Современная научно-техническая революция: достижения и проблемы

Современную эпоху называют эпохой научно-технической революции (НТР). Это значит, что наука превратилась в ведущий фактор развития общественного производства и всей жизни общества, стала непосредственной производительной силой. Если обратиться к началу XX в., когда были сделаны крупные открытия в науке и технике, то можно проследить процесс подготовки НТР. За четверть века в физике был открыт электрон, раскрыта сложная структура атома, установлен корпускулярно-волновой

дуализм света и вещества, открыты явления естественной и искусственной радиоактивности, созданы квантовая механика, теория относительности. В жизни стали широко использовать электричество, механизацию и автоматизацию производства; развились средства связи, появились радио и телевизор, автомобиль, самолет, электропоезд; развивались новые источники энергии. Успехи в химии и биологии привели к разработке технологий органических веществ и методов управления химическими процессами, в частности синтеза многих лекарств, взрывчатых веществ, красителей, продуктов питания, а также к получению новых веществ с заданными свойствами. Появились науки — генетика, молекулярная биология, кибернетика.

В середине XX в. научно-технический прогресс стал оказывать решающее влияние на мировую политическую жизнь. Создание атомной бомбы показало, что овладение достижениями науки и передовыми технологиями определяет судьбы стран и человечества. Следующая веха НТР — овладение космосом: создание искусственных спутников, полет Ю. А. Гагарина, исследование космическими аппаратами других планет, выход человека в открытый космос и на Луну. Человечество осознало свое единство. Как выразился известный физик В.Гейзенберг, «...интересовались не природой как она есть, а, прежде всего, задавались вопросом, что с ней можно сделать. Естествознание поэтому превратилось в технику. Точнее, оно соединилось с техникой в единое целое». Эта связь с техникой и выражается в самом термине НТР. Появление и массовое распространение ЭВМ, которым человек может передать свои логические функции и постепенно ряд функций по автоматизации производства, контролю и управлению, привели к впечатляющему рывку вперед во многих областях жизни — в сферах производства, образования, бизнеса, науки и социальной жизни. Произошло резкое изменение всего строя жизни одного поколения человечества: открываются и используются новые виды энергии, электронное приборостроение, биотехнологии; перестраивается весь технологический базис производства и управления, меняется отношение человека к ним, создается и укрепляется единая система взаимодействия человека и природы — наука, техника, производство.

ВконцеХХв. продукция высоких технологий занимает все большее место в валовом продукте развитых стран, обеспечивая его прирост; их развитость определяет положение государства в современном мире. Поэтому большинство стран мира прилагают максимум усилий к укреплению научно-технического потенциала, расширению инвестиций в наукоемкие технологии, участию в международном технологическом обмене, ускорению темпов научно-технического развития. Экономический рост отождествляется с научно-техническим прогрессом и интеллектуали-

зацией основных факторов производства. Новые производства требуют высочайшей точности, надежности и стабильности. Малое нарушение или оплошность могут стать причиной срыва всего производства или катастрофы, потому так высоки требования к квалификации и надежности персонала. Высокотехнологичные направления объединяют микроэлектронику, информационные и биотехнологии. Распространение высоких технологий и выросшая доля стоимости научных исследований в цене продукта (наукоем-кость) повысили требования к уровню подготовленности участников производства.

Кроме того, резко сократилось время между проведением научного исследования и его внедрением; при этом часто используются объекты, изученные не досконально, которые трудно представить на основе предыдущего опыта. Отсюда — совершенно иное отношение к науке. Несмотря на большую долю риска, высока возможная прибыль. И правительства многих развитых стран, и крупные фирмы вкладывают деньги в научные исследования; создаются венчурные (от франц. overture — риск, авантюра) фирмы, привлекающие мелких вкладчиков. Это оказывает пользу развитию науки, так как ей требуются дорогостоящее оборудование, развитая инфраструктура, высокая степень информатизации, высококвалифицированный персонал и пр. Но сращивание науки с бизнесом имеет и негативные последствия — служение Истине отступает на второй план, меняется научная этика. Изменилось и мировоззрение людей.

Информация к началу XXI в. стала стратегическим ресурсом общества (как продукты питания, промышленные или энергоресурсы). Произошла смена доминирующего вида деятельности в сфере общественного производства (сначала от аграрной к индустриальной, а затем — к информационной). Роль науки в обществе сильно возросла, оказывая огромное влияние на мировоззрение. Но и мировоззрение все более влияет на экономику, политику, социальную жизнь. В условиях исчерпания возможностей экстенсивного развития человечество снова осознало свое единство. Но нарастают и глобальные проблемы, которые могут быть решены только общими усилиями (ядерное разоружение, экология, безопасность, строительство и поддержание глобальной информационной и коммутационной инфраструктуры). Высокий профессионализм неотделим от нравственности, гуманизма, цельного видения единства и взаимосвязи природы и общества, Человека и Космоса.

Меняются отношения человека с природой и людей друг с другом. Жизнь стала продолжительней и комфортней. Бытовая техника оснащается микропроцессорами, по Интернету можно общаться, учиться, покупать товары и др. За счет автоматизации и роботизации деятельности человек вытесняется из производства, растет доля творческого труда, общество должно непрерывно обу-

чаться новому, стать «обучающимся обществом». Человек стал более свободным, но он еще не готов с пользой для себя и общества использовать тот материальный достаток и досуг, который дала ему НТР. Удобства жизни отделяют людей друг от друга; разработка новых достижений НТР происходит за счет развития узкой специализации; усиливается давление на окружающую среду. Быстрый темп развития и высокая сложность этих отраслей привели к необходимости компьютеризации и автоматизации самих технологических процессов, их проектирования, хранения и транспортировки сырья и продукции, непрерывного изучения рынка сбыта и т.п.

Увеличение численности высококвалифицированных специалистов становится главной формой накопления в современной экономике, а люди, их разум — самым ценным стратегическим ресурсом, за которые идет конкурентная борьба, не уступающая по накалу борьбе за сырьевые ресурсы. И если страна не способна финансировать научные исследования, разработку и развитие наукоемких технологий, она рискует «отстать навсегда». Представление о науке как о непосредственной производительной силе — это дань возрастающей роли научного труда в совокупном общественном продукте. Сейчас на долю новых знаний, воплощаемых в технологиях, оборудовании и организации производства, в развитых странах приходится от 70 до 85 % прироста ВВП, а на долю семи высокоразвитых стран — 80—90 % наукоемкой продукции и весь ее экспорт. Правительства не могут принимать важных решений без консультаций со специалистами и, прежде всего, с учеными-естественниками.

Наука может дать человеку знания, как осуществить контроль за состоянием окружающей природы, как лучше организовать производство, как обеспечить себя энерго- и ресурсосберегающими технологиями, как обеспечить безопасность народов, но не может ограничить рост потребления одного за счет другого.

Простейший пример — автомобильный транспорт. Автомобильные выхлопы — один из главных источников кислотных дождей. Но переход на иное топливо или даже ограничение скорости движения автомобилисты не поддерживают, и правительства не принимают соответствующие жесткие законы. Также ни один предприниматель не уменьшит свою прибыль от производства, потратив средства на очистительные сооружения, если власть не примет соответствующие законы.

Поэтому первостепенное значение приобретают подготовка общественного сознания к правильному восприятию достижений НТР, разработка грамотных законов, разумно ограничивающих потребление, повышение уровня компетентности управляющих и правящих. Фундаментальная наука относится к высшим духовным ценностям человечества и несет в себе объединительное начало. В заключение приведем слова Нобелевского лауреата

И.П.Павлова, сказанные еще в начале XX в.: «Что нам, русским, нужно сейчас в особенности — это пропаганда научных стремлений, обилие научных средств и страстная научная работа. Очевидно, наука становится главнейшим рычагом жизни народов, без нее нельзя удержать ни самостоятельности, ни тем более достойного положения вмире».

Вопросы для самопроверки и повторения

1. Как формировалось представление о критерии истинности знания?

2. Каковы отличия научного познания от вненаучного? Чем отличаются естественно-научная и гуманитарная культуры? Чем отличается естественно-научный подход от философского?

3. Какие общенаучные методы используются в естествознании? Дайте определение понятиям «мысленный эксперимент» и «модельный эксперимент» и приведите примеры.

4. Какова последовательность этапов развития научного знания? Чем отличается дисциплинарный подход от междисциплинарного?

5. Назовите этапы развития естествознания.

6. Дайте определение понятию «научная революция» и приведите примеры.

7. Дайте определение понятию «научная картина мира» и приведите пример смены картин мира.

8. Охарактеризуйте свойства систем и системный подход.

9. Дайте определение понятию НТР и сформулируйте ее проблемы.

10. Дайте определение понятию «научная программа» и покажите,
как менялись в истории естествознания стратегии познания.

Глава 2

ПОНЯТИЯ ПРОСТРАНСТВА, ВРЕМЕНИ

И МАТЕРИИ. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Понятие «пространство»

В обыденном восприятии под пространством понимают некую протяженную пустоту, в которой могут находиться какие-либо предметы. Однако между небесными телами есть некоторое количество вещества, да и физический вакуум содержит виртуальные частицы. В науке пространство рассматривается как физическая сущность, обладающая конкретными свойствами и структурой.

Пространство и время — всеобщие и необходимые объективные формы бытия материи. «В мире, — писал В. И.Ленин, — нет ничего кроме движущейся материи, а движущаяся материя не может двигаться иначе чем в пространстве и времени». Материя объективно существует в форме вещества и поля, образует Вселенную, существующую независимо от того, ощущаем мы ее или нет.

Основные свойства пространства формировались по мере освоения человеком территорий и развития геометрии (от греч. geometria — землемерие). Сложившиеся к IIIв. до н. э. знания систематизировал древнегреческий математик Евклид. В своем знаменитом произведении «Начала», состоящем из 15 книг, ставшем основой геометрии, он организовал научное мышление на основе логики. В первой книге Евклид определил идеальные объекты геометрии: точка, прямая линия, плоскость, поверхность.

Эти объекты рассматривались через некоторые характеристики реального окружающего мира или каких-либо предметов, часто для этого использовались представления о луче света или натянутой струне. Например, образ прямой линии связан с лучом света. Но было известно, что в неоднородных средах световой луч преломляется; и сам же Евклид получил закон равенства углов отражения и падения, а Аристотель рассуждал о кажущемся преломлении палки, погруженной частично в воду. Исходя из наиболее простых свойств линий и углов Евклид путем строгих логических доказательств пришел в планиметрии к формулировке условий равенства треугольников, равенства площадей, теореме Пифагора, к золотому сечению, кругу и правильным многоугольникам. В книгах V—VI и X он излагает теорию несоизмеримых Евдокса и правила подобия, VII—IX — теорию чисел, а в последних трех — геометрию в пространстве. От телесных углов, объемов параллелепипедов, призм, пирамид и шара Евклид переходит к исследованию пяти правильных («Платоновых») тел и доказательству, что их существует только пять.

Изложение Евклида построено в виде строго логических выводов теорем из системы аксиом и постулатов (кроме системы определений). Согласно им и определены основные представления о пространстве, которые использованы И. Ньютоном в его «Математических началах натуральной философии» (1687):

однородность — нет выделенных точек пространства, параллельный перенос не изменяет вид законов природы;

изотропность — в пространстве нет выделенных направлений, и поворот на любой угол сохраняет неизменными законы природы;

непрерывность — между двумя различными точками в пространстве, как близко бы они не находились, всегда есть третья;

трехмерность — каждая точка пространства однозначно определяется набором трех действительных чисел — координат;

«евклидовость» — описывается геометрией Евклида, в которой, согласно пятому постулату, параллельные прямые не пересекаются или сумма внутренних углов треугольника равна 180°.

Пятый постулат геометрии Евклида привлекал к себе особое внимание, и некие его эквиваленты привели в XIX в. к возможности иных геометрий, в которых сумма углов треугольника больше (геометрия Римана — геометрия на сфере) или меньше 180° (геометрии Лобачевского и Больяйи).

Положение тел в окружающем пространстве определяется тремя координатами (долгота, широта, высота), т.е. наглядным представлениям соответствует трехмерность пространства. Птолемей в своем труде «Альмагест» утверждал, что в природе не может быть более трех пространственных измерений. Для определения положения в пространстве Р.Декарт обосновал единство физики и геометрии. Развив идею близкодействия, он объяснял все явления природы механическим взаимодействием частиц, он запомнил мир тонкой материей — эфиром. Он ввел прямоугольную систему координат («декартовы координаты») — х, у, z. Для описания орбит планет при их движении вокруг Солнца удобнее сферическая система координат, вьщеляющая положение Солнца и учитывающая, что гравитационное поле убывает одинаково по всем направлениям. Выбор системы координат — это просто выбор способа описания, и он не может влиять на свойства континуума, который нужно описать. Пространства и континуумы независимо от способа описания обладают своими внутренними геометрическими свойствами (например, кривизной). Пространство называют искривленным, если в него невозможно ввести координатную систему, которая может считаться прямолинейной. Иначе — оно плоское.

Физический мир Декарта состоит из двух сущностей: материи (простой «протяженности, наделенной формой») и движения. Поскольку

«природа не терпит пустоты» (Аристотель), протяженность заполнена «тонкой материей» — эфиром, которую Бог наделил непрерывным движением. Декарт описал все процессы своими механическими законами движения и построил «космологический роман» (трактаты «Мир» и «Начала философии»). Декартово представление о флюидах, заполняющих пространство, господствовало в науке XIX и частично XX вв., оказав существенное влияние на развитие оптики и электричества. Вес, как и любая сила, у Декарта — свойство движения тонкой материи, отождествляемой с пространством. Поэтому механицизм Декарта сводит силы к свойствам пространства.

Живя на поверхности почти сферической, мы пользуемся геометрией на плоскости, хотя правильнее говорить, что большие круги (параллели и меридианы) — кратчайшие расстояния (что учитывается при прокладке курса самолетов, например). На геометрии Евклида построена механика Галилея—Ньютона, где тела движутся криволинейно только под действием сил. Ньютон пришел к идее абсолютных пространства (бесконечной однородной протяженности) и времени (бесконечной однородной длительности). Каждый объект обладает в пространстве определенным положением и ориентацией, а расстояние между двумя событиями точно определено, даже если они произошли в разные моменты времени.

Положение R тела в пространстве определяется только относительно системы каких-то объектов: у Ньютона — относительно инерциальных систем отсчета. Так как ощущается лишь неравномерное движение (а не движение с постоянной скоростью), имеет смысл говорить об изменении скорости v = dR/dt тела в пространстве, и движения определяются только ускорением aW = dv/dt. Ньютон перевел эти, сугубо обыденные, ощущения на математический язык, у него все равномерные движения относительны, а ускоренные — абсолютны. Причины, вызывающие ускоренные движения, он назвал силами. Силы F пропорциональны ускорению тел с коэффициентом М, называемым инертной массой: F = МaW. Если этот закон Ньютона прочесть справа налево, видно, что части системы при равномерном движении не испытывают силового воздействия. Значит, механическими средствами равномерное движение нельзя отличить от другого такого же и пространство само по себе не оказывает силового воздействия на движущиеся тела.

Механика Ньютона позволяет наблюдать только ускоренные движения, а ускорение ведет к возникновению в системе отсчета движущегося тела сил инерции. Таковы, например, давление ног человека, направленное вниз при кратковременной остановке лифта, движущегося в направлении вверх, или центробежная сила на вращающейся карусели. Приписывая появление сил инерции пространству, в котором происходит ускорение, Ньютон доказывал реальность его существования. Оно — субстанция, способная динамически действовать на материальные тела.

Создание теории электромагнитного поля дало возможность использовать оптические явления для измерения скорости движения в пространстве: свет должен распространяться в эфире (некоей жидкости, заполняющей пространство) с постоянной скоростью, зависящей от «упругости» эфира, а скорость света, измеренная наблюдателем, должна зависеть от направления распространения света. Но проведенный А. Майкельсоном и Э. Морли опыт показал, что никакого эффекта, связанного с эфиром, нет (1887). Пришлось отказаться от эфира и наглядных представлений Ньютона о пространстве и времени, и А. Эйнштейн предложил (1905) свою специальную теорию относительности (СТО).

В основе СТО лежат два постулата: скорость света в вакууме постоянна и не зависит от движения наблюдателя или источника света; все физические явления (механические и электродинамические) происходят одинаково во всех телах, движущихся относительно друг друга прямолинейно и равномерно. Это означало сокращение длин и замедление течения времени в соответствии с преобразованиями Лоренца для тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. «Отныне пространство и время, взятые по отдельности, обречены влачить призрачное существование, и только единство их обоих сохранит реальность и самостоятельность» (Г. Минковский). Изменения длин и времен ощутимы лишь при скоростях, близких к скорости света; при меньших скоростях движение происходит по законам классической механики. В таком пространстве-времени уже удобнее криволинейные координаты. В разных системах координат по-разному будут выглядеть математические записи законов физических явлений. Итак, в СТО время и пространство объединяются в четырехмерное пространство-время.

В конце XIX в. появились неевклидовы теории пространства— различные варианты геометрии Н. И. Лобачевского, Я.Больяйи и Г. Ф. Б. Римана. Они отвергали один из постулатов Евклида — в них через точку можно провести несколько прямых, параллельных заданной, или ни одной, соответственно. Проверкой было бы измерение суммы внутренних углов треугольника, но измерения Гаусса и Лобачевского не обнаружили отклонений физического пространства от евклидового. Пространство Римана, в котором сумма углов больше 180°, соответствует геометрии на сфере и легло в основу общей теории относительности (ОТО) — обобщенной теории тяготения, разработанной Эйнштейном (1916). При наличии в пространстве тяготеющих масс (т.е. и поля тяготения) пространство искривляется, становится неевклидовым. Движения тел в нем происходят по кратчайшему пути — по геодезическим линиям. Свойства пространства-времени определяются распределением и движением материи в пространстве.

Хотя в ОТО соотношение между количеством материи и степенью кривизны простое, но сложны расчеты — для описания кривизны в каждой точке нужно знать значения 20 функций пространственно-временных координат. Десять функций соответствуют части кривизны, которая распространяется в виде гравитационных волн, т. е. в виде «ряби» кривизны; остальные десять определяются распределением масс, энергии, импульса, углового момента, внутренних напряжений в веществе и значениями универсальной гравитационной постоянной G. Из-за малости величины G нужно много масс, чтобы существенно «изогнуть» пространство-время. Величину 1/G подчас считают мерой жесткости пространства-времени (и наше пространство-время очень жесткое). Вся масса Земли создает кривизну, составляющую порядка 10^-9 кривизны своей поверхности. Чтобы представить кривизну пространства-времени вблизи Земли, подбросим мяч в воздух. Если он будет находиться в полете 2 с и опишет дугу в 5 м, то свет за эти 2 с пройдет расстояние 600 000 км. Если представить дугу высотой 5 м, вытянутую по горизонтали до 600 000 км, то ее кривизна и будет соответствовать кривизне пространства-времени. В отличие от теории гравитации Ньютона теория Эйнштейна претендует на теорию пространства-времени, т. е. на теорию Вселенной в целом.

Большинство экспериментальных данных о гравитации хорошо описывается в пространстве Евклида или в динамике Ньютона, но есть немногочисленные явления (отклонение света в поле тяготения или смещение перигелия Меркурия), которые противоречат теории Ньютона и хорошо объясняются в ОТО.

Характер физических законов существенно зависит от масштаба исследуемых явлений, и принято говорить о микро-, макро- и мегамире. Объектами микромира являются атомные ядра и молекулы, атомы и элементарные частицы. К объектам макромира относят живую клетку, человека и соизмеримые с ним предметы. Мегамир — это планеты, Солнце, звезды, галактики и вся Вселенная в целом. В мегамире существенную роль играют эффекты СТО и ОТО, преобладающим взаимодействием является гравитационное. В макромире законы движения тел определяются классической механикой, а в микромире — квантовой физикой.