Текст книги "Концепции современного естествознания"

Концепции современного естествознания
Аруцев А.А., Ермолаев Б.В., Кутателадзе И.О., Слуцкий М.С
учебное пособие

Предисловие

Перед Вами, уважаемый читатель, коллективный труд преподавателей, систематически ведущих теоретические и специальные курсы по предметам современного естествознания.

После этого представления, авторы спешат подчеркнуть две важные особенности настоящего пособия.

Во-первых, мы постоянно помним о главных «адресатах» – студентах гуманитарного профиля. Отсюда – минимум формул, графиков и сложных схем – практически полное отсутствие математического аппарата. Для авторов такой подход связан с дополнительными трудностями, для читателей (мы надеемся!) это избавление от излишней сложности, по принципу – больше доступности, больше уверенности в успехе на ниве современной науки. Проще говоря – садись, читай, думай!

Во-вторых, обратите внимание, это не учебник. Пособие служит несколько другому «делу». Не столько последовательное изложение учебного курса, сколько приглашение к содержательной беседе по поводу наиболее интересных, значительных проблем современного естествознания, в частности физики, биологии, антропологии. Авторы ориентировались на важнейшие «узлы», поворотные точки истории науки, по которым можно понять, точнее – глубже осознать природу естествознания, как единой науки в ее целостности, во взаимосвязи истории, теории, методов и, соответственно, мировоззренческих аспектов. Более конкретно, в пособии рассматриваются и анализируются проблемы возникновения Вселенной, ее эволюции, саморазвития, саморегуляции и самоорганизации. Осмысливается взаимосвязь материи, пространства и времени, законов природы, принципов детерминизма, мира в его бесконечном многообразии и во все более умопостигаемой его глубине. По таким же принципам рассматриваются актуальные вопросы современной биологии, элементы антропогенеза в единстве деятельной и мыслительной сторон саморазвития человечества. Нам представляется центральным для всей работы обсуждение идей В. И. Вернадского о ноосфере.

Исходя из принципиальной позиции – подлинной свободы взглядов и оценок, мы сочли возможным кратко изложить (в Приложении) некоторые теоретические соображения по поводу библейского истолкования сотворения мира.

В целом, наша позиция очевидна: бесконечному многообразию мира соответствует неисчерпаемое, развивающееся его познание. Более того, сами знания, наука, как результаты творческой деятельности мыслящего человечества, становятся реальными компонентами познания процесса саморазвития и самосовершенствования природы.

И еще одна особенность данного пособия. Оно, в значительной мере, базируется на идеях, взглядах и оценках крупнейших ученых и естествоиспытателей. Авторы стремились передать их предельно близко к оригинальным текстам. Читатели получают настоящую науку, как говорят, «из первых рук». Более конкретно, речь идет о таких деятелях науки, историках и популяризаторах, как И. Р. Пригожин, В. И. Вернадский, Н. Н. Моисеев, С. Хокинг, М. М. Постников, А. К.Айламазян, В. Е. Жвирблис, Ю. А. Шрейдер, В. Л. Ушаков, Б.М.Медников, С. Резник, С. С. Фейгельман и других.

Как говорится, «проверка» пирога – в его съедении. Читайте, постигайте современное естествознание, как результат творческого, умственного освоения мира. Учитесь больше знать, больше понимать и самостоятельно мыслить! Успехов Вам, дорогие друзья!

Введение
Предмет естествознания и проблемы моделирования

Если попытаться, хотя бы в самом общем виде, представить себе историю мысленного овладения миром, то в ней обнаруживаются, «переплетаются» три линии, три направления, образующие единство цивилизационного процесса – действие (Д) – знание (З) – понимание (П). Они не только взаимодействуют – они дополняют, взаимно инициируют друг друга:

Так, в предельно сжатой и упрощенной форме можно определить суть именно человеческого существования – овладение миром в процессе деятельностного, познавательного, осмысленного существования в нем.

Осваивая природу, человек обобщает, сохраняет в знании прежний опыт, осмысливает достигнутое, прорывается в новые сферы неведомого, реализуя на новом уровне бесконечной спирали свои возможности созидания, творения нового, преобразуемого трудом, разумом и творческим осмыслением природы. В общем, действие опосредованно знанием, знание – пониманием, а оно в свою очередь открывает новые возможности эффективных действий. Принципиальным, для понимания предложенной схемы, отражающей единство прошлого, настоящего и будущего, – является также возникающее и постоянно преодолеваемое противоречие между конкретным единичным действием и его «сохранением» в абстрактной (обобщенной) форме. Непосредственное действие универсализируется, проходит как бы умственное препарирование и становится обобщенным, более ценным для новых действий. В свою очередь, процедура осмысления, умственной «реконструкции» реальности включается в жизненные процесс существования человека, активной его жизнедеятельности. Происходит взаимодополнение реального, практического, непосредственно материального существования и необходимого «соединения» с духовным, идеальным, обобщенным, создаваемым мыслью миром. В отличие от господствовавших многие десятилетия примитивизмов, мы фиксируем не только отражение сознанием реальности, но и включение мыслительной деятельности субъекта в реальное существование окружающего мира. В этом, не забегая вперед, глубинный смысл учения о ноосфере. Человек, при помощи мысли не только овладевает природой, но и преобразует, «очеловечивает» ее, создает вторую природу – культуру, цивилизацию, науку, тот сложный мир в котором мы живем, действуем, мыслим. Однако, слишком простое объяснение таит в себе опасность неверных выводов. Пока ясна, исторически и логически, взаимосвязь действия и мысли – условие и предпосылка образования цивилизации. Но реально, такое объяснение предполагает еще одну составляющую, – социальность. Мыслящие люди всегда сосуществуют, действуют в системе общественных связей и отношений. Реальный человек реализуется в своей социальной сущности. Очень кратко напомним, что вертикальное положение тела, передвижение на нижних конечностях и овладение речью (напомним, слово – материальная оболочка мысли), а также эффективная трудовая деятельность, т. е. собственно человеческие качества приобретаются и реализуются в совместном существовании, в реальных формах общественной жизни. Поэтому, в науке рассматривают биосоциальную сущность человека, как мыслящего, говорящего, общающегося, действующего, вместе с другими: индивидуальность возникает как продукт социальности.

Итак, отличные от животных потребности, предполагают совместные, осознанные действия людей, мысленное «освоение» природы, мысленная «проработка» вариантов и способов решения предстоящих задач. Другими словами, действия человека предполагают свободу выбора, многовариабельность решений, их постоянная критическая оценка и сравнительный анализ. Умственная деятельность – абсолютное условие именно человеческого бытия. Важная ее особенность – многовариабельный мир, абстрактная форма, открывающая возможность новых повторений в изменяющихся условиях. Таким образом, единичное действие, осмысленное и обобщенное, становится основой нового применения в качестве прикладного знания. Последнее благодаря теоретико-познавательной, мыслительной деятельности, превращается в науку, в систему познанных общих правил, принципов и законов. Не претендуя на строгость, можно заметить, что из мыслей и слов вырастают идеи, теории, системы мыслительных процедур, формируется наука. Затем вступают в действие принципы дифференциации знаний. Чтобы быть эффективной, наука становится специальной. В свою очередь, дифференциация неизбежно порождает интегративные процессы, взаимодействие которых определяет универсальную особенность саморазвития человечества, его познавательной активности. В самом общем виде, можно выделить три направления (три крупных «блока») развития науки. Учения о природе, об обществе, о человеке и его мышлении. Реализуется также, как совокупное знание о мире и его осмыслении, философская составляющая умственного прогресса, объединяющая онтологические, гносеологические, методологические и, наконец, аксеологические (ценностные) аспекты познания. В рамках обсуждения концепций современного естествознания философский аспект (прежде всего, как теоретико-методологический) будет постоянно необходимым и действующим. В порядке примера, именно философия «тащит» на себе тяжелейший «груз» объяснения неизбежных противоречий, в частности, между действием и мыслью, вырастающем в качественное несовпадение практики и теории, впрочем, как их же неизбежное взаимодействие. Практика склоняет нас к конкретному, единичному, фактическому и однозначному, а мысль «поднимает» понимание мира к абстрактности, обобщению, универсальности и всеобщности. Уместно также подчеркнуть, именно в этом ключе объяснение общепланетарного характера деятельности человечества. Действие и мысль, повторим в качестве вывода, – две стороны именно человеческого существования, единые, взаимополагаемые и постоянно взаимодействующие, образующие реальную историю планеты Земли. Этот же принцип определяет общие тенденции развития науки, как соединения прикладного (с середины XV века также и экспериментального) знания, дополненного развитием теоретической мысли. В свою очередь, складывающаяся теория и прогрессирующая наука в целом, ведут к новым прорывам в промышленном производстве, строительстве, экономической жизни.

Далее, очевидно, – новый уровень науки, вызывающий масштабные практические преобразования, включая неизбежные изменения в области социальных отношений.

Возвращаясь к науке, напомним, что ее прогрессу способствовало формирование теоретического естествознания, осознание его общенаучного характера.

Курс «Концепции современного естествознания» аккумулирует историю науки, теоретические, общеначальные и философские аспекты прогресса естественных наук, объяснение и оценку их роли в решении современных технических и, в определенной мере, социальных проблем. Заметим, например, что серьезные социальные перемены и возможности образования социально-ориентированных (справедливых) обществ, в значительной (точнее – в решающей) степени определяются уровнем современного производства, реализацией возможностей научно-технического прогресса, порожденного, в том числе, успехами естественных наук.

Уместно также подчеркнуть, что авторы исходят из понимания общечеловеческого характера, единства науки, как выражения единства мира, в самом широком и универсальном его понимании. Оно (это единство) скрепляется логической обусловленностью и органической взаимосвязью абстрактного и конкретного, материального и духовного, внутреннего и внешнего, единичного и всеобщего, теоретического и прикладного.

Курс «Концепции современного естествознания» – продукт совместных усилий специалистов, обеспечивших анализ творческих возможностей мыслящего человечества. Стержневым, для дальнейшего прогресса науки, бесспорно, является учение В. И. Вернадского о ноосфере, которому в нашем пособии уделено достойное место и значительное внимание.

Слово «наука» в русском языке имеет очень широкое значение. Наукой является физика, наукой является литературоведение, наукой является учение о сварке (недаром есть институты сварки), наукой является искусство плетения лаптей (оборот «он постиг науку плетения» по-русски вполне допустим, а института по последней науке нет только потому, что это сейчас не актуально).

В английском языке дело обстоит иначе и слово science имеет существенно более узкое значение, означая то, что в русском языке называется естественными науками, т. е. науками о природе. В этом смысле и будем употреблять слово «наука».

Внимательно рассмотрим какую-нибудь естественную науку, скажем физику. Что изучает физика? Ответ кажется тривиальным. Наука физика изучает природу. Или точнее, некоторые аспекты природы (в отличие, например, от химии). Ну, а что изучают физики? Казалось бы, какая разница? Но тут есть тонкое различие. Физики вовсе не изучают природу непосредственно, они не занимаются явлениями природы, как таковыми. Физик-экспериментатор, ставя эксперимент, смотрит на движение каких-то стрелок, изучает фотографии треков каких-то частиц, и тому подобное. Физик-теоретик что-то пишет на бумаге, делает какие-то вычисления, приходит к каким-то выводам о результатах тех или иных экспериментов. Вот непосредственно чем занимаются физики.

Ну, а какое имеет отношение к природе их деятельность? Очень простое. Прежде чем ставить эксперимент или производить какие-то вычисления, человек создает в своем уме некую модель тех явлений, которые он хочет изучить, исследовать. Анализируя модель, физик делает вывод, каким должен быть результат эксперимента. Он ожидает, что если собрать такой-то прибор, то стрелки будут показывать то-то и то-то. Он собирает такой прибор, ставит эксперимент и убеждается, что стрелки ведут себя нужным образом. Он с удовлетворением говорит, что его модель достаточно точно отражает исследуемое явление. Аналогично, теоретик, имея запас некоторых законов природы, – или придумывая новый закон, – делает из него выводы и смотрит, согласуются ли эти выводы с тем, что получает экспериментатор. Так работают физики.

Таким образом, основное в деятельности естествоиспытателей – это исследование окружающего мира, через его моделирование. Здесь слово «модель» употребляется в максимально широком смысле (любое словесное описание – это уже модель). Модели должны быть не слишком просты – иначе можно не уловить существенных черт явления – но и не слишком сложны – иначе модель нельзя будет исследовать.

С течением времени ученые научились придумывать удовлетворяющие их модели и на этой основе исследовать окружающий мир.

Возникает вопрос, почему этот метод приводит к успеху? Почему мы познаем мир посредством моделей? Это очень тонкий, чисто философский вопрос. Так М.М.Постников сформулировал «первый основной вопрос философии природы». Удивительно, что до сих пор никто его не поднимал.

Быть может, ответ можно получить, рассмотрев сначала иной – возможно даже более интересный вопрос – возможно ли изучение природы без моделей, на основании каких-то совершенно других принципов? А если да, то насколько эффективны такие методы познания?

Возможны, конечно, подходы в рамках религиозного или мистического опыта, но это полностью выходит за пределы нашей темы.

Как бы то ни было, будем считать экспериментально установленным тот факт, что природу мы познаем с помощью моделей.

Второй экспериментальный факт состоит в том, что, рассматривая модели в разных науках, мы вдруг обнаруживаем группы чрезвычайно сходных моделей и результаты, полученные в одной модели, могут быть применены в другой. Например, изменение численности хищника в системе «хищник-жертва» очень похоже на изменение силы тока в колебательном контуре. Каждый может привести массу таких примеров.

Исходя из этого, М.М.Постников сформулировал «второй основной вопрос философии природы»: В чем причина такой схожести моделей? В отличие от первого, на него многие пытались давать ответы, но все эти ответы представляли собой чисто словесную шелуху. Например, одно из широко распространенных объяснений состоит в том, что этот параллелизм обусловливается материальным единством природы. Но, конечно, настоящего объяснения до сих пор нет и, по-видимому, сейчас это одна из важнейших проблем философии.

Схожесть моделей можно по-иному выразить, сказав, что модели каждого класса имеют общую схему, т. е. что схожие модели – это модели, которые основываются на одной и той же схеме. Введя, таким образом, понятие схемы, мы приходим к задаче абстрактного изучения схем как таковых, безотносительно к их конкретному воплощению.

Математикой называется наука, изучающая все возможные – хотя бы мысленно – схемы, их взаимосвязи, методы их конструирования, иерархии схем (схемы схем) и т. д. и т. п. Таким образом, математика не есть наука о моделях окружающего мира, а есть наука о схемах этих моделей. Математики детально изучают имеющиеся схемы моделей и обобщают опыт их применения.

Однако, многочисленность разнообразных схем моделей, накопленных в математике, не позволяет практику (скажем, инженеру) их все знать. Поэтому задача математиков – помочь практике в создании моделей по еще не получившим широкой известности схемам. С этой целью в математике изучаются не только схемы реальных моделей, но и схемы схем, схемы схем схем и т. д. до бесконечности. На практике это выражается в приобретении опыта конструирования схем на примерах решения головоломных, чисто математических задач. В результате очень часто при ответе на какой-нибудь вопрос из практики математик, как фокусник из рукава, вытаскивает нужную схему и вместе с ней решение практической задачи.

Наконец, в математике нужно постоянно придумывать принципиально новые схемы моделей. Иногда – при редкой удаче – это удается сделать, так сказать, «из головы». Но, как правило, эти схемы приходится с большим трудом извлекать из реальных моделей. Каждый раз это – крупный успех, знаменующий скачок в развитии математики, открывающий новое поле работы. Поэтому для развития математики необходимо постоянное обращение к практике.

В последнее время широко распространилось мнение, что внедрение в практику компьютеров резко изменило принципы взаимоотношений математики и других наук. На самом деле это мнение основано на недоразумении. Компьютеризация никак на эти принципы не повлияла. Она лишь сделала безнадежно устаревшими многие излюбленные схемы моделей и позволила разработать другие, более эффективные. В истории математики так происходило уже много раз, и появление компьютеров лишь направило этот процесс по новому пути.

Следует сказать, что та или иная конкретная наука вполне может существовать и даже процветать и без разработанных в математике моделей. Примером являются биология (в которую математические модели только начали проникать) и эстетика (где математика еще не используется). Тот факт, что разработанные в математике схемы моделей – так уж сложилось исторически – ориентированы в первую очередь только на «точные» науки естествознания, является основным дефектом современной математики. Одной из ее первоочередных задач должно быть осмысление «гуманитарных» моделей и создание их общей теории. Эта теория, по-видимому, будет совсем не похожа на привычные математические схемы и, во всяком случае, не будет иметь вид формального исчисления. Основные идеи этой будущей теории не должны заимствоваться из уже имеющихся в математике принципов, а должны возникать из конкретного анализа моделей гуманитарных наук.

Известное противопоставление «физиков» и «лириков» отражает существование двух дополнительных равноправных способов освоения фактов реального мира – рационалистического, выражающегося в системе наук, и эмоционального, выражающегося в системе искусств. Попытки исследования моделей искусства делаются ныне в рамках кибернетики (это так называемые «кибернетические теории искусства»), но их общим дефектом является стремление к дурно понятой «математизации». На самом же деле и здесь общие принципы должны не привноситься извне, а возникать на базе анализа конкретного материала той или иной области человеческой деятельности. В отношении многих математических понятий утверждение, что они являются схемами каких-то моделей, возражений не вызывает. Например, общеизвестно, что уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами – это схема всех моделей колебательного движения, в какой бы конкретной ситуации они не возникали.

Однако, дискуссию вызывает вопрос, как в эту концепцию входит понятие числа. Это действительно трудный вопрос, потому что возникновение понятия числа столь древнее явление, что едва ли остались следы, как люди пришли к этому понятию, т. е. в результате абстрагирования каких моделей оно возникло… Но оказывается, что это не совсем так – следы остались!

Например, они обнаруживаются в японском языке. В этом языке существуют специальные группы числительных, скажем, для круглых предметов, совсем другие числительные для длинных предметов, совсем другие числительные для живых предметов и так далее. С точки зрения, европейской грамматики это оформляется, сейчас, правда, не как различные числительные, а как одни и те же числительные, к которым прибавляются различные суффиксы. Но это вопрос лишь описания этого языкового явления. Можно сделать вывод, что система японских числительных представляет собой некоторый рудимент хода мыслей, в котором люди пришли к абстрактному понятию числа и, где-то на самом первоначальном уровне еще питекантропов, для арбузов была одна система числительных, для дынь – другая, для палок – третья, для людей – четвертая. Конечно, это система далеко не уходила – раз, два, три и все, но, во всяком случае, для каждого набора предметов были собственные слова для их счета. Потом постепенно было замечено, что, можно использовать одни и те же слова для всех предметов круглой формы, но для предметов продолговатой формы остались другие слова. Только на очень высокой ступени развития пришли к той мысли, что вообще конкретная суть предметов роли не играет и счет можно производить в совершенно абстрактной форме.

Таким образом, моделями здесь были процедуры счета конкретных вещей, причем для каждого конкретного вида предметов использовались свои слова. А потом было замечено, что эти процедуры очень схожи, и было выработано понятие числа, как схемы любого конкретного счета.