«Н.М. Юрина С.И. Алексеев Концепция современного естествознания Учебное пособие Руководство по курсу Учебная программа Москва 2004 1 УДК 5 ББК 20 Ю 72 Юрина Н.М., Алексеев С.И. КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ: ...»

Международный консорциум «Электронный университет»

Московский государственный университет экономики,

статистики и информатики

Евразийский открытый институт

Н.М. Юрина

С.И. Алексеев

Концепция современного

естествознания

Учебное пособие

Руководство по курсу

Учебная программа

Москва 2004

1 УДК 5 ББК 20 Ю 72 Юрина Н.М., Алексеев С.И. КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ: Учебное пособие, руководство по курсу, учебная программа / Московский государственный университет экономики статистики и информатики. – М., 2004. – 124 с.

Учебное пособие составлено в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и предназначено для студентов экономических и гуманитарных специальностей.

В пособии представлены краткая история естествознания, панорама современного естествознания и тенденции развития, даны представления о связи естественнонаучной и гуманитарной культур, о научных методах и процессе познания. Отдельные темы посвящены структурным уровням организации материи, развитию представлений о пространстве и времени, основным принципам и закономерностям в природе. Рассмотрены законы сохранения в макроскопических процессах, принцип возрастания энтропии. Изложены основные законы и представления химии, особенности биологического уровня материи, представления об эволюции и генетике, учение о биосфере и ноосфере; состояние современной экологии; принципы универсального эволюционизма; путь к формированию современной научной картины мира.

(Список лит.: 44 назв).

ISBN 5-7764-0486-Х © Юрина Н.М., © Алексеев С.И., © Московский государственный университет экономики, статистики и информатики, Содержание УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Введение……………………………………………………………………………............. 1. История естествознания…………………………………………………………............ 2. Панорама современного естествознания………………………………………............. 3. Методы научного познания…………………………………………………….............. 3.1. Понятие метода и методологии.

Классификация методов научного познания …………………………………….. 3.2. Общенаучные методы эмпирического познания……………………………........ 3.3. Общенаучные методы теоретического познания……………………………....... 3.3.1. Абстрагирование. Восхождение от абстрактного к конкретному.………........ 3.3.2. Идеализация. Мысленный эксперимент……………………………………....... 3.3.3. Формализация. Язык науки…………………………………………………........ 3.3.4. Индукция и дедукция………………………………………………………......... 3.4. Общенаучные методы, применяемые на эмпирическом и теоретическом уровнях познания ……………………………………………… 3.4.1. Анализ и синтез………………………………………………………………....... 3.4.2. Аналогия и моделирование…………………………………………………........ 4. Структурные уровни организации материи (микро-, макро- и мегамиры)……......... 4.1. Развитие представлений о микромире…………………………………………..... 4.1.1. Квантовая физика и ее роль в развитии представлений о микромире……...... 4.2. Макро- и мегамиры……………………………………………………………........ 4.3. Гипотезы о происхождении Земли и других планет…………………………...... 4.4. Эволюция Вселенной и ее составляющих……………………………………....... 5. Развитие представлений о движении, пространстве, времени, материи и их соотношении при переходе от механики Галилея-Ньютона к релятивистской картине мира………………………

6. Основные принципы и закономерности в природе……………………………............ 6.1. Принцип относительности……………………………………………………….... 6.2. Принцип симметрии……………………………………………………………...... 6.3. Принцип взаимодействия………………………………………………………...... 6.4. Принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности…………....... 7. Закон сохранения энергии. Принцип возрастания энтропии…………………............ 8. Химия как естественная наука. Ее роль в развитии естествознания…………............ 8.1. Понятие об объектах, изучаемых химией. Становление химии как науки…...... 8.2. Законы сохранения в химии……………………………………………………...... 8.3. Основы атомно-молекулярного учения. Химические соединения, системы, реакции и процессы (связи, строения, энергетика)…………………… 8.4. Химическая технология. Химическая промышленность……………………....... 8.5. Состояние современной химии, тенденции развития………………………........ 9. Особенности биологического уровня организации материи, его эволюция…........... 11. Развитие принципов единства природы, всеобщего эволюционизма.

Контрольные тесты для самостоятельной оценки качества РУКОВОДСТВО ПО КУРСУ

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА

Учебное пособие Естествознание – неотъемлемая и очень важная часть общечеловеческой культуры.

Знание современных научных концепций, фундаментальных научных положений является необходимым элементом общекультурной подготовки специалистов в любой области деятельности, в том числе экономической, гуманитарной и др.

Концептуальное изучение проблем научного познания природы способствует формированию научного мировоззрения и теоретического мышления, развитию способности методологически применять естественнонаучные знания в профессиональной деятельности экономиста, юриста, социолога.

На современном этапе тесной интеграции экономических наук с естественными и техническими знание основных закономерностей, современного состояния и тенденций развития естествознания поможет студентам применять экономические знания для решения задач естественных и технических отраслей, комплексно подходить к исследуемым проблемам.

ИСТОРИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Естествознание – это система (совокупность) наук о природе. Объектом естествознания является природа. Под природой понимается весь материальный мир, взятый во всем многообразии.

Естествознание в своем развитии с древних времен по наши дни претерпело множество модификаций. Исторически разным представлялся его объект, хотя всегда он оставался природой. На протяжении тысячелетий понимание науки менялось, менялись ее содержание и форма, ее влияние на общество.

Первой формой, претендующей на осмысление природы, ее явлений, было религиозно-мифологическим созерцание, сложившееся у различных племен, населявших ареал Эгейского моря в середине-конце 2-го тысячелетия до н. э.

Этапом непосредственно предшествующим возникновению античной философии была эпическая обработка народной мифологии Гомером и другими аэдами.

В период формирования рабовладельческих общественных отношений возникла античная натурфилософия (от лат. Natura – природа), или философия природы. Ее считают первой в истории человечества формой существования естествознания Античная натурфилософия характеризовалась чисто умозрительным истолкованием природного мира, рассматриваемого в его целостности.

Считалось, что философии в ее натурфилософской форме отведена роль «науки наук», ибо она является вместилищем всех человеческих знаний (так полагали приверженцы натурфилософии).

Натурфилософское понимание природы содержало много вымышленного, фантастического, далекого от действительности в понимании мира.

Появление натурфилософии и ее длительное существование объясняется рядом обстоятельств:

- отсутствием естественнонаучного знания (в его нынешнем понимании);

- слабой дифференцированностью естествознания вплоть до XIX столетия. Еще в XVIII веке в качестве самостоятельных наук существовали лишь механика, математика, астрономия и физика. Химия, биология, геология находились лишь в процессе становления. В такой ситуации натурфилософия, строя общую картину природы, стремилась заменить собой отсутствующие естественные науки;

- отрывочному знанию об объектах и явлениях природы натурфилософия противопоставляла свои умозрительные представления о мире.

Для истолкования непонятных явлений натурфилософы обычно придумывали какую-нибудь силу (например, жизненную силу) или какое-нибудь мифическое вещество (флогистон, эфир).

Когда в XIX в. естествознание достигло достаточно высокого уровня развития и был накоплен и систематизирован большой фактический материал, существование натурфилософии потеряло историческое оправдание. А в связи с этим понимание философии как «науки наук» также прекратило свое существование, но вместе с тем обрела свой предмет для исследования. Тем не менее такая двусторонняя связь между философией и естествознанием сохраняется по сей день.

Однако, вернемся к периоду зарождения науки. Принято считать, что наука зародилась в Древней Греции в VI в. до н.э. (Уже к 200 г. до н.э. греки сумели точно определить длину земного шара, хотя китайцы еще раньше и независимо от греков сделали ряд важных открытий, особенно в астрономии).

ИСТОРИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

В Древней Греции возникали первые научные сообщества (милетская школа, платоновская академия, пифагорийцы и др.). При этом древнегреческие мыслители были, как правило, одновременно и философами, и учеными-естествоиспытателями.

В V-IV вв. до н. э. греческие мыслители создают свое учение о природе (Аристотель, Фалес, Гераклит и др.) Важной характеристикой древнегреческой натурфилософии был космоцентризм. Древнегреческой концепции понятия космоса был характерен налет прежних мифологических представлений о мире.

Вместе с тем уже в V в. до н.э. появляется понимание космоса как Вселенной, как окружающего человека мира.

При этом космос наделялся либо качествами, присущими живым существам, либо социальными качествами, отражавшими социальные отношения тогдашнего общества.

Космос являлся как бы макрочеловеком, а человек – это микрокосмос. Таким образом, человек выступает, как часть всеобщего космического целого. В нем воплощены все те силы и «стихии», которые образуют космос.

Представления о «стихиях» как основных, простейших элементах, из которых слагается космос, возникло уже на первом этапе становления античной натурфилософии.

К таким простейшим элементам или «стихиям» чаще всего относили огонь, воду, воздух и землю.

Итак, древнегреческая натурфилософия прошла в своем развитии несколько этапов. Первый этап называют ионийским.

В VI в. до н.э. древнегреческая цивилизация обрела господство в обширном регионе, охватывающем юго-восточное Средиземноморье, Малую Азию и часть черноморского побережья. К этому времени завершилось формирование городов-государств. Среди них выделялся Милет – главный город Ионийской колонии в Малой Азии на побережье Эгейского моря.

Там сформировалось Милетская школа натурфилософии, которая оставила глубокий след в истории античной культуры.

Основатель милетской школы Фалес Милесский (625–547 гг. до н.э.) полагал, что началом всего существующего является вода. Нашу землю он сравнивал с островом, плавающим в океане воды. Фалес был одним из первых ученых античности, оставившим определенный след в истории астрономии и математики (предсказал солнечные затмения, определил солнцестояния и равноденствия, открыл, что луна светит отраженным светом.

Им была указана Полярная звезда и ряд созвездий, что послужило руководством для мореплавателей. Он ввел календарь, определив продолжительность года в 360 дней и разделив его на 12 тридцатидневных месяцев).

Ученик Фалеса Анаксимандр (610–546 гг. до н.э.) первоосновой мировоззрения считал мифическое вещество, которому дал наименование «апейрон» (беспредельное, неопределенное).

Анаксимандру принадлежала первая в Европейской науке попытка дать общекосмическую картину мира.

В этой картине Земля – центр Вселенной. В отличие от Фалеса Анаксимандр утверждал, что Земля пребывает в мировом пространстве, ни на что не опираясь. По мнению американского исследователя Ч. Кана, это было самое значительное достижение научной мысли милетской школы.

Итак, постепенно происходил переход от созерцательного мировосприятия – наблюдения за природой – к появлению и расширению научных знаний.

ИСТОРИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Среди первых объектов, вовлеченных благодаря практике в сферу человеческих интересов, были Солнце, планеты, звездное небо, знание о которых имело большое значение в развитии мореплавания и земледелия.

Составление натурфилософской картины мира завершается переходом к математическим моделям космоса в учениях древних пифагорийцев. Начинается осознанное размежевание материалистического и идеалистического мировоззрения.

Пифагор (582-500 гг. до н.э.) занимал особое место в науке древней Греции. Он внес немалый для своей эпохи вклад в развитие математики и астрономии. Пифагору (через 60 лет после Фалеса) приписывают доказательство знаменитой теоремы. Пифагор пытался с помощью чисел объяснить различные свойства материи.

Имеются упоминания о том, что Пифагор придерживался мнения о шарообразности Земли и ее вращении вокруг собственной оси. Вместе с тем Пифагор был геоцентристом, т.е. считал Землю центром Вселенной.

Другой грек – Евклид (330 г. до н.э.) заложил основы преподавания классической геометрии, используемые и поныне.

Архимед (287 г. до н.э.) очень остроумно использовал математику для практических целей.

Архимед открыл закон, гласящий, что если тело погружено в жидкость, то кажущаяся потеря его веса равна весу вытесненной им жидкости. Архимеду, по преданию, принадлежит изобретение винта для подъема воды. При помощи системы рычагов он осуществил спуск на воду большого судна.

Евдокс (около 408 г. до н.э.) заложил научные основы астрономии. Он попытался объяснить движения Солнца и планет, центры которых расположены вблизи центра Земли.

Древнегреческий философ – материалист Демокрит создал первую атомистическую теорию.

Возникновение атомистики знаменует второй этап развития древнегреческой натурфилософии (Афинский), охватывающий V-IV века до н.э. В этот период завершается господство концепции «стихий» и возникает новое направление – атомистика.

В современной литературе основные принципы атомистической теории Демокрита сводятся обычно к следующим положениям:

1. Материя не возникает и не уничтожается. Всякое изменение есть только соединение и разъединение некоторых частей, из которых она состоит.

2. Ничто не происходит случайно, но всегда по причине и необходимости.

3. Ничего не существует, кроме атомов и пустоты; представления обо всем прочем есть только мнение. Атомы представляют собой абсолютно плотные, неделимые, обладающие весом, формой и величиной частицы. Число атомов и число их бесконечных форм бесконечно.

4. Различные предметы образуются из атомов разных форм и различных сочетаний, подобно тому, как слова образуются из букв. Из атомов образуются не только отдельные предметы, но и целые миры; их также бесконечно много, они возникают и исчезают в бесконечном пространстве вследствие движения атомов.

Мельчайшими Демокрит считал атомы огня. Основа всех атомов – огонь – одно и та же, но количественное различие амер, составляющих атомы, приводит и к качественному различию. Четыре типа амер составляют соответственно атомы четырех элементов (огня, воздуха, воды, земли).

Демокрит не говорит о конкретных формах атомов, кроме атомов огня.

Атомисты неоднократно подчеркивают, что «бытие» (атомы) не возникают из «небытия» (пустоты), материя вечна, всегда существовала, существует и будет существовать.

ИСТОРИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Учение Демокрита об атомном строении тел, о бесконечности Вселенной и множественности миров, о вечности, неуничтожимости движения настолько опережало время, что впоследствии многие поколения ученых разрабатывали его идеи. Теория Демокрита играла существенную роль вплоть до великих естественнонаучных открытий конца XIX века.

В формировании натурфилософской картины мира больная роль принадлежит Аристотелю.

Как первый и крупнейший историк античной мысли Аристотель дал анализ почти всех предшествующих ему философских и естественнонаучных концепций и на основе критического осмысления предпринял попытку синтеза различных направлений в единую натурфилософскую систему. Однако его стремление связать космологическое, биологическое и физическое направления в систему привело к чрезвычайно абстрактному и противоречивому толкованию основных понятий («материя», «форма», «причина» и др.), к сведению исследований многих проблем лишь к лексическому анализу терминов.

Однако в учениях Аристотеля (о движении, о сущном и сущности и др.) пересекаются идеалистические и материалистические корни всей античной философии.

Аристотель выделяет 3 основные «философские науки»: математику, учение о природе и учение о божественном.

Центральную роль в аристотелевской картине мира играет космологическое учение (трактат «О небе», «Физика», «Метафизика», «О возникновении и уничтожении»). Предметом этого учения является по Аристотелю мир в целом, ограниченный сферой неподвижных звезд, и небесные тела, которые совершают круговые обращения относительно Земли. В противоположность почти всем предшествующим учениям о природе аристотелевская концепция начисто отвергает идею эволюции космоса и его возникновения во времени.

Эта созданная Аристотелем модель вечной и неизменной Вселенной оставалась в течение многих веков (до Коперника, Декарта и Канта) самой авторитетной теорией.

Третий (эллинистский) этап в древнегреческой натурфилософии характеризуется развитием математики и механики (предположительно с 330 по 30 гг. до н.э.). Крупнейшим ученым – математиком этого периода был Евклид (III в. до н.э.). Идеи атомистики Демокрита в этот период получили развитие в учении Эпикура. Самое главное учение Эпикура – попытка найти какие-то внутренние источники жизни атомов, их движения.

Первоклассным математиком и механиком этого периода был Архимед (287– 212 гг. до н.э.).

При римлянах наука в Европе пришла в упадок. В средневековье происходит переориентация с изучения природного мира на познание своего внутреннего мира, как отношения к богу. Насаждаются теология, богословие. Развитие естествознания замедляется.

Пока Европейская христианская наука переживала длительный период упадка (вплоть до XII–XIII в), на Востоке, наоборот, наблюдался прогресс науки.

Нужно отметить, что арабы в Северной Африке сохранили накопленные их предшественниками знания. Арабы были завоевателями и путешественниками и заимствовали математические знания у сирийцев, греков, индусов. Но внесли и свой вклад в развитие математики, астрономии, фармакологии. Выдающимся ученым-энциклопедистом средневекового Востока был Ибн Сина (890–1077); знаменитый арабский математик АльХорезми (заложил основы алгебры).

Через арабов Европа познакомилась с китайскими открытиями и изобретениями:

порохом, магнитным компасом, книгопечатанием.

ИСТОРИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Арабы оказали цивилизации неоценимую услугу, познакомив западный мир с научными идеями Индии и Китая. Но ни арабы, ни Индия, ни Китай не стали основателями современной науки. Она зародилась в Европе.

Несмотря на негативное влияние церкви, развитие естествознания в средневековой Европе продолжалось.

Важная роль в развитии науки принадлежит Леонардо Пизанскому (1180–1240 гг.) Он ввел арабские цифры в Европе.

Одним из наиболее известных средневековых ученых был англичанин Роджер Бэкон (1214–1292 гг.). Он занимался оптикой, телескопами, изобрел очки. Его основная заслуга в том, что он подчеркивал роль эксперимента в науке и по праву считается одним из предшественников современной науки, сочетающей в себе теорию и эксперимент. Его продолжателем в этом смысле стал позже Галилей.

Большую роль в подъеме западной христианской науки сыграли университеты (Парижский, Болонский, Оксфордский, Кембриджский и др.), которые стали образовываться, начиная с XII в. И хотя эти университеты первоначально предназначались для подготовки духовенства, но в них уже тогда начинали изучаться предметы математического и естественного направления (например, в Парижском университете группа во главе с Иорданом Неморарием развивала античное учение о равновесии простых механических устройств; в Оксфорде Томас Брадвардин (1290–1344) написал трактат «О пропорциях»).

Следует отметить, что развитие естествознания не является лишь монотонным процессом накопления знаний об окружающем природном мире. Такой характер развития был присущ для натурфилософии античности, для «преднауки» средневековья. Начиная с XV–XVI вв. характер научного прогресса существенно меняется. В развитии науки появляются переломные этапы, выводящие на качественно новый уровень знаний, радикально меняющий прежнее видение мира. Эти переломные этапы в генезисе научного знания получили наименование научных революций.

Первая научная революция произошла в эпоху перехода от Средневековья к Новому времени, т.е. в эпоху Возрождения. Последняя характеризовалась возрождением культурных ценностей античности (отсюда и название эпохи), расцветом искусства, утверждением идей гуманизма.

В эпоху Возрождения в Европе вновь ожил дух открытий. Для этой эпохи была характерна прочная связь культуры, искусства и науки. Наиболее ярким представителем эпохи итальянского Возрождения, сочетавшим в себе таланты художника, скульптора, архитектора, инженера, был Леонардо да Винчи.

Эпоха Возрождения отличалась существенным прогрессом науки и радикальным изменением миропонимания, которое явилось следствием появления гелиоцентрического учения великого польского астронома Николая Коперника (1473–1543), изложенного в труде «Об обращении небесных сфер» (1543).

Коперник совершил переворот в Естествознании, отказавшись от принятого в течение многих веков учения о центральном положении Земли (от геоцентрической системы мира).

Новое миропонимание исходило из того, что Земля одна из планет, движущихся вокруг Солнца по круговым орбитам.

Учение Коперника явилось первой в истории человечества научной революцией.

Католическая церковь объявила учение Коперника ересью. Сам Коперник избежал преследования ввиду своей смерти, случившейся в том же году, в котором был опубликован его главный труд «Об обращении небесных тел» (1543). Этот труд был запрещен католической церковью на протяжении двух столетий с 1616 по 1828 г.

ИСТОРИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Защитники учения Коперника были объявлены еретиками и подвергнуты гонениям.

Одним из активных сторонников учения Коперника был знаменитый итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548–1600). Но он пошел дальше Коперника, отрицая наличие центра Вселенной вообще и отстаивая тезис о бесконечности Вселенной. Бруно говорил о существовании во Вселенной множества тел, подобных Солнцу и окружавшим его планетам. В 1600г. Дж. Бруно был сожжен на костре.

Вслед за эпохой Возрождения в истории Естествознания начинается так называемая эпоха Нового времени, которая охватывает, три столетия: XVII, XIII, XIX вв. В этом периоде особую роль сыграл XVII век – век создания классической механики и экспериментального естествознания, у истоков которого стояли такие выдающиеся ученые, как Галилей, Кеплер, Ньютон.

Эти достижения были названы второй научной революцией.

В учении Галилео Галилея (1564–1642) были заложены основы нового механистического естествознания. Галилей сформулировал принцип инерции (тело либо находиться в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия), открыл закон свободного падения тел.

Астрономические исследования Галилея обосновывали и утверждали гелиоцентрическую систему Коперника (Галилей установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности имеются пятна, обнаружил 4 спутника Юпитера и др.).

Одним из крупных математиков и астрономов конца XVI начала XVII вв. был Иоган Кеплер, открывший законы движения планет:

1) каждая планета Солнечной системы движется по эллипсу;

2) скорость движения увеличивается с приближением планеты к Солнцу.

Важные открытия были сделаны в XVII в. и в других науках, например английский врач Уильям Гарвеи (1578–1657) открыл закон кровообращения. Он по праву считается основоположником современной физиологии и эмбриологии.

Химия как наука возникла несколько позже других на основе древней алхимии.

В конце XVIII века благодаря работам Антуана Лавуазье и Джозефа Пристли в ней наметился существенный прогресс, проложивший путь атомистической гипотезе Джона Дальтона.

Вторая научная революция завершилась творчеством Исаака Ньютона (1643–1727).

Его научное наследие чрезвычайно разнообразно. В него входит и созданное параллельно с Лейбницем, но независимо от него дифференциальное и интегральное исчисление, которое стало основой математического анализа и математической базой всего современного естествознания. Ньютон сформировал три основных закона движения, которые легли в основу механики как науки (первый – инерции, второй – ускорение прямо пропорционально действию силы и обратно пропорционально массе тела, третий – закон равенства действия и противодействия). И, наконец, – закон всемирного тяготения.

Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физику и эксперимент, определили направление развития естествознания на многие десятилетия вперед.

В истории изучения человеком природы сложились два прямо противоположных метода, которые приобрели всеобщий характер. Это – диалектический и метафизический методы.

При метафизическом подходе объекты и явления окружающего мира рассматриваются изолированно друг от друга, без учета их взаимных связей, как бы в застывшем, неизменном состоянии.

ИСТОРИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Диалектический подход, наоборот предполагает изучение объектов, явлений в их взаимосвязи, с учетом реальных процессов их изменения, развития.

Новые научные идеи и открытия второй половины XVIII – первой половины XIX вв. вскрыли диалектический характер явлений природы.

Начало процессу диалектизации (и третей научной революции в естествознании) положила работа Иммануила Канта (1724–1804) «Всеобщая естественная история и теория Неба», в которой была сделана попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы (во времени). Идеи Канта независимо от него развил и дополнил лет спустя французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Таким образом, с середины XVIII века естествознание стало все больше проникаться идеями эволюционного развития явлений природы. Значительную роль в этом сыграли труды М.В.Ломоносова (1711–1765), который удачно совмещал теоретические и экспериментальные исследования. Для него был характерен «метод философствования, опирающийся на атомы». За лет до французского физика и химика А.Лавуазье (казненного в годы Великой Французской революции) М.В.Ломоносов экспериментально открыл и теоретически обосновал закон сохранения вещества, высказав при этом и идею закона сохранения движения. Он разрабатывал механическую теорию теплоты, объясняя ее вращательным движением корпускул (молекул), кинетическую теорию газа, волновую теорию света, исследовал грозовые электрические явления, природу северного сияния. Грозовые разряды он объяснял трением восходящих тепловых и нисходящих холодных потоков воздуха. Ломоносов доказал наличие атмосферы у Венеры. Изучая земные слои, он обосновывал оригинальные эволюционные идеи об образовании гор, руд, каменного угля, торфа, нефти, почв, янтаря.

Ученый предполагал существование жизни на других планетах. Большое внимание энтузиаст науки уделял методологии познания, подчеркивая единство теории и опыта, необходимость их опоры друг на друга. Будучи страстным патриотом, он не щадил сил в отстаивании интересов России.

В XIX в. диалектическая идея развития распространялась на широкие области естествознания, в первую очередь на геологию и биологию.

Эволюционное учение в области биологии отстаивал французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк (1744–1829).

Быстрое развитие биологии, геологии и палеантологии, основывающееся на эволюционных идеях, подготовило почву для теории Дарвина.

На протяжении XIX столетия темп развития наук непрерывно возрастал. Была обнаружена связь магнетизма и электричества (Джоуль), открыт закон сохранения энергии (Гельмогольц) и в конечном итоге процесс превращения материи из одной формы в другую.

Происходит развитие термодинамики, открытие ее законов. Термодинамика сыграла важную роль в решении практических задач преобразования тепла в работу. Таким образом, в XIX веке вслед за механикой теоретическими науками стали химия, термодинамика, учение об электричестве. Теоретизация химии связана в первую очередь с исследованиями англичанина Дж. Дальтона, сознательно положившего в основу теоретического обоснования химических изменений вещества атомистическую идею и придавшего этой идее вид конкретной научной гипотезы. Это стало началом химического этапа развития атомистики. В 1861 году русский химик А.М. Бутлеров сформулировал основные положения теории химического строения молекул.

Впервые немецким химиком Фридрихом Велером было синтезировано искусственное органическое вещество – мочевина.

ИСТОРИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Эпохальным явилось открытие выдающегося химика Д.И. Менделеева (1834–1907) установившего, что свойства элементов изменяются в периодической зависимости от их атомных весов.

Исследования в области электромагнитного поля положили начало разрушению механической картины мира. Вклад в этот процесс внесли Шарль Огюст Кулон (1736– 1806), доказавший, что положительный и отрицательный заряды притягиваются прямо пропорционально величине зарядов, Майкл Фарадей (1741–1869), который ввел в науку понятие электромагнитного поля.

Математическую разработку идей Фарадея дополнил английский ученый Максвелл. Он доказал, что свет представляет собой распространяемые в пространстве электромагнитные волны. Немецкий физик Генрих Герц экспериментально подтвердил теоретические выводы Максвелла.

Выдающиеся заслуги в развитии биологии принадлежат русским ученым П.Ф. Горянинову (одному из создателей клеточной теории строения организмов), эволюционистам К.Ф. Рулье, А.Н. Бекетову и И.И. Мечникову. Основополагающие открытия в физиологии высшей нервной деятельности совершил И.М. Сеченов. Его учение о механизмах деятельности головного мозга было развито работами великого исследователя И.П. Павлова. И.М. Сеченов (1829–1905) доказал, что в основе психических явлений лежат физиологические процессы. Если Р. Декарт осознал рефлекторный характер непроизвольных движений, управляемых спинным мозгом, то И.М. Сеченов первым высказал идею о рефлекторном характере произвольных движений, управляемых головным мозгом. Продолжением этой идеи явилось открытие И.П. Павловым (1855–1935) условных рефлексов.

И.М. Сеченов доказал, что раздражение определенных центров в головном мозгу тормозит деятельность центров спинного мозга. Благодаря И.М. Сеченову головной мозг стал предметом экспериментального исследования, а психические явления начали получать материалистическое объяснение в конкретной научной форме.

Таким образом, в XVII–XIX вв. наряду с бурным развитием наук происходит их дифференциация. Появившийся в конце XIX в. – первых десятилетиях XX в. «каскад» научных открытий коренным образом изменил существовавшие физические воззрения.

В 1896 г. французский физик Беккерель открыл явление радиоактивности. В его исследования включились французские физики супруги Мария Склодовская-Кюри, Пьер Кюри, сумевшие получить новые радиоактивные вещества.

В 1897 г. английский физик Томсон открыл первую элементарную частицу – электрон.

В 1911 г. знаменитый английский физик Резерфорд предложил планетарную модель атома. Нильс Бор, приняв ее в качестве исходной и опираясь на квантовую теорию, начало которой было положено немецким физиком Планком, предложил свою модель атома. Согласно этой модели при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое – с одной орбиты на другую атом излучает или поглощает энергию.

Сенсационным открытием явилась теория относительности Альберта Эйнштейна (1879–1955). Специальная теория относительности, созданная им в 1905г., показала, что для движущихся тел изменяется сам темп движения времени. Развивая эти идеи дальше (через 10 лет) Эйнштейн создал общую теорию относительности, показавшую, что гравитация порождается искривлением пространства – времени.

Открытия на рубеже XIX–XX вв. по праву считаются четвертой научной революцией, приведшей к признанию релятивистской и квантовомеханической картины мира.

Новые идеи способствовали прогрессу научного знания и пониманию с одной стороны структуры атома и элементарных частиц, с другой Вселенной и ее составных частей.

ПАНОРАМА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Естествознание объединяет науки о природе, то есть об органическом и неорганическом мире, существующем во Вселенной. Под наукой понимают систему знаний о закономерностях развития природы, общества и мышления, а также отдельную отрасль таких знаний. Предмет естествознания – это различные формы движения материи в природе; их материальные носители, образующие лестницу уровней структурной организации материи; их взаимосвязи, внутренняя структура; основные формы всякого бытия – пространство и время; закономерная связь явлений природы.

Природа, которая служит предметом естествознания, рассматривается не абстрактно, вне деятельности человека, а конкретно, как находящаяся под воздействием человека, так как ее познание достигается в итоге теоретической и практической деятельности людей.

Цели естествознания двояки:

- находить сущность явлений природы, их законы и на этой основе предвидеть или создавать новые явления;

- раскрывать возможность использования на практике познанных законов.

Открытие законов природы есть заключительный этап длительного процесса познания и формирования стройной системы знаний, «от живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике». Сначала на основании наблюдений и чисто умозрительных идей возникает некая гипотеза. Если вытекающие из нее следствия подтверждаются экспериментальными фактами, то гипотеза постепенно превращается в теорию, а со временем, быть может, в принцип почти непреходящего значения, то есть в законы природы. В этой цепочке большая роль принадлежит научному эксперименту, который может либо подтвердить, либо опровергнуть ту или иную гипотезу. Наблюдение, гипотеза, эксперимент, теория, закон природы – основные этапы процесса познания. И в то же время наряду с идеями, принципами, категориями являются формами научного знания.

Дадим научные определения терминам «гипотеза», «эксперимент», «теория», «закон природы». Гипотеза – научное предположение, выдвигаемое для объяснения какихлибо явлений и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной теорией. Эксперимент – научно поставленный опыт, наблюдение исследуемого явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и многократно воспроизводить его при повторении этих условий. Теория – учение, система научных принципов, идей, обобщающих практический опыт и отражающих закономерности природы, общества, мышления. В более узком значении теория – это совокупность обобщенных положений, образующих какую-либо науку или раздел ее, а также правил в области какого-либо мастерства, искусства. Законом принято называть наиболее глубокие и твердо установленные обобщения. Законы природы – это основанные на практической деятельности (в самом широком смысле этого слова) и сформулированные человеком представления о механизме различных явлений. С развитием науки они могут пересматриваться. Например, ньютоновские законы движения не применимы к телам, движущимся со скоростью, близкой к скорости света; а закон сохранения массы нарушается при слиянии или расщеплении атомных ядер.

Как правило, любая истинная научная теория не может со временем не обнаружить своей ограниченности, и один из наиболее плодотворных подходов в современных исследованиях заключается в том, что теории проверяют, пытаясь найти их область применимости. В результате многочисленных проверок теория может стать частью новой, более совершенной и глубокой теории. Так, механика Ньютона и электродинамика Максвелла

ПАНОРАМА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

послужили для Эйнштейна тем фундаментом, опираясь на который, он создал свою теорию относительности с ее новыми глубокими взглядами на пространство и время.

Таким образом, естествознание – одно из трех основных областей научного знания о природе, обществе, мышлении.

В естествознании можно выделить эмпирическую, теоретическую и производственно-прикладную стороны. Они соответствуют общему ходу познания. В целом естествознание представляет собой весьма сложное явление, обладающее различными сторонами и связями. Ему свойственны специфические черты, отличающие его от других областей научного знания, особые закономерности и тенденции развития. Одна из них проявляется на протяжении всей истории естествознания и заключается в ускоренном росте научных знаний. Начиная с XVII века объем научной деятельности удваивается каждые 10– 15 лет, что находит выражение в ускорении роста количества научных открытий и научной информации, а также числа людей, занятых в науке. В результате число ныне живущих ученых и научных работников составляет свыше 90% от общего числа ученых за всю историю науки.

Развитию естествознания свойственен кумулятивный характер: на каждом историческом этапе оно суммирует в концентрированном виде свои прошлые достижения, и каждый результат входит неотъемлемой частью в его общий фонд, не перечеркиваясь последующими успехами познания, а лишь переосмысливаясь и уточняясь. Преемственность естествознания приводит к необратимому характеру его поступательного развития.

Процесс развития естествознания находит свое выражение не только в возрастании суммы накапливаемых положительных знаний. Он затрагивает также всю структуру естествознания. На каждом историческом этапе научное познание использует определенную совокупность познавательных форм – фундаментальных категорий и понятий, методов, принципов, то есть всего того, что объединяют понятием стиля мышления. Например, для античного стиля мышления характерно наблюдение как основной способ получения знаний. Наука Нового времени опирается на эксперимент и на господство аналитического подхода, направляющего мышление к поиску простейших, далее не разложимых первоэлементов исследуемой реальности. Современная наука характеризует стремление к целостному и многостороннему охвату изучаемых объектов. Каждая конкретная структура научного мышления после своего утверждения открывает путь к экстенсивному развитию познания, к его распространению на новые сферы реальности. Однако накопление нового материала, не поддающегося объяснению на основе существующих схем, заставляет искать новые, интенсивные пути развития науки, что приводит время от времени к научным революциям, т.е. радикальной смене основных компонентов содержательной структуры науки, к выдвижению новых принципов познания, категорий и методов науки. Чередование экстенсивных и революционных периодов развития, характерное как для естествознания в целом, так и для отдельных его отраслей, рано или поздно находит свое выражение также и в соответствующих изменениях форм организации науки.

Всю историю естествознания пронизывает сложное диалектическое сочетание процессов дифференциации и интеграции. Дифференциация научного знания имеет многовековую историю. Первыми науками, выделившимися в определенной мере из древней натурфилософии, претендующей на роль «науки наук», были астрономия и математика.

Наибольшую активность процесс дифференциации приобрел в XVII–XIX в.в. Самостоятельными науками стали география, геология, палеонтология, физика, биология, несколько позже – химия, физиология; оформилась как наука термодинамика и многие другие.

Таким образом, освоение все новых областей реальности и углубления познания приводят к дифференциации науки. Вплоть до XIX века ведущей тенденцией развития науки была

ПАНОРАМА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

специализация, отделение наук друг от друга. Однако с развитием естествознания появились новые сложные научные проблемы, требующие привлечения возможностей способов и методов различных естественных наук. Всеобщая взаимосвязь явлений и процессов, существующих в мире, обусловила на определенном этапе развития естествознания появления тенденции к интеграции научных знаний. Интеграция проявляется, в частности в том, что на всех этапах развития естествознания трудно было разделить естественные и так называемые технические или прикладные науки, настолько тесно они переплетаются с математикой, физикой, химией.

Первоначально новые отрасли естествознания формировались по предметному признаку – сообразно с вовлечением в процесс познания новых областей и сторон действительности. Для современного естествознания становится все более характерным переход от предметной к проблемной ориентации, когда новые области знания возникают в связи с выдвижением определенной крупной теоретической или практической проблемы.

Так возникло значительное количество стыковых наук типа биофизики, биохимии, электрохимии и др. Их появление продолжает в новых формах процесс дифференциации естествознания, но вместе с тем дает и новую основу для интеграции прежде разобщенных научных дисциплин.

К одной из наиболее быстро развивающихся новых наук относится радиоастрономия. Современные и, казалось бы, совершенные телескопы обладают ограниченной возможностью. В радиоастрономии наблюдения ведутся с помощью радиоволн. В частности с помощью радиотелескопа был обнаружен самый большой объект Вселенной – галактика с размером 2 107 световых лет.

Важной чертой блока естественных наук является его теоретико-логическая строгость, стройность, высокая математизированность и доступность математизации.

В естествознании сформировались мысленный и натурный, физический типы эксперимента, затем они переросли в научно-производственный с его теоретико-прикладными возможностями, а в настоящее время – в машинный или математический. Он применяется в познании объектов, трудно доступных, либо вовсе не доступных иным средствам исследования.

Еще одной выигрышной особенностью естествознания является преодоление многими составляющими его науками своих объектных и методологических границ, выход их на общенаучный уровень. Особо надо отметить физику, кибернетику, объектом изучения которой являются управленческие процессы и системы любой природы (включая живые организмы в информационном аспекте), этологию (науку о поведении высокоорганизованных животных и их сообществ), экологию.

МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ

Многовековой опыт позволил людям придти к выводу, что природу можно изучать научными методами. Понятие метод (от греч. «методос» – путь к чему-либо) означает совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности.

Учение о методе начало развиваться еще в науке Нового времени. Так, видный философ, ученый XVII в. Ф.Бэкон сравнивал метод познания с фонарем, освещающим дорогу путнику, идущему в темноте.

Существует целая область знания, которая специально занимается изучением методов и которую принято именовать методологией («учение о методах»). Важнейшей задачей методологии является изучение происхождения, сущности, эффективности и других характеристик методов познания.

Методы научного познания принято подразделять по широте применимости в процессе научного исследования. Различают всеобщие, общенаучные и частнонаучные методы.

Всеобщих методов в истории познания два: диалектический и метафизический.

Метафизический метод с середины XIX в. начал все больше вытесняться диалектическим.

Общенаучные методы используются в самых различных областях науки (имеет междисциплинарный спектр применения).

Классификация общенаучных методов тесно связана с понятием уровней научного познания.

Различают два уровня научного познания: эмпирический и теоретический. Одни общенаучные методы применяются только на эмпирическом уровне (наблюдение, эксперимент, измерение); другие – только на теоретическом (идеализация, формализация), а некоторые (например моделирование) – как на эмпирическом, так и на теоретическом.

Эмпирический уровень научного познания характеризуется непосредственным исследованием реально существующих, чувственно воспринимаемых объектов. На этом уровне осуществляется процесс накопления информации об исследуемых объектах (путем измерения, экспериментов) здесь происходит первичная систематизация полученных знаний (в виде таблиц, схем, графиков).

Теоретический уровень научного исследования осуществляется на рациональной (логической) ступени познания. На данном уровне происходит выявление наиболее глубоких, существенных сторон, связей, закономерностей, присущих изучаемым объектам, явлениям. Результатом теоретического познания становятся гипотезы, теории, законы.

Однако эмпирические и теоретические уровни познания взаимосвязаны между собой. Эмпирический уровень выступает в качестве основы, фундамента теоретического.

К третьей группе методов научного познания относятся методы, используемые только в рамках исследований какой-то конкретной науки или какого-то конкретного явления.

Такие методы именуются частнонаучными. Каждая частная наука (биология, химия, геология) имеет свои специфические методы исследования.

Однако частнонаучные методы содержат черты как общенаучных методов, так и всеобщих. Например в частнонаучных методах могут присутствовать наблюдения, измерения. Или например всеобщий диалектический принцип развития проявляется в биологии в виде открытого Ч. Дарвином естественноисторического закона эволюции животных и растительных видов.

МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ

3.2. Общенаучные методы эмпирического познания Наблюдение есть чувственное отражение предметов и явлений внешнего мира. Научное наблюдение (в отличие от обыденного) характеризуется рядом особенностей : целенаправленностью, планомерностью, активностью.

Наблюдение как метод познания более или менее удовлетворяло потребности наук, находившихся на описательно-эмпирической ступени развития. Дальнейший прогресс научного познания был связан с переходом к более высокой ступени развития, на которой наблюдения дополнились экспериментальными исследованиями. По способу проведения наблюдения могут быть непосредственными и опосредованными.

При непосредственных наблюдениях свойства, стороны объекта воспринимается органами чувств человека. В настоящее время непосредственные визуальные наблюдения используются в космических исследованиях как важный метод научного познания.

Опосредованное наблюдение производится с использованием тех или иных технических средств, которые в огромной мере расширили возможности метода наблюдения (до начала XVII в. астрономы наблюдали за небесными телами невооруженным глазом, изобретение в 1608 г. оптического телескопа подняло астрономические наблюдения на новую высокую ступень).

Развитие современного естествознания связано с повышением роли так называемых косвенных наблюдений. Косвенные наблюдения обязательно основываются на некоторых теоретических положениях, устанавливая определенную связь между наблюдаемым явлением и наблюдателем. (например, в виде математического выражения функциональной зависимости) Эксперимент – более сложный метод эмпирического познания. Он предполагает активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект.

Эксперимент обладает рядом особенностей :

- эксперимент позволяет изучать объект в «очищенном» виде, т.е. устранять всякого рода побочные факторы;

- в ходе эксперимента объект может быть поставлен в некоторые искусственные, в частности экстремальные условия;

- изучая какой-либо процесс, экспериментатор может вмешиваться в него, активно влиять на его протекание;

- важным достоинством многих экспериментов является их воспроизводимость.

В зависимости от характера проблем, решаемых в ходе экспериментов, последние подразделяются на исследовательские и проверочные. Исследовательские дают возможность обнаружить у объекта новые, неизвестные свойства. Проверочные служат для проверки, подтверждения тех или иных теоретических построений.

Исходя из методики проведения и полученных результатов эксперименты можно разделить на качественные и количественные. Качественные носят поисковый характер и не приводят к получению каких-либо количественных соотношений. Количественные направлены на установление точных количественных зависимостей в исследуемом явлении (в реальной практике эти два вида экспериментов реализуются в виде последовательных этапов).

В зависимости от области научного знания различают естественнонаучные, прикладные (в технических науках, сельскохозяйственной науке) и социально–экономические эксперименты.

МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ

Говоря об эксперименте, нельзя не упомянуть о проблеме планирования эксперимента. Она возникла с переходом от так называемого однофакторного эксперимента (когда изменяется какой-то один фактор исследуемого процесса) к многофакторному (когда варьируются одновременно все факторы, влияющие на результаты эксперимента). Многофакторный метод впервые разработал применительно к области прикладных наук в начале 20-х годов XX в. английский статистик Р. Фишер.

Планирование эксперимента в научных исследованиях привело к появлению новой дисциплины – математической теории эксперимента, с помощью которой достигается оптимизация работы экспериментатора при одновременном обеспечении высокого качества экспериментальных исследований.

Большинство научных экспериментов и наблюдений включает в себя проведение разнообразных измерений. Измерение – это процесс, заключающийся в определении количественных значений тех или иных свойств, сторон изучаемого объекта, явления с помощью специальных технических устройств. Результат измерения получается в виде некоторого числа единицу измерения. Единица измерения – это эталон, с которым сравнивается измеряемая сторона объекта или явления (эталону присваивается числовое значение «1»). В настоящее время в естествознании действует преимущественно Международная система (СИ), принятая в 1960 г. XI генеральной конференцией по мерам и весам.

3.3. Общенаучные методы теоретического познания.

3.3.1. Абстрагирование. Восхождение от абстрактного к конкретному В процессе рассмотрения конкретных чувственно воспринимаемых предметов и явлений (изучения чувственно – конкретного) человек приходит к каким-то обобщенным представлениям, понятиям, теоретическим положениям, т.е. к абстракциям. От изучения чувственно – конкретного, человек приходит к абстрактному.

Абстрагирование заключается в мысленном отвлечении от каких-то менее существенных свойств, сторон, признаков изучаемого объекта с одновременным выделением, формированием одной или нескольких существенных сторон, свойств, признаков этого объекта.

В научном познании широко применяются, например абстракции отождествления и изолирующие абстракции. Первое понятие получают в результате отождествления некоторого множества предметов (отвлекаясь от целого ряда их индивидуальных свойств, признаков) и объединения их в особую группу, например, объединение всего множества растений и животных в особые виды, роды, отряды, семейства и т.д. Изолирующая абстракция получается путем выделения некоторых свойств, отношений, связанных с предметами материального мира в самостоятельные сущности («электропроводность», «растворимость»).

Но формирование научных абстракций, общих теоретических положений не является конечной целью познания, а представляет собой только средство более глубокого, разностороннего познания конкретного. Поэтому необходимо дальнейшее восхождение познания от достигнутого абстрактного вновь к конкретному. Полученное на этом этапе «конкретное» будет качественно иным по сравнению с полученным на этапе чувственного познания.

Например, понимание электромагнитных явлений (конкретного) после появления знаменитых уравнений Максвелла существенно расширилось и обогатилось. Или, в результате новых данных науки, полученных на рубеже XIX–XX вв., оказалась существенно поколеблена прежняя механистическая картина мира, фундамент которой заложил Ньютон.

МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ

Мысленная деятельность включает в себя особый вид абстрагирования – идеализацию, которая представляет собой мысленное внесение определенных изменений в изучаемый объект в соответствии с целями исследований. В результате идеализации могут быть исключены из рассмотрения какие-то свойства, стороны, признаки объектов. Пример идеализации – широко распространенная в механике «материальная точка», которая подразумевает тело, лишенное всяких размеров. Такой абстрактный объект удобен при описании движения. А «идеальный газ» Максвелла–Больцмана стал основой исследований обычных молекулярных разряженных газов.

Идеализация важна для реализации специфического метода теоретического познания – мысленного эксперимента. В мысленном эксперименте исследователь оперирует не материальными объектами, а их идеализированными образами и само оперирование производится в его сознании, т.е. чисто умозрительно. Научная деятельность Галилея, Ньютона, Максвелла, Эйнштейна и других ученых, заложивших основы современного естествознания, свидетельствует о существенной роли мысленного эксперимента в формировании научных теорий.

Под формализацией понимается особый подход в научном познании, который заключается в использовании специальной символики, позволяющей отвлечься от изучения реальных объектов, от содержания описывающих их теоретических положений и оперировать вместо этого некоторым множеством символов (знаков). Ярким примером формализации являются широко используемые в науке математические описания различных объектов, явлений, которые основываются на соответствующих содержательных теориях.

Индукция (от лат. Inductio – наведение, побуждение) есть метод познания, ясно выявляющийся на формально логическом умозаключении, которое приводит к получению общего вывода на основании частных посылок. Другими словами, это есть движение нашего мышления от частного, единичного к общему.

Индукция, широко применяемая в научном познании, обнаруживая сходные признаки, свойства многих объектов, делает вывод о присущности этих признаков, свойств всем объектам данного класса.

Родоначальником классического индуктивного метода познания является Френсис Бэкон, но он трактовал ее очень широко, как универсальный метод познания природы. На самом деле методы научной индукции служат главным образом для нахождения эмпирических зависимостей между экспериментально наблюдаемыми свойствами объектов и явлений.

Дедукция (от лат. Deductio – выведение) есть получение частных выводов на основе знания каких-то общих положений. Другими словами, это есть движение нашего мышления от общего к частному, единичному.

МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ

3.4. Общенаучные методы, применяемые на эмпирическом и Под анализом понимают разделение объекта (мысленно или реально) на составные части с целью их отдельного изучения. В качестве таких частей могут быть какие-то вещественные элементы объекта или же его свойства, признаки, отношения и т.п. Анализ занимает важное место в изучении объектов материального мира. Однако, например, в науке Нового времени аналитический метод был абсолютизирован. Ученые не замечали значения целого, «рассекали природу на части» (по выражению Ф. Бэкона), что было результатом метафизического метода мышления. Анализ составляет первый этап в процессе познания.

На втором этапе познания необходимо вскрывать объективно существующие связи между составными частями того или иного объекта, рассматривать их в единстве. Переход от изучения отдельных составных частей объекта к изучению его как единого целого связывают с другим методом познания – синтезом. На основе синтеза происходит дальнейшее изучение объекта. При этом устанавливается взаимосвязь и взаимообусловленность его частей, что позволяет понять подлинное диалектическое единство изучаемого объекта.

Анализ и синтез – две стороны единого аналитико–синтетического метода познания. Ф. Энгельс подчеркивал, что «без анализа нет синтеза».

Под аналогией понимается подобие, сходство каких-то свойств, признаков или отношений у различных в целом объектов. В основе метода аналогии лежит сравнение. Если делается логический вывод о наличии какого-то свойства, признака у изучаемого объекта на основании его сходства с другими объектами, то этот вывод называется умозаключением по аналогии.

объект А имеет свойства Р1, Р2,...Рn, Pn+1 ;

объект Б имеет свойства Р1, Р2,...Рn.

На основании сходства ряда свойств (Р1,Р2,... Рn) у обоих объектов делается предположение о наличии свойства Pn+1 у объекта Б.

Степень правильности умозаключения по аналогии тем выше, чем - больше общих свойств у сравниваемых объектов;

- существеннее обнаруженные у них общие свойства;

- глубже познана взаимная закономерная связь этих сходных свойств.

Метод аналогии применяется в самых разных науках : в математике, физике, химии, в гуманитарных дисциплинах и т.д.

Существуют различные типы выводов по аналогии. Но общим для них является то, что во всех случаях непосредственному исследованию подвергается один объект, а вывод делается о другом, то есть происходит перенос информации с одного объекта на другой.

При этом объект, который подвергается исследованию, именуется моделью, а другой объект, на который переносится информация, полученная в результате исследования модели, называется оригиналом, то есть модель выступает как аналогия.

Под моделированием понимается изучение моделируемого объекта, базирующееся на взаимнооднозначном соответствии определенной части свойств оригинала.

МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ

Моделирование включает в себя построение модели, изучение ее и перенос полученных сведений на моделируемый объект–оригинал.

В зависимости от характера используемых моделей различают несколько видов моделирования:

1) мысленное (идеальное) моделирование (например, планетарная модель атома, предложенная Резерфордом);

2) физическое моделирование широко используется для разработки и экспериментального изучения различных сооружений (плотин электростанций, оросительных систем и т.п.), машин (аэродинамические качества самолетов), для лучшего понимания какихто природных процессов и т.д.

Пренебрежение результатами физического моделирования может привести к тяжелым последствиям (например, гибель английского корабля-броненосца «Кэлтэн» в 1870 г.

Ученый–кораблестроитель В.Рид в результате исследований, проведенных на модели корабля, выявил существования дефекта в его конструкции, но это было проигнорировано английским адмиралтейством. В результате при выходе в море «Кэлтэн» перевернулся и погибло более 500 человек);

3) символическое (знаковое) моделирование связано с условно-знаковым представлением каких-то свойств, отношений объекта-оригинала (в виде графиков, номограмм, схем;

химической символики – структурных формул химических соединений).

Важной разновидностью символического моделирования является математическое моделирование (математические уравнения: дифференциальные, интегральные и их системы вместе с известными данными для их решения);

4) численное моделирование на ЭВМ на основе математической модели изучаемого объекта с помощью предварительно составленных программ.

Таким образом, для изучения объектов, явлений и процессов в естествознании используют как методы эмпирического, так и теоретического уровня познания, как общенаучные, так и частные методы. Например, в химии широко используются экспериментальные методы качественного и количественного анализа. Для качественного изучения химических веществ и их количественных определений химики применяют оптические, хроматографические, электрохимические и другие методы, которые в свою очередь подразделяются на еще более частные методики.

Для изучения строительных материалов, их структуры и свойств наряду с традиционными физико-механическими используются такие современные частнонаучные методы, как рентгенографический, дифференциально-термический анализ, инфракрасная спектроскопия, электронная микроскопия и другие.

Наряду с частными методами при изучении указанных объектов применяют и общенаучные методы, например, анализ и синтез, аналогию и моделирование и другие.

В экономических исследованиях также используется определенная сумма научных методов. Это и всеобщие методы, и такие общенаучные методы, как исторический и логический, и специфические экономические методы.

В экономической теории применяются два противоположных всеобщих метода – метафизика и диалектика.

Метафизика рассматривает все явления разрозненно, в состоянии покоя и неизменности. Такой подход к изучению экономики допускается в тех случаях, когда приходится тщательно анализировать какой-то элемент системы в отдельности или выяснять внутреннюю структуру хозяйственных отношений, не принимая в расчет любые их изменения. Так, основоположник американской школы политической экономии Дж. Кларк в книге «Распределение богатства» впервые рассмотрел состояние техники, технологии, орМЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ ганизации производства и распределения доходов общества в статике (неизменном виде) и динамике (под воздействием прогрессивных перемен).

Экономическая теория полнее отражает действительность, если берет на вооружение диалектику – учение о наиболее общих закономерностях становления и развития всех явлений природы, общества и мышления. Выдающийся немецкий философ Георг Гегель (1770–1831 гг.) – создатель систематической теории диалектики – центральное место в этой теории отводил противоречию. Последнее он рассматривал как единство взаимоисключающих и одновременно взаимнопредполагающих друг друга противоположностей.

Противоречие Г. Гегель оценивал как «мотор», как внутренний импульс всякого развития.

Это, разумеется, в полной мере относится и к экономике.

При изучении хозяйственных процессов, например, авторы «Экономикс» констатируют наличие противоречий в современной рыночной системе, в управлении всей экономикой и в других областях хозяйственной деятельности. Профессора К. Макконнелл и С. Брю пишут: «Не существует экономических систем без слабостей и недостатков». В частности, они доказывают и необходимость, и «несостоятельность» государственного сектора экономики, приводят аргументы в пользу равенства в распределении доходов и против равенства, а также выставляют аргументы «за» рынок и «против» рынка.

Диалектический метод отражает не только противоречия, но и неотрывность и единство противоположностей. Это позволяет на практике объединять в целостность казалось бы несоединимые стороны явления. Поэтому в хозяйственной деятельности возникают различные формы, позволяющие находить компромисс.

Важную роль в изучении экономики играют общенаучные методы. В их числе – исторический метод, который позволяет рассматривать хозяйственные системы последовательно их историческому развитию. Такой подход позволяет конкретно и наглядно представить все особенности каждой системы на разных этапах ее исторического развития.

Однако исторический подход к анализу хозяйственной деятельности таит в себе существенные недостатки. Обилие описательного материала и частных исторических подробностей может затруднять серьезное теоретическое изучение экономики. Подобным путем не удается четко выявить типические черты систем производства. Преодолеть эти недостатки помогает логический метод.

Логический метод позволяет применить законы и формы правильного мышления.

Это служит непременным условием достижения истинности высказываемых положений и выводов.

Использование логического метода помогает глубже понять причинно-следственные зависимости в экономике. Люди не всегда замечают, что между хозяйственными процессами существуют определенные объективные связи. Последние изменяются по времени и в пространстве с естественной последовательностью, которую можно назвать объективной логикой (внутренней закономерностью развития хозяйственных явлений). Если, скажем, по какой-то причине приостанавливается добыча нефти, то это с неизбежностью влечет за собой множество нежелательных последствий: прекращают работать нефтеперерабатывающие заводы, предприятия нефтехимии, не производится моторное топливо, отключаются тепловые электростанции и т.д.

Чтобы освободиться от стихийных сил хозяйственного развития. или, по крайней мере, уменьшить их разрушительные последствия, экономическая наука стремится как можно полнее и глубже познать объективную логику экономического развития в масштабе каждого предприятия, страны и всего мира. Полученные теоретические и практические выводы используются для прогнозирования и улучшения управления хозяйством.

МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ

Рассмотрение качественных признаков экономических систем дополняется изучением количественной стороны хозяйственных процессов при помощи методов математики и статистики. В экономической теории широко применяются специальные разделы данных наук: экономико-математические методы и экономическая статистика.

Использование широкого арсенала научных методов при изучении тех или иных объектов, явлений и процессов способствует получению более детальных и глубоких знаний, позволяет выявить общие для изучаемых систем элементы и признаки, закономерности развития.

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ. МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ

4. Структурные уровни организации материи.

В структуре материального мира выделяют прежде всего мир живой и неживой природы. Однако развитие современной науки показало, что это деление относительно условно, поскольку все живое – растения и животные – существуют за счет превращения химических веществ. Кроме того, все многообразие известных человечеству объектов и свойственных им явлений принято разделять на три различных уровня – микро-, макро- и мегамиры. Следует отметить, что и живая и неживая природа имеют микро- и макроуровни развития материи.

Микромир – это мир атомов и элементарных частиц. Наряду с углублением познания в область микромира для науки XX века характерно стремление к изучению объектов мегамира – галактик, Вселенной.

Макромир – мир наиболее знакомых нам объектов «средней величины» от молекул до Земли, изучаемый самыми старыми «классическими» разделами естествознания. Но и этот столь хорошо знакомый всем мир заставляет современную науку искать ответы на неразрешенные еще вопросы о происхождении и эволюции жизни, о природе процессов мышления.

Современной наукой доказано, что при определенных условиях химические процессы могут естественным путем приводить к образованию простейших биологических молекул. Это – начальный этап формирования единой научной картины возникновения жизни от простых молекул (воды, метана, СО2) до высших форм животных. Проблема происхождения и природы мышления является несравненно более сложной.

В настоящее время предположено К.Х. Рахматуллиным еще два гипотетических уровня – гипомир (микромир в микромире) и гипермир (сверхмегамир). Однако они не стали пока экспериментально наблюдаемыми, достоверно установленными.

Насколько сегодня известно, мысль о том, что материя может состоять из отдельных частиц, впервые была высказана Левкипом из Милета (Др. Греция) в V в. до н. э. Эту идею развил его ученик Демокрит, который и ввел слово «атом» (от греч. «атомос», что значит «неделимый»). В начале XIX века Джон Дальтон (1766–1844 гг.) возродил это слово, подведя научную основу под умозрительные идеи древних греков. Согласно Дальтону, атом – это крошечная неделимая частица материи, принимающая участие в химических реакциях.

Простые представления об атоме, принадлежащие Дальтону, были поколеблены в 1897 году, когда Дж. Дж. Томпсон (1856-1940) установил, что атомы могут испускать еще меньшие отрицательно заряженные частицы (позднее названные электронами). Стало очевидным, что атом обладает внутренней структурой. Это открытие указывало на то, что атом должен содержать и положительные заряды. Томпсон предположил, что электроны рассеяны в положительно заряженном атоме, подобно изюминкам в булке. Эта модель не позволяла объяснить некоторые свойства атомов, однако более совершенную модель удалось создать лишь после открытия радиоактивного излучения. Явление радиоактивности было открыто Беккерелем, который обнаружил, что атомы урана самопроизвольно испускают излучение. Известны три формы этого излучения: – поток протонов и нейтронов – ядра 24Не (2 протона + 2 нейтрона), – отрицательно заряженные электроны и – коротковолновое магнитное излучение, не несущее заряда.

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ. МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ

В 1911 г. Э. Резерфорд (1871–1937) предложил совершенно новую модель атома – планетарную, основанную на результатах его собственных экспериментов и экспериментов Ханса Гейгера, в которых измерялось расстояние -частиц при прохождении через золотую фольгу. Согласно модели Резерфорда, положительный заряд и основная масса атома сосредоточены в центральном ядре, вокруг которого движутся электроны. Позже Резерфорд установил, что положительный заряд ядра несут частицы в 1836 раз более тяжелые, чем электрон. Он назвал их протонами. Число протонов называют атомным номером, причем оно всегда равно числу окружающих ядро электронов. Позднее было установлено, что все ядра атомов (кроме ядра водорода), содержат незаряженные частицы – нейтроны с массой, почти равной массе протона.

Модель атома Резерфорда, однако, была неустойчивой, так как вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов, должны были бы упасть на ядро. Атомы же являются весьма устойчивыми образованиями, для разрушения которых требуются огромные силы.

Датский физик Нильс Бор (1885–1962), сделавший следующий важный шаг на пути создания модели атома, опирался на две другие области исследований. Первая из них – квантовая теория, вторая – спектроскопия. Впервые идея квантования была высказана Максом Планком (1858–1947) в 1900г для объяснения механизма излучения тепла и света нагретым телом. Планк показал, что энергия может излучаться и поглощаться только определенными порциями или квантами.

Бор постулировал, что движущийся электрон в атоме водорода может существовать только на фиксированных орбитах, а спектральные линии водорода соответствуют поглощению (темные линии) или излучению (светлые линии) кванта энергии. Эти процессы происходят, когда электрон «перепрыгивает» с одной фиксированной орбиты на другую.

Согласно современной квантовой теории, фиксированные орбиты Бора не следует понимать слишком буквально – в действительности, электрон в атоме с некоторой вероятностью может быть обнаружен в любом месте, а не только вблизи орбиты.

В результате орбиты Бора оказались не точными траекториями электрона, а местами его наиболее вероятного обнаружения в атоме. Согласно идее корпускулярноволнового дуализма, впервые высказанной Луи де Бройлем, субатомные частицы можно описывать так же, как и свет, в том смысле, что в одних случаях для этого целесообразно пользоваться понятием «частица», а в других – «волна».

Однако с точки зрения химии представление об атоме как о мельчайшей частичке материи, принимающей участие в химических реакциях, по-прежнему остается наиболее удобным.

С физикой ядра связано явление радиоактивности, сопровождающееся выделением огромного количества ядерной энергии.

Когда масс-спектрометры – приборы, позволяющие измерять массы отдельных ионов и ядер, – достигли достаточно высокой точности, обнаружилось, что массы ядер не равны сумме масс составляющих их протонов и нейтронов. В соответствии с релятивистской формулой Эйнштейна Е=mс2, эта разность масс и является источником ядерной энергии.

Современная теория рассматривает ядро как исходную каплю, состоящую из протонов и нейтронов. Если ядро распадается на две приблизительно равные части, то такой процесс называется делением (например, 235U); если ядро испускает одну или больше частиц (например, 01n), то это радиоактивный распад; когда же два ядра соединяются вместе, говорят о ядерном синтезе (12Н + 13Н -> 24Не + 01n)(при высоких температурах, давлении, в ускорителях).

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ. МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ

Таким образом, к 1932 г. было установлено, что атомы состоят из субатомных (элементарных) частиц – протонов и нейтронов, образующих положительно заряженное ядро, и обращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Английский физик П.А. Дирак предсказал существование позитрона – античастицы электрона, которая экспериментально была открыта в 1934 г.

Чтобы получить законченную картину строения материи, необходимо охарактеризовать не только сами субатомные частицы, но и способ, которым они удерживаются друг возле друга, т.е. их взаимодействие. Установлены четыре типа взаимодействий. Два из них хорошо известны, поскольку они наблюдаются как между макроскопическими объектами, так и на атомном уровне. Гравитационное взаимодействие вызывает притяжение между объектами пропорционально их массе (действие на макроуровне). Электромагнитное взаимодействие имеет место между частицами, обладающими электрическим зарядом.

Оно гораздо сильнее гравитационного и обуславливает притяжение между ядрами и электронами.

Внутри самого ядра наблюдаются взаимодействия совершенно иного типа. Несмотря на электромагнитное отталкивание между протонами, протоны и нейтроны в ядре сильно связаны. Это так называемое сильное взаимодействие. Оно примерно в 1000 раз сильнее электромагнитного и действует на расстояниях, сравнимых с размером ядра < 10-12 см.

Взаимодействие четвертого типа – слабое взаимодействие – в триллион раз слабее электромагнитного. Оно наблюдается в ряде процессов, связанных с превращением частиц, например, при –распаде, в котором нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино.

Предложены различные способы объяснения взаимодействий. В одном из них используют понятие сил поля. В другой модели взаимодействия, основанной на квантовой механике, используется идея обмена виртуальными частицами. Две заряженные частицы взаимодействуют, испуская и поглощая фотоны. Гравитационное взаимодействие объясняют обменом гипотетическими частицами, называемыми гравитонами. В 1935г. Хидеки Юкава предположил, что сильное взаимодействие, «скрепляющее» ядра, обусловлено обменом некой частицей, значение массы которой лежит в пределах между массами протона и электрона. Сегодня эта частица, названная –мезоном или пионом, известна. Другая частица, промежуточный векторный бозон, была предложена для объяснения слабых взаимодействий, но обнаружить ее до сих пор не удалось.

При исследованиях космических лучей и в экспериментах, проведенных на ускорителях, было открыто много других частиц. Сейчас известно более 400 субатомных (элементарных) частиц, большинство из которых нестабильно. Они характеризуются определенной массой, зарядом и средним временем жизни частицы. Многочисленные субатомные частицы классифицируются по группам. Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, называются адронами; к ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны); частицы, не принимающие участия в сильных взаимодействиях, называются лептонами, среди них – электроны и нейтрино.

Одну из основных своих задач физика высоких энергий видит в создании единой теории, объясняющей и связывающей все четыре типа взаимодействий, а также существование и поведение такого множества элементарных частиц.

Согласно одной из гипотез, известные ныне субатомные частицы сами состоят из каких-то более элементарных частиц – кварков.

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ. МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ

4.1.1. Квантовая физика и ее роль в развитии представлений о микромире Прогрессу физической науки во многом способствовало признание корпускулярноволнового характера света.

Новый радикальный шаг в развитии физики был связан с распространением корпускулярно-волнового дуализма на элементарные частицы.

Известно, что И. Ньютон рассматривал свет в виде мельчайших корпускул, но после открытия явлений интерференции и дифракции преимущественной стала волновая теория света.

Однако в 1900 г. представление о дискретных порциях (квантах) энергии было использовано немецким физиком Максом Планком (1858–1947) для объяснения процессов поглощения и излучения энергии. Опираясь на представления Планка, А. Эйнштейн в 1905 г. показал, что свет не только поглощается и излучается, но и распространяется квантами. На этой основе он сумел объяснить явление фотоэффекта, состоящего в выбивании с поверхности металла электрона под действием отдельного светового кванта, или фотона, который при этом теряет свою энергию. Энергия фотона Е пропорциональна частоте:

где – частота светового кванта; ћ – постоянная Планка.

Уравнение фотоэффекта имеет вид:

где Авых – работа выхода электрона из металла; mv2/2 – энергия электрона после выхода из металла.

Таким образом, Эйнштейн показал зависимость энергии электрона от частоты светового кванта и энергии связи электрона с металлом.

Корпускулярные свойства фотона были подтверждены русским физиком П. Н. Лебедевым, доказавшим в 1899г. существование светового давления. Но вскоре выяснилось, что определить энергию фотона (частицы света или электромагнитного поля, не обладающей массой покоя) можно было, только представляя его себе в виде волны соответствующей длиной и частотой. Получалось, что фотон распространяется как волна, излучается и поглощается как частица, то есть является одновременно и волной и частицей.

Таким образом, классические представления о свете как волновом процессе были дополнены новыми взглядами, рассматривающими его как поток световых корпускул, квантов или фотонов. В результате возник так называемый корпускулярно-волновой дуализм.

В 1924 г. французский ученый Луи де Бройль впервые высказал гипотезу о существовании волновых свойств у материи. Он исходил из того, что поскольку волновой материи присущи свойства корпускулярности, то и корпускулярной материи должны быть присущи волновые свойства. Гипотеза де Бройля формулировалась так: «Каждой материальной частице независимо от ее природы следует поставить в соответствие волну, длина которой обратно пропорциональна импульсу частицы: = ћ/р, где ћ – постоянная Планка, р – импульс частицы, равный произведению ее массы на скорость».

Экспериментально эта гипотеза была подтверждена в 1927г. американскими физиками Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером, обнаружившими явление дифракции электроном на кристалле никеля, то есть типично волновую картину. Распределение

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ. МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ

электронов, отражавшихся от пластинки и летевших лишь по некоторым избранным направлениям, было таким же, как если бы на пластинку падал пучок света с длиной волны, равной длине волны электрона, вычисленной по формуле де Бройля.

Экспериментально подтвержденная гипотеза де Бройля превратилась в основу новой физической теории – квантовой физики.

Таким образом, в классической физике вплоть до второй половины XIX в. под материей понималось вещество. Электродинамикой Максвелла положено основание физическому учению о поле, как особой форме материи. Но вещество и поле рассматривались отдельно друг от друга. Квантовая механика впервые позволила установить связь вещества и поля.

У объектов микромира, рассматриваемых с позиций квантовой механики, обнаружились такие свойства, которые совершенно не имеют аналогий в привычном для нас мире. Прежде всего – это корпускулярно-волновая двойственность или дуализм элементарных частиц. Кроме того, движение микрочастиц в пространстве и времени нельзя отождествлять с механическим движением макрообъектов, оно подчиняется законам квантовой механики. Из этих законов вытекает установленное немецким физиком Вернером Гейзенбергом соотношение неопределенностей: если известно место положения частицы в пространстве, то остается неизвестным импульс (количество движения), и наоборот. Произведение их неточностей не должно быть меньше постоянной Планка:

где р – неточность импульса частицы; – неточность ее координаты; ћ – постоянная Планка.

Другими словами, суть принципа неопределенностей состоит в том, что если мы стремимся определить очень точно значение одной из сопряженных величин в квантовомеханическом описании, например, координаты (для этого необходимо 0), то значение другой величины, а именно скорости или скорее импульса p=mv будет определено крайне неточно (так как в этом случае согласно принципу неопределенностей р).

Для объяснения соотношения неопределенностей Н. Бор выдвинул принцип дополнительности для квантово-механических описаний микрообъектов, согласно которому корпускулярная картина такого описания должна быть дополнена волновым альтернативным описанием.

Таким образом, принципиальное отличие квантовой механики от классической состоит также в том, что ее предсказания всегда имеют вероятностный характер. Это означает, что мы не можем точно предсказать, в какое именно место попадает, например, электрон в рассмотренном выше эксперименте, какие бы совершенные средства наблюдения и измерения не использовали. Можно оценить лишь его шансы попасть в определенное место, и, следовательно, применить для этого понятия и методы теории вероятностей, которая служит для анализа неопределенных ситуаций. Подчеркивая это «очень важное различие между классической и квантовой механикой», Р. Фейнман указывает, что «мы не умеем предсказывать, что должно было бы случиться в данных обстоятельствах».

Как уже было отмечено ранее, жесткой границы, разделяющей структурные уровни организации материи, не существует. При несомненном качественном различии они свяСТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ. МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ заны конкретными процессами взаимопереходов. Наша Земля отнесена к уровню макромира, но в качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира.

Частицами, связывающими микро- и макроуровни материи, считают молекулы.

Последние, состоящие из атомов, построены аналогично, но объем, занимаемый здесь электронными орбиталями, несколько больше, и молекулярные орбитали ориентированы в пространстве. В результате каждая молекула имеет определенную форму. Для сложных молекул, особенно органических, форма имеет решающее значение. Состав, пространственное строение молекул определяют свойства вещества. Виды связей ионов, структуру веществ и молекул, химические системы и химические реакции рассмотрим позже при изучении темы «Химические системы и процессы».

Мир объектов так называемой средней «средней величины» простирается от молекул до нашей планеты – Земли. Как космическое тело Земля характеризуется следующими данными: объем 1012 куб. км, масса 6 1021 т, средняя плотность вещества 5,5 г/см 3. Экваториальный радиус 6378 км, полярный – на 21 км меньше. Общая площадь поверхности Земли – 510 млн км2, из них 361 млн км2 приходится на мировой океан и 149 млн км2 – на сушу. Земля отстоит от Солнца на 150 млн км и вращается вокруг него со скоростью км/с. Земля образовалась 4,6 млрд лет назад в процессе гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого вещества.

Пространство вокруг Земли заполнено магнитным полем и называется магнитосферой; вокруг магнитосферы находятся радиационные пояса, в которых заряженные частицы захватываются магнитным полем. Земля защищена этими поясами от космических лучей, губительных для всего живого. Межпланетная среда, окружающая Землю, состоит из твердых тел разных размеров, пылинок, атомов, молекул, элементарных частиц и т.д.

Теперь же ко всему этому добавились искусственные спутники и другие объекты, занесенные в космос человеком.

Познание глубин Земли не менее сложно, чем изучение отдаленных областей Вселенной. Наиболее важные сведения о природе земных недр дает анализ сейсмических волн – механических колебаний, возникающих при землетрясениях или взрывах. Земные недра разделяют на три основные области: ядро, мантию и кору. Температура, плотность и давление растут с увеличением глубины. Температура в центре Земли достигает градусов. Земная кора на континентах имеет толщину до 65 км, а под океанами – до 8 км.

Максимальная высота на поверхности Земли – гора Джомолунгма в Гималаях – 8848 м, самое глубокое место – Марианская впадина в Тихом океане – 11022 м. Под земной корой располагается мантия, самая мощная из твердых оболочек Земли. Она простирается до глубины 2900 км и составляет более 60% массы и около 80 % объема Земли. Ядро Земли изучено слабо. Считается, что оно состоит из двух частей: внешней (твердой) и внутренней (жидкой). Внешнее ядро оказывает воздействие на магнитное поле Земли.

Земля – самая крупная из внутренних планет Солнечной системы и самая массивная. Безусловно, она является уникальной планетой нашей системы, поскольку на ней созданы условия для жизни. Прежде всего, от других планет Землю отличает наличие богатой кислородом атмосферы и температура, делающая возможной существование жизни в том виде, в каком мы ее понимаем. Экосистема простирается от орбиты Венера до орбиты Марса. Экосфера Земли – это область, в которой солнечное излучение создает условия, подходящие для жизни. Характерной особенностью Земли является магнитное поле, связанное с плотным богатым железом ядром Земли.

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ. МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ

Земля опять же уникальна тем, что большая часть ее поверхности покрыта водой.

Хотя она самая большая из четырех внутренних планет, поверхность ее суши много меньше, чем у Венеры, и равна по площади поверхности Марса.

Так как Земля настолько исключительна, высказывались предположения, что она образовалась иначе, чем другие планеты, но это не так. Возраст Земли – по измерениям радиоактивным методом – составляет примерно 4,6 млрд. лет, и, как показало исследование лунных пород, возраст Луны такой же.

Положение Земли в середине экосферы и особенно ее размер и масса явились причиной образования у нее атмосферы особого типа, единственной в своем роде.

Вопрос о том, как возникла Земля, занимал умы людей на протяжении тысячелетий. Он оставался нерешенным, пока сравнительно недавно не были выдвинуты достаточно правдоподобные гипотезы. Но даже сегодня нельзя с уверенностью сказать, что главные проблемы решены.

4.3. Гипотезы о происхождении Земли и других планет Современные теории предполагают, что некогда существовало что-то вроде «солнечной туманности», она содержала вещество, которое, концентрируясь, постепенно образовало планеты. Если так, то Солнце и планеты имеют одинаковое происхождение и состоят из одного и того же вещества.

Возраст Солнца 5 млрд лет. Диаметр в 109 раз больше земного, а масса в раз больше массы Земли. Температура центральных областей достигает 15 млн градусов, а давление – сотни миллиардов атмосфер. В этих условиях идут ядерные реакции синтеза ядер водорода в ядра гелия за счет которых и выделяется громадная энергия. Над ядром Солнца находится так называемая конвективная зона, а еще выше – атмосфера со слоями фотосферы, хромосферы и короны. Средняя температура поверхности Солнца – 6000 градусов. Если толщина короны достигает десятков солнечных радиусов, то толщина фотосферы всего 300 км. Установлены разные периоды колебания солнечной активности. Через каждые 11-12 лет усиливаются факелы и пятна в фотосфере, вспышки в хромосфере, протуберанцы (громадные плазменные образования) в короне. Все это оказывает заметное воздействие на атмосферу и биосферу Земли.

Сейчас Солнце представляет собой устойчивую звезду главной последовательности, но это не будет продолжаться бесконечно. Согласно существующей гипотезе, в далеком будущем – возможно, через 5 млрд. лет или около того – его структура должна измениться, поскольку «запас» водородного «горючего» начнет истощаться. Тогда Солнце должно начать расширяться, превращаясь в красного гиганта; наступит момент, когда оно будет излучать в 100 раз больше энергии, чем теперь. Действие этого расширения на внутренние планеты будет катастрофическим; даже если они не разрушатся, то потеряют атмосферу и чрезвычайно раскалятся. Затем Солнце сожмется и превратится в белый очень слабый карлик, окруженный уцелевшими членами планетной системы. Таким образом, существование солнечной системы в ее настоящем виде должно быть ограничено.

Солнечная система состоит из одной звезды – Солнца, девяти планет и ряда менее значительных тел – спутников планет. Солнце является самым массивным телом и единственным, обладающим собственным свечением. Остальные члены Солнечной системы светят отраженным солнечным светом.

Планеты делятся на 2 отчетливо различающиеся группы. В первую входят относительно небольшие планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс с диаметром от 12756 км (Земля) до 4880 км (Меркурий).

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ. МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ

За Марсом находится широкий «провал», в котором движутся тысячи небольших тел, называемых астероидами, планетоидами или малыми планетами.

Далеко за основной зоной астероидов находятся четыре планеты–гиганта: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Эти тела совершенно отличны от планет земной группы: они скорее газовые и жидкие, чем твердые, с очень плотными атмосферами. Их масса очень велика. Самая удаленная из известных планет – Плутон (открыта в 1930г.). Современная техника пока не позволяет ответить на вопрос: есть ли еще более удаленные планеты за орбитой Плутона.

Кометы также являются членами Солнечной системы. Они содержат как пылевидные частицы, так и летучие вещества вместе с разряженным газом. Наконец, существует множество метеоритных тел, которые можно рассматривать, как своеобразный мусор Солнечной системы. Кометы – обычно самые дальние объекты Солнечной системы. Некоторые из них удаляются от Солнца на 10000 млрд км – на расстояние одного светового года, т.е. расстояние, которое свет со скоростью 300000 км/с проходит за 1 год (1 световой год ~ 1013 км). Считается, что на этом удалении от Солнца и проходит граница Солнечной системы. Далее начинается сфера влияния других звезд.

Звезды – это светящиеся газовые (плазменные) шары, подобные Солнцу, образующиеся из газо-пылевой среды (главным образом из водорода и гелия) в результате гравитационной конденсации. При достижении в недрах звезд высокой плотности и температуры (около 10–12 млн К) начинаются термоядерные реакции синтеза элементов, которые являются основным источником энергии большинства звезд. Звезды классифицируют по светимости, массе, температуре поверхности, химическому составу, особенностям спектра.

Массы звезд составляют от 0,1 до 50 солнечных масс. Размеры диаметров звезд различаются очень сильно – от 10–20 км (нейтронные звезды) до сотен миллионов километров (красные сверхгиганты). Плотности вещества звезд колеблются от 1 г/см3 до г/см3 (нейтронные звезды). Светимости звезд колеблются от 0,001 до 1 млн солнечной светимости, т.е. различаются на 9 порядков (в миллиард раз).

Звезды образуют галактики, включающие сотни миллиардов звезд, туманности, межзвездную среду, космические лучи, электромагнитные волны. Наша галактика выглядит как двояковыпуклая линза (диск), толщина которого 1,5 тыс. световых лет, а диаметр 100 тыс. световых лет. Полная масса галактики равна 150 млрд солнечных масс. Ближайшие к нам галактики, видимые невооруженным взглядом, – Магеллановы облака и Туманность Андромеды.

Самый большой объект в мире, включающий все известные современной науке, – это Метагалактика. Размеры ее 15-20 млрд световых лет, а возраст 15–20 млрд лет.

Согласно современным научным представлениям все космические объекты и мегамир в целом претерпевают эволюцию. Одна из наиболее достоверных концепций эволюции Вселенной разработана в трудах А. Фридмана, А. Эйнштейна, Э. Хаббла, Ж. Леметра, Г.А. Гамова и других исследователей. Согласно ей Метагалактика находится в процессе расширения, разбегания галактик от какого-то первичного центра, в котором и зародилась наша Вселенная. Предполагается, что современная Вселенная произошла из материи, находящейся в особом, чрезвычайно раскаленном, сверхплотном состоянии.

Примерно 15–20 млрд лет назад этот сгусток материи в силу еще неизвестных причин как бы взорвался и стал быстро расширяться с резким падением температуры. В ходе этого

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ. МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ

процесса расширения Метагалактики, продолжающегося до сих пор, и сложилась та ее структура, которая наблюдается в настоящее время.