Текст книги "Естествознание. Базовый уровень. 10 класс"

§ 6. Естественно-научная картина мира

1. Назовите имена учёных с античных времён до наших дней, которые внесли большой вклад в эволюцию представлений о мире.

2. Проиллюстрируйте на примерах, как происходила научная революция в биологии в XVIII–XX вв. – от разработки систематики растительного и животного мира и клеточной теории до открытия ДНК. Назовите имена учёных, совершивших эти открытия.

Общенаучная картина мира

Любая область научных исследований (гуманитарные, и естественные, и технические науки) направлена на получение новых знаний о природе, обществе или мышлении, т. е. об окружающем мире. Быть может, человечеству вовсе не нужно много частных наук, если у каждой из них в конечном счёте один объект исследования? А что если «придумать» единственную науку – какое– нибудь «мирознание»? Тогда и школьный предмет будет один-единственный. Вопрос не такой уж и абсурдный, как может показаться на первый взгляд. Во-первых, прародительницей всех наук принято считать античную, древнегреческую и древнеримскую философию. Во– вторых, любая наука использует одни и те же научные методы и приёмы, мыслительные операции, этапы научного поиска. В-третьих, мы не можем отрицать тесного переплетения, взаимопроникновения наук, особенно в одной научной области (например, среди гуманитарных или естественных наук), возникновения смежных наук (биохимия, физическая химия, биофизика и др.).

Однако многогранность окружающего мира, возрастающие практические потребности общества привели к разделению научных исследований, выделению научных областей и частных наук.

Тем не менее учёные с давних пор и до настоящего времени стремятся объединить научные знания в единую систему. Её называют общенаучной картиной мира.

Общенаучная картина мира – это обобщённая и систематизированная совокупность знаний о Вселенной, живой природе, обществе и человеке, подтверждённых на опыте или на практике, в их взаимодействии и развитии.

Под совокупностью знаний в данном случае подразумеваются философские, общественно-политические, социально-экономические, естественно-научные, технические и другие знания.

Структура естественно-научной картины мира

Частью общенаучной картины мира является естественно-научная картина мира, которая представляет собой высший уровень обобщения и систематизации всей совокупности естественно-научных знаний.

Естественно-научная картина мира – это идеальная модель природы, включающая общие понятия, принципы, гипотезы естествознания и характеризующая определённый этап его развития.

Она включает в себя картины мира отдельных естественных наук: физическую, биологическую, химическую, геологическую и т. п.

Естественно-научная картина мира имеет определённую структуру. Важнейшими её компонентами являются исходные философские категории – представления о материи, движении, пространстве и времени, взаимодействии; естественно-научные теории; методологические, общенаучные принципы, отражающие связи между теориями. Вот как это выглядит на схеме:

Эволюция естественно-научной картины мира

Первой естественно-научной картиной мира, по существу, является физическая картина мира, потому что в XVII в. физика уже приобрела все признаки науки и «вырвалась в лидеры». В химии и биологии в это время началась только систематизация огромного количества фактов. К концу XVII в. прежде всего благодаря работам Г. Галилея и И. Ньютона сложилась механическая картина мира. Открытия, которые завершили формирование механической картины мира, Ньютон изложил в своей работе «Математические начала натуральной философии» (1687).

Можно выделить основные положения механической картины мира:

• материя представлялась только в виде вещества, которое состоит из неизменных дискретных частиц – атомов;

• пространство и время считались абсолютными, т. е. однородными на бесконечной протяжённости и бесконечной длительности;

• движение понималось как изменение положения тела в пространстве, все другие виды движения сводились к механическому;

• считалось, что движение относительно и может осуществляться с бесконечно большой скоростью;

• все взаимодействия сводились к гравитационному, с позиций которого и объяснялись все явления; полагали, что гравитационное взаимодействие передаётся мгновенно без какого-либо посредника.

Вплоть до начала XIX в. атом был не больше чем гипотезой. Положение изменилось лишь в 1808 г., когда английский учёный Дж. Дальтон (1766–1844) опубликовал труд «Новая система химической философии», в котором изложил атомистическую теорию. В нём, как дань уважения Демокриту, Дальтон сохранил термин «атом», под которым понимал мельчайшую химически неделимую частицу. Атомы соединяются в молекулы, которые находятся в непрерывном движении. При химических реакциях молекулы исходных веществ разрушаются до атомов и из них образуются молекулы новых веществ. Аналогичные идеи ещё во второй половине XVIII в. пропагандировал великий русский учёный М. В. Ломоносов. По его мнению, тела состоят из корпускул, которые в свою очередь построены из элементов, что соответствует современным представлениям о строении вещества.

Окончательно атомно-молекулярное учение утвердилось в науке после съезда химиков в г. Карлсруэ в 1860 г. На этом съезде были определены понятия атомного веса (атомной массы), а также молекулы и атома. Было установлено, что молекула – это наименьшая частица вещества, вступающая в реакции и определяющая свойства этого вещества, а атом – «наименьшее количество элемента, содержащееся в молекулах».

В недрах механической картины мира зародилась электродинамическая картина мира, которая окончательно сложилась в конце XIX – начале XX в. В частности, были открыты электромагнитная индукция (М. Фарадей), магнитное поле тока (А. Ампер) и другие явления, которые не могли быть объяснены с позиций классической механики, и потребовалось введение новых теорий и законов. В электродинамической картине мира материя уже не только вещество, но и электромагнитное поле, а пространство и время относительны и связаны между собой и с материальными объектами. Движение рассматривалось не просто как перемещение в пространстве вещественных объектов, а ещё и как распространение электромагнитного поля и движение заряженных частиц. Под взаимодействием понималась не только гравитация, но и электромагнитное взаимодействие.

Таким образом, число известных фундаментальных теорий увеличилось до трёх: классическая механика, молекулярная теория и классическая электродинамика.

Примерно в это же время происходило бурное развитие биологии: К. Линней (1707–1778) разработал систематику растительного и животного мира; Г. Мендель открыл законы наследственности; Л. Пастер (1822–1895) создал вакцины против сибирской язвы и бешенства; Дарвин сформулировал эволюционную теорию. Эти открытия позволили говорить о научной революции в области биологии.

Для XIX в. характерно стремительное развитие и химической науки. Великий русский химик Д. И. Менделеев открыл Периодический закон и создал Периодическую систему химических элементов. А. М. Бутлеров разработал теорию химического строения органических соединений. Бурно развивались стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика. Блестящих успехов достигли прикладная неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах началась дифференциация химии – выделение её отдельных ветвей (органическая, неорганическая, аналитическая химия и пр.), приобретающих черты самостоятельных наук.

В конце XIX – начале XX в. были обнаружены такие экспериментальные факты, которые не находили объяснения в рамках электродинамической картины мира. К ним относятся, в частности, явление фотоэффекта (Г. Р. Герц, 1857–1894; А. Г. Столетов, 1839–1896) и радиоактивность (А. А. Беккерель, 1852–1908). Эти и другие факты получили своё объяснение в квантово-полевой картине мира, построение которой продолжается и сейчас. В такой картине мира материя существует в виде и вещества, и поля. Эти два вида материи связаны между собой и могут взаимно превращаться. Движение понимается как изменение состояния не только макроскопических, но и микроскопических объектов. Пространство и время связаны между собой и с материей.

Принципы, отражающие взаимосвязь фундаментальных теорий

Как вы уже поняли, появление новых фундаментальных взглядов на природные явления не отвергало, а углубляло и расширяло предшествующие теории, существовавшие в науке. Взаимоотношения старых и новых теоретических представлений определяются четырьмя основными принципами. Рассмотрим каждый из них.

Принцип соответствия. Сущность этого принципа состоит в том, что каждая старая теория входит в более общую новую теорию как её частный предельный случай. Так, классическая механика является предельным случаем более общей теории – специальной теории относительности, геометрическая оптика – предельным случаем волновой теории (при v «c) и т. п.

Впервые идею соответствия использовал Н. И. Лобачевский (1792–1856), создавая свою геометрию, частным случаем которой является геометрия Евклида (ок. 365 – между 275 и 270 г. до н. э.). Геометрия Лобачевского переходит в геометрию Евклида при бесконечно большом радиусе кривизны пространства.

До уровня общенаучного принципа идею соответствия довёл Н. Бор. Разрабатывая теорию строения атома, он обратил внимание, что в определённых частных случаях существует соответствие квантовых и классических представлений об излучении атома.

В настоящее время принцип соответствия определяет общую закономерность развития всех естественных наук. Например, он проявляется в синтетической эволюционной теории, которая включает в себя важнейшие положения дарвинизма, генетики и экологии. В химии ярким примером этого принципа является развитие представлений о причинах периодического повторения свойств химических элементов и образованных ими веществ. Первая формулировка Периодического закона связывала периодичность свойств с увеличением атомной массы химических элементов, последующая – с ростом заряда атомного ядра и наконец – с периодическим повторением строения внешних электронных слоёв атомов.

Принцип дополнительности. Этот принцип означает необходимость и возможность применения двойственного подхода к исследованию и описанию различных явлений. Ещё во времена Ньютона сложились две точки зрения на природу света. В соответствии с первой точкой зрения, которую поддерживал Ньютон, предполагалось, что свет – это поток световых частиц, которые распространяются в пространстве. Вторая точка зрения рассматривала свет как волну, распространяющуюся в упругой среде.

В XIX в. восторжествовали волновые представления о свете, было доказано, что свет распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн со скоростью 300 000 км/с для вакуума. В начале XX в. установили, что при взаимодействии с веществом свет ведёт себя как частицы. Эти частицы, получившие название фотонов, обладают определённой энергией, которая зависит от частоты колебаний в электромагнитной волне.

Бор писал, что эти две точки зрения на природу света являются попыткой объяснить экспериментальные данные. При этом классические представления (свет – волна) дополняются современными (свет – фотоны, кванты). Революционность взглядов Бора заключается в том, что он не разделил, а объединил, взаимодополнил, казалось бы, противоречащие друг другу взгляды на природу света.

Такой подход был необычен для классической логики, в которой существует правило «исключённого третьего»: из двух противоположных высказываний одно истинно, другое – ложно, а третьего быть не может. В классической физике не было случая усомниться в этом правиле, поскольку там понятия «волна» и «частица» действительно противоположны и несовместимы по своему существу. Как оказалось, в атомной физике оба они одинаково хорошо применимы для описания свойств одних и тех же объектов, причём для полного описания необходимо использовать их одновременно.

Бор распространил принцип дополнительности и на другие области физики, возведя его в ранг физического принципа.

Возникнув в недрах физики, принцип дополнительности в настоящее время стал общенаучным методологическим принципом, поскольку он справедлив как в области природных явлений, так и в жизни общества.

Рассмотрим применимость этого принципа для биологии на примере жизни клетки. Клетка – самая малая часть, структурная единица любого организма и основа его жизнедеятельности. Изучить жизнь клетки – значит узнать и понять все процессы, которые в ней происходят: как клетки растут, соединяются в ткани, как из разных тканей строятся разные органы и как они дополняют друг друга в жизнедеятельности целого организма. Важнейший принцип биохимии, лежащий в основе передачи наследственности, так и называется – принцип дополнительности, или комплементарности. Этот принцип раскрывает основы формирования двойной спирали ДНК и её способности к самоудвоению.

Принцип дополнительности в гуманитарной сфере проиллюстрируем примером, который для вас будет небезынтересен. С давних пор известно, что наука – это лишь один из способов изучить окружающий мир. Другой, дополнительный способ воплощён в искусстве. Само совместное существование искусства и науки – хорошая иллюстрация принципа дополнительности. Можно полностью уйти в науку или всецело жить искусством – оба эти подхода к жизни одинаково правомерны, хотя, взятые по отдельности, они и неполны. Стержень науки – логика и опыт. Основа искусства – интуиция и вдохновение. Но искусство балета требует математической точности, а, по словам великого Пушкина, «вдохновение нужно в геометрии, как и в поэзии». Всё это не противоречит, а дополняет друг друга: истинная наука сродни искусству – точно так же, как настоящее искусство всегда включает в себя элементы науки. В высших своих проявлениях они неразличимы и неразделимы, как свойства «волна – частица» в атоме. Они отражают разные, дополнительные стороны человеческого опыта и лишь взятые вместе дают нам полное представление о мире.

А вот ещё один яркий пример принципа дополнительности, иллюстрирующий совместное существование искусства и науки (в данном случае – ботаники). Очевидно, только детальное знание ботанических объектов позволило художнику-маньеристу Дж. Арчимбольдо (1527–1593) создать знаменитый портрет императора Рудольфа II Габсбурга (рис. 17).

Рис. 17. Дж. Арчимбольдо. Портрет императора Рудольфа II в образе Вертумна – бога времён года и их различных даров. 1591 г.

Принцип причинности. Причина – это то, что приводит к изменениям, а следствие – изменения, которые порождаются причиной. Мы говорим о причине, когда стремимся объяснить то или иное событие, мотив своих действий и т. п. Данное событие не может быть причиной событий из прошлого, т. е. принцип причинности устанавливает допустимые влияния событий друг на друга.

На принципе причинности основано научное познание действительности и организована вся материально-практическая деятельность человека. Человек не только наблюдает определённую регулярность, повторяемость, временную последовательность возникновения тех или иных явлений, но и активно воздействует на природу, целенаправленно изменяет её. Вы, конечно, слышали, что в последнее столетие наблюдается повышение среднегодовой температуры на земном шаре. Это может привести к катастрофическим последствиям в результате таяния полярных льдов. Повышение температуры – это следствие повышения содержания в атмосфере так называемых парниковых газов, в первую очередь углекислого газа. Каковы причины накопления CO₂ в атмосфере? Одна из них – хозяйственная деятельность человека. Описанная причинно-следственная цепочка заставила государственных деятелей большинства стран мира подписать Киотский протокол.

Киотский протокол – международное соглашение, принятое в декабре 1997 г. в Киото (Япония), обязывает страны сократить выбросы в атмосферу парниковых газов.

В каждой естественной науке принцип причинности находит своё отражение. В классической механике, например, принцип причинности используется для выбора начальных условий к соответствующим уравнениям динамики, что обеспечивает однозначность их решения, т. е. возможность рассчитать траекторию движения тела и его положение в любой момент времени. В химии свойства вещества являются следствием их химического строения.

В рамках современной квантово-полевой картины мира говорят о вероятностной причинности. Это означает, что состояние частицы в любой момент времени не может быть определено точно и однозначно, это можно сделать лишь с некоторой вероятностью. В частности, состояние электрона или любой другой элементарной частицы характеризуется координатой и импульсом так же, как и состояние макроскопического тела. Однако если для макроскопического тела можно определить однозначно и координату, и импульс одновременно, то для элементарной частицы точно можно определить лишь одну из величин – либо координату, либо импульс. Другая при этом будет определена с некоторой вероятностью. Этот принцип позволяет представить себе состояние электрона в атоме в виде электронного облака, в каждой точке которого пребывание электрона носит вероятностный характер.

Принцип причинности – основа понимания не только явлений природы, но и хода исторических событий, социальных явлений, экономического развития. Понятно, что его следует учитывать в любой сфере человеческой деятельности.

Рис. 18. Примеры проявления симметрии в природе и в архитектуре

Принцип симметрии. Слово «симметрия» в переводе с греческого означает соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей. Античные философы считали симметрию, порядок и определённость сущностью прекрасного.

В истории науки понятие симметрии меняло своё содержание. Возникнув как представление о красоте и гармонии природы (рис. 18), симметрия постепенно стала пониматься как принцип организации и устройства мира.

Принцип симметрии основан на изначальных представлениях об однородности и изотропности пространства. С ней непосредственно связаны законы сохранения. Так, закон сохранения импульса связан с симметрией или однородностью пространства. Это означает, что физические законы одинаковы во всех точках пространства. Закон сохранения энергии связан с симметрией или однородностью времени, и это означает, что физические законы в любой момент одинаковы, т. е. время не влияет на соблюдение физических законов.

Исследование симметрии в природе стало одним из принципов теоретического исследования мира. Законы природы позволяют предсказывать явления, а принципы симметрии – открывать законы природы. Например, уравнения Максвелла в электродинамике получены на основании симметрии между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл исходил из убеждения, что взаимодействия электрического и магнитного полей должны быть симметричными, и поэтому ввёл в свои уравнения дополнительное слагаемое, учитывающее это обстоятельство.

Молекулы многих сложных органических веществ (аминокислот, белков, углеводов) характеризуются хиральностью (англ. chirality, от греч. cheir – рука) – свойством молекулы быть несовместимой со своим зеркальным отражением любой комбинацией перемещений в трёхмерном пространстве, как наша левая и правая рука. Молекулы, образующие живые организмы, могут обладать единственной ориентацией – «правой» или «левой». Например, молекулы ДНК всегда имеют вид спирали, закрученной вправо, а белки живых организмов построены только из «левых» аминокислот. Значение зеркальной симметрии в организации жизни на нашей планете очень велико, так как хиральные молекулы могут существенно отличаться как по своей биологической активности, так и по совместимости с другими природными соединениями, подходя друг к другу, как ключ к замку.

Лабораторный опыт

Запах мятной жевательной резинки обусловлен пахучим веществом – L-карвоном («левой» ориентации). Запах тмина обусловлен D-карвоном. Разницу в запахе между этими хиральными молекулами улавливают 80 % людей, 20 % эту разницу не чувствуют.

Поместите кусочек мятной жевательной резинки в одну пробирку, 10 семян тмина – в другую, в третью пробирку – или кусочек жвачки, или семена тмина. Закройте пробирки пробками. Попросите одноклассника закрыть глаза, понюхать содержимое каждой пробирки по очереди и определить, какие пробирки пахнут одинаково, а какая имеет другой запах. В свою очередь, понюхайте содержимое пробирок, приготовленных им. К какой группе людей вы относитесь?

Симметрия в живой природе никогда не бывает абсолютной, всегда присутствует какая-то доля «несимметрии». Хотя с симметрией мы встречаемся практически всюду, но при этом замечаем часто не её саму, а её нарушение – асимметрию.

Симметрия и асимметрия – две полярные противоположности объективного мира. На разных уровнях развития материи присутствует то симметрия – относительный порядок, то асимметрия тенденции нарушения покоя, движения, развития.

Асимметрия присутствует уже на уровне элементарных частиц и проявляется в абсолютном преобладании в нашей Вселенной частиц над античастицами. Известный физик Ф. Дайсон писал: «Открытия последних десятилетий в области физики элементарных частиц заставляют нас обратить особое внимание на концепцию нарушения симметрии. Развитие Вселенной с момента её зарождения выглядит как непрерывная последовательность нарушений симметрии. В момент своего возникновения при грандиозном взрыве Вселенная была симметрична и однородна. По мере остывания в ней нарушается одна симметрия за другой, что создаёт возможности для существования всё большего и большего разнообразия структур. Феномен жизни естественно вписывается в эту картину. Жизнь – это тоже нарушение симметрии».

Таким образом, естественно-научные знания о природе в систематизированном и обобщённом виде представляют собой естественно-научную картину мира, в которой представления о материи и движении, пространстве и времени являются общенаучными, философскими категориями.

« Но окружающий нас мир, вернее, миры настолько разнообразны, что о них надо сказать отдельно, и вы узнаете это из следующего параграфа.

Вы знаете

♦ что называют общенаучной картиной мира

♦ какова структура естественно-научной картины мира

♦ как эволюционировала естественно-научная картина мира

Вы можете

♦ представить, как естественно-научная картина мира менялась, начиная с XVII в. и до наших дней

♦ перечислить принципы, которые лежат в основе взаимосвязей фундаментальных теорий, и на примерах из разных естественных наук – химии, физики, биологии – проиллюстрировать эту взаимосвязь

♦ доказать на примерах, что взаимопроникновение искусства в науку и наоборот – яркая иллюстрация принципа дополнительности

Выполните задания

1. Обоснуйте, почему, на ваш взгляд, в естественно-научной картине мира присутствуют такие философские категории, как пространство, время, материя и др.

2. Кратко раскройте сущность научных принципов, которые определяют взаимосвязь естественных наук, и проиллюстрируйте примерами.

3. Проиллюстрируйте принцип соответствия на примере развития атомно-молекулярного учения.

4. Мифологическое существо – кентавр – можно рассматривать как своеобразный пример принципа дополнительности. Поясните почему.

5. Рассмотрите картину Дж. Арчимбольдо «Портрет императора Рудольфа II в образе Вертумна – бога времён года и их различных даров». Какие овощи и фрукты использовал художник для создания портрета, почему именно их? Сформулируйте свою точку зрения, соотнесите её с принятой в искусствоведении, используя возможности Интернета.

Темы для рефератов

1. Этапы развития естественно-научной картины мира. 2. Аристотелева картина мира и современный взгляд на естественно-научную картину мира. 3. Искусство и архитектура в тесной связи с законами физики, химии, математики – яркий пример проявления принципа дополнительности.