтвердил их пра-воту, но и привел к идее всемирного тяготения как к причине, объясня-ющей природу этого движения. Аналогично, математическая обработка Дж. К. Максвеллом эмпирических закономерностей Фарадея, Ампера, Кулона и других блестящих экспериментаторов связала эти данные в единое и непротиворечивое объяснение электрических и магнитных яв-лений, а также предсказала существование электромагнитных волн и спрогнозировала их свойства. Как известно, обнаружение, спустя деся-тилетия, Г. Герцем электромагнитных волн полностью подтвердило пра-воту системы уравнений Максвелла, описывающей их природу;
· мысленный эксперимент как метод получения теоретического знания, применяется, как правило, тогда, когда проблематично или просто нево-зможно необходимую исходную информацию получить с помощью ре-альных наблюдений или опытов. Галилей, например, не подвергал кого-либо рискованным испытаниям в виде запрыгивания на движущуюся повозку или, наоборот, спрыгивания с неё на всем ходу – с помощью мысленного эксперимента по переходу из одной инерциальной системы отсчета в другую он сформулировал важнейший закон будущей класси-ческой механики – принцип относительности. Такой же прием использо-вал Эйнштейн, вообразив свободно падающий в поле тяготения лифт и обнаружив при этом, что, находясь внутри такого лифта, никаким обра-зом нельзя определить, движется ускоренно лифт в поле тяготения или он покоится, а поле тяготения при этом исчезает. Результатом такого мысленного эксперимента стал принцип (закон) эквивалентности инер-ционной и гравитационной масс, положенный в основу общей теории относительности.
Последовательность трансформации видов дедукционистского знания в процессе реализации теоретического этапа показана на рис. 1.5. Приведем примеры подобной трансформации для упоминавшихся выше конкретных видов эмпирического знания. Так, объяснение последовательности смены групп родственных химических элементов, а также их числа в каждой из этих групп периодической системы Д.И. Менделеева было дано полвека спустя после ее создания с позиций одного из законов квантовой механики – прин-ципа В. Паули. Согласно ему, электронные оболочки атомов тем устойчивее, чем в бóльшей степени число электронов на них соответствует условию наи-
| Сопоставление с другими законами этой же области научного знания |
| Верификация |
| Фальсификация |
| Гипотетико-дедуктивный метод |
| Абстрагирование, аналогия |
| Эмпирические законы (эмпирические зависимости) |
| Результаты мысленного эксперимента |
| Идеализированный объект |
| Гипотеза |
| Опровергнутая гипотеза |
| Закон |
| Теория |
Рис. 1.5. Последовательность реализации теоретического этапа
Научного метода
низшего, т.е. наиболее выгодного энергетического состояния. Данное условие выполняется при числе электронов на каждой из их орбит, равной 2n2 , где n – номер орбиты (электронной оболочки). Как только число электронов стано-вится больше 2n2 , появляется следующая по счету орбиталь атома, поэтому на первой из них может находиться максимум 2 ∙ 12 = 2 электрона, на второй 2 ∙ 22 = 8, на третьей 2 ∙ 32 = 18 и т.д. Так вот, химические и физические свойства элементов определяются конфигурацией внешней электронной оболочки их атомов, а, точнее, степенью ее отличия от выше описанной оптимальной и, как следствие, наименее затратными, с энергетической точки зрения, путями достижения данного оптимума. Так, для неона (рис. 1.6), имеющего две полностью «упакованные» орбитали, условие оптимума выполняется, потому он и инертный, т.е. не вступающий ни в какие химические реакции, газ. Для его соседа слева по периодической системе – фтора (там же) – наименее затратным путем достижения такого же оптимума является, очевидно, «достройка» своей второй орбитали недостающим электроном, что и реализуется с помощью свойств фтора как сильнейшего окислителя (напомним, что окисление – это как раз присоединение окислителем валентных электронов вступающего с ним в данную реакцию вещества). Для натрия, как следующего за неоном элемента (см. рис. 1.6), наоборот, энергетически выгодно «избавиться» от единственного на третьей орбитали электрона, поскольку присоединить недостающие на ней 17 электронов (там же) невозможно опять же из энергетических соображе-
| 1 2 |
| - 2 - 8 - 1 |
| - 2 - 8 |
| 1 2 |
| - 2 - 7 |
| Наименование и номер № элемента в таблице Менделеева |
| Фтор (№ = 9) |
| Неон (№ = 10) |
| Натрий (№ = 11) |
| Номера орбиталей его атома |
| Число протонов в ядре атома |
| Число электронов на орбиталях |
| + 9 |
| + 10 |
| + 11 |
| 1 2 3 |
Рис. 1.6. Систематика заполнения электронных оболочек атомов согласно принципу Паули
ний. Именно поэтому натрий «отдает» свой валентный электрон вообще без всякого внешнего воздействия, вступая в противоположную реакцию – вос-становления – прямо с атмосферным воздухом, (из-за чего и хранят этот ще-лочной металл в керосине).
Аналогичным образом, результаты опытов Галилея, сбрасывавшего те-ла разного веса с Пизанской башни (см. выше), были объяснены с позиций закона всемирного тяготения Ньютона – тела падают с одной высоты с оди-наковой скоростью, не зависящей от их массы, потому, что последняя есть бесконечно малая величина по сравнению с массой Земли, в силу чего сила притяжения к ней этих тел, эквивалентом которой как раз и выступает ско-рость их падения, практически одинакова.
Можно привести также пример фальсифицированной (см. рис. 1.5) ги-потезы, а именно, гипотезы теплорода (конец 18 века), согласно которой Вселенная заполнена некой субстанцией, состоящей из элементарных части-чек теплоты, перетекание которых из тела в тело составляет суть процессов нагрева и охлаждения этих тел. На основании такой трактовки данных про-цессов писались равенства типа «лед + теплород = вода» или «водяной пар – теплород = вода», т.е. явления нагрева и охлаждения трактовались как цир-куляция в обе стороны теплорода между телами. Опроверг гипотезу теплоро-да М.В. Ломоносов, экспериментально доказав, что она противоречит закону сохранения вещества – он помещал металл в герметически закрытый сосуд и взвешивал его до и после нагревания до разных температур. Вес сосуда, из-меряемый с максимальной для тех времен точностью, оставался всегда одним и тем же, следовательно, заключил Михаил Васильевич, никакого теплоро-да, «накачиваемого» в сосуд при его нагреве или «вытекающего» из этого со-суда в процессе его остывания, нет. А температура тела есть мера средней скорости движения его молекул – положение, легшее в основу будущей мо-лекулярно-кинетической теории.
Получением именно теории – совокупности некоторого количества законов (принципов, начал), относящихся к одной области познания – завер-шается трансформация форм научного знания, показанная на рис. 1.5. Так, упоминавшийся выше принцип Паули – это один из законов теории, которая называется «квантовая механика», закон всемирного тяготения (там же) вхо-дит составной частью в другую теорию – классическую механику. Теория выступает самой совершенной формой научного знания, в которой оно дос-тигает определенной полноты и завершенности, а также приобретает отно-сительно безусловную истинность. Выделенные жирным курсивом качества данной формы теоретического знания призваны обратить внимание на очень важный нюанс – теория считается всеобъемлющей и истинной только до тех пор, пока она в состоянии объяснить эмпирические факты, ставшие извест-ными после её принятия. Если эти факты существующей теории противоре-чат, возникает необходимость в разработке новой, более совершенной теории в соответствии с алгоритмом, показанном на рис. 1.5. Так, упоминавшаяся выше квантовая механика появилась только то