Естествознание: Курс лекций
Рекомендовано Учебно-методическим центром "Профессиональный учебник" в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений.
Аннотация
УДК 50 (075.8)
ББК 2я73
А 39
Акимов О.Е. Естествознание: Курс лекций. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. – 639 с.: илл.
ISBN 5-238-00268-8
Издание содержит лекции по расширенному курсу «Естествознание», прочитанному в Московском энергетическом институте, Дальневосточном государственном университете и Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете в период 1992—1996 гг. Формулируется общий подход к изучению естественных явлений, при этом представлены два вида познавательного процесса — формально-феноменологический и конструктивный. Первый подход основывается на понятийном и символьном восприятии окружающего нас мира, второй — на образных представлениях и математических моделях. Такое деление оправдывается реальным существованием двух соответствующих психологических типов ученых. Представленная эпистемология позволяет во многом по-новому взглянуть на естествознание прошлого и настоящего. С конструктивной точки зрения детально рассмотрены проблемы, связанные с теорией относительности. Ошибки формально-феноменологического подхода анализируются на архаичных формах естествознания — мифах, астрологии и алхимии.
Для студентов и преподавателей естественно-научных, гуманитарных и технических факультетов вузов, а также всех интересующихся общими и фундаментальными вопросами естествознания.
© О.Е. Акимов, 2001
© ЮНИТИ-ДАНА, 2001
Предисловие
Курс «Естествознание» является логическим продолжением недавно вышедшего в издательстве «Лаборатория Базовых Знаний» курса «Дискретная математика: логика, группы, графы». Цикл лекций по естественнонаучным дисциплинам, как и цикл лекций по математическим дисциплинам характеризуются простым и ясным конструктивным подходом к предмету и открытой критикой ряда формалистских приемов, особенно укоренившихся в современной физике. В последнее время вышло несколько учебников малого и среднего объема, рассчитанных на семестровый и годовой курс, под названием «Концепции современного естествознания». Наш курс выгодно отличается от них: во-первых, в него органически включена история естествознания; во-вторых, большинство традиционных разделов существенно расширены, а наиболее важные темы детально прописаны; в-третьих, система всего естествознания рассмотрена с точки зрения индивидуальной психологии ученого и общей эпистемологии науки. Три указанных обстоятельства заставили автора отклониться от наезженной колеи и выйти далеко за рамки обычной программы, рекомендованной Министерством образования Российской Федерации.
Цель данного курса, с одной стороны, чрезвычайно проста: дать необходимые знания прежде всего по естественно-научным дисциплинам. Но, с другой стороны, автор, осознавая известные издержки системы безликого всеобуча, хотел бы достичь нечто большего, а именно: помочь молодому человеку понять противоречивость познавательного процесса и даже трагичность развития мировой науки и через это дать ему возможность осмыслить не только законы естествознания, но и свое место в этом сложном мире. Поэтому в нашем курсе есть все: и серьезная философия, и основательная математика; широкие проблемы истории и методологии науки перемежаются с узкими дидактическими вопросами обучения; фундаментальная физика соседствует с прикладной психологией, а общая биология – с эпистемологией. Такой обширный тематический охват неизбежен, когда ставится задача по ориентации молодых людей в безбрежном океане знаний.
Вспоминаются слова великого древнеримского врача и мыслителя Клавдия Галена, который во вступлении к трактату «О естественных способностях» написал: «И когда он достигнет отрочества, им овладеет горячая любовь к истине. Как одержимый, ни днем, ни ночью не может он перестать подгонять себя и напрягаться, чтобы изучить в совершенстве все то, что было сказано мудрыми. Изучив все это, он еще в течение длительного времени будет испытывать и проверять так ли это на самом деле, как об этом говорят, или все это противоречит очевидным фактам. Таким путем он выберет что-то одно для себя, а другое отринет. Именно для такого человека, я надеюсь, мой трактат окажется полезным. Однако до сих пор подобные люди попадались мне редко. Для остальных же он будет чем-то вроде красивого повествования, рассказанного ослам» (III, 10). С ослами Гален, возможно, перегнул палку, но в общем среди наших читателей очень желательно было бы увидеть упомянутый им тип молодых людей. Эти читатели нам крайне дороги, поскольку в будущем они, наверняка, составят цвет российской науки. Эти лекции написаны для них; во всяком случае, нам бы очень хотелось им угодить.
Но наш курс не для всех окажется эффективным, кто сейчас держит его в руках. Существует иные читатели с устремлениями противоположными тем, о которых только что сказал Гален. Проблемы науки и познания их не интересуют и они будут очень недовольны нашими пространными рассуждениями на психологические и эпистемологические темы. Имея в виду и тех и других, древнеримский врач в книге «О назначении частей человеческого тела» сказал так: «Нет для меня неприятнее слушателя, чем тот, который не следит за моими словами... И как служители во время произнесения тайных речей велят непосвященным заткнуть уши, так и я теперь, посвящая своих слушателей не просто в человеческие установления, а в самые настоящие таинства, велю непосвященным заткнуть свои уши. Ослы скорее воспримут искусство игры на лире (т.е. справедливость здесь сказанного), чем эти люди. Я знаю, что, в общем, немногие смогут внимательно следить за ходом моих рассуждений, однако, ради них, не колеблясь, я произношу свои сокровенные мысли и перед толпой недостойных. Ведь книга не может сама по себе судить и выбирать тех, кто хотел бы с ней познакомиться; она не станет избегать невежд и не отдаст себя в руки людей достойных. Наш Бог, отлично сведущий в неблагодарности таких людей, тем не менее произвел их на свет... Ни одному хорошему человеку не свойственна зависть к чему-либо; он создан, чтобы всему помогать и все улучшать. Вот и мы, прекрасно понимая, что данная книга будет тысяча раз подвергнута клевете и забросана грязью со стороны людей неразумных и невоспитанных (как бедная сирота, попавшая в руки пьяниц), попытались ее написать ради тех немногих, кто способен с пользой для себя слушать и судить обо всем, что мы говорим» (Кн. XII, гл. VI, 20 – 22). Подобное слова хочется сказать и по поводу нашего курса «Естествознание».
С одной стороны, курс рассчитан на обыкновенных студентов технических и гуманитарных университетов, которые не собираются в дальнейшем заниматься наукой. Этих читателей можно было бы отнести к потребителям знаний. Их интересуют некие данные, которые во время экзаменов можно было бы «сдать» назад преподавателю. Эти знания они используют для написания рефератов, дипломов, отчетов, а также, может быть, для отгадывания кроссвордов и других малопочтенных целей. Они меньше всего заняты наукой и не озабочены решением конкретных задач. Перелистывая страницы книг, они на время задумываются о прочитанном, могут даже обсудить прочитанное со своим товарищем, однако напряженность их мысли в отношении одного какого-то вопроса никогда не достигает крайней точки кипения. Иногда они отдаются фантазиям, подключают свое воображение, но их мечтательность, отсутствие напряжения в мыслях и присутствие изрядной доли лени расслабляет внимание и быстро отвращает их от избранной темы.
С другой стороны, и здесь прав Гален, среди этой огромной массы потребителей всегда отыщется небольшое число молодых людей, особенно очарованных ярким светом естественно-научных знаний. Их можно назвать не только потребителями, но и творцами знаний. Они стремятся прозреть более глубокие истины, чем это можно найти в проходных учебниках, энциклопедиях и справочниках. Сегодня перелистывая книгу за книгой, они с досадой бормочут себе под нос: «Нет, не то, не мое; это слишком отлакированный курс лекций». Затем громко, с возмущением спрашивают преподавателя: «Когда же, наконец, с нами будут считаться и расскажут о действительных проблемах науки?» От первых они отличаются определенной продуктивностью, при которой, наряду с беззастенчивым потреблением чужого знания, присутствует неуемное желание создать нечто свое, родное, исходя из своего личного мыслительного опыта. Эти наши немногочисленные читатели являются созидателями, нередко, одержимые одной-единственной идеей, которой подчинено все их существо. Если им, не дай Бог, будет угрожать смерть, они больше расстроятся не потому, что это принесет боль им и горе их близким, а потому, что они унесут в могилу свои тяжело выстраданные теории, без которых, как они думают, невозможен дальнейший ход развития науки. Такие люди, чем бы они ни занимались и чтобы ни читали, всегда держат в голове свои идеи. Подобные творческие личности, говорить ли о них с уважением или улыбкой, в жизни бывают очень упрямы и самонадеянны; на них трудно влиять. Между тем именно они больше других нуждаются в совете и в нашем участии, поскольку в запальчивости они часто не видят за деревьями леса. Им сразу же хочется посоветовать отталкиваться от вещей очевидных и двигаться в область неизведанного или плохо изученного, а не наоборот. Ошибаются те, кто в основу своей теории кладет смутные, ускользающие образы, пустые понятия, спорные положения, к которым они пришли, быть может, в результате какого-то религиозного таинства, трансцендентного наития или просто тяжелого ночного бдения, а потом пытаются путем сомнительных манипуляций символами вырулить в сторону знакомых вещей. Таким людям наш более чем прозрачный метод особенно пригодится.
Творческий человек в минуты обдумывания интересующего его предмета редко придерживается какой-то одной стратегии. Но все же в течение длительного периода времени одна из форм его мышления превалирует над всеми остальными. Конечно, тип мышления зависит от конкретного предмета исследования, рода занятий, глубины и широты полученного образования, окружающей интеллектуальной обстановки, внутренних убеждений, выбранных идеалов, господствующих в обществе ценностных установок. Все это затушевывает и без того расплывчатые границы деления психической деятельности. Однако анализ сочинений самобытных мыслителей и личный опыт преподавания позволяет автору с некоторой долей уверенности сказать, что градация накопленного человечеством знания на отдельные науки, дисциплины, доктрины и методы во многом определяется не различными сферами приложения знаний и не источниками его появления, а именно субъективной манерой обдумывания. Тщательно исследуя формы представления знаний, мы увидим, какую огромную роль в мировоззрении того или иного ученого может играть его собственная природа. В нашем распоряжении имеются многочисленные тексты, принадлежащие знаменитым мыслителям разных стран и эпох, которые несут на себе специфические следы интеллектуальной деятельности их авторов. Именно эти сочинения станут объектом нашего пристального внимания; мы увидим, как они написаны, с чем соглашался или не соглашался автор и что вынудило его написать именно такую книгу, а не иную. В данном курсе естествознания обозначены главные способы теоретического освоения реальности: рационально-конструктивный и формально-феноменалистский. Они весьма опосредованно связаны с объектами исследования, но в значительной степени зависят от строения психики индивида. Никто, ни он сам, ни даже самый талантливый педагог не в силах изменить заложенный в человека тип мышления, как нельзя изменить преимущественный процесс расщепления продуктов питания в его желудке со щелочного на кислотный или наоборот. Но данный курс поможет читателю схватить общую структуру естествознания, понять свой собственный тип мышления и подсказать, каким образом ему можно было бы выстроить свое отношение к науке.
Проведенные исследования показывают, что, например, упомянутый античный врач Гален (130 – 200) и его средневековый коллега Авиценна (980 – 1037) образуют одну эпистемологическую линию, которая началась еще с Гераклита (520 – 460), прошла через Аристотеля (384 – 322) и пришла к Эйнштейну (1879 – 1955). Гераклит абсолютно не воспринимал учение Пифагора (570 – 496). О нем он высказывался резко отрицательно: «Он [Пифагор] предводитель мошенников» или «Пифагор, Мнесархов сын, занимался собиранием сведений больше всех людей на свете и, понадергав себе эти сочинения, выдал за свою собственную мудрость» (фр. 81 и 129 по Дильсу и Кранцу). Платон (427 – 347) в сочинении «Тимей» во многом уподобляется Пифагору; Аристотеля же образ мыли обоих угнетал. Зато пифагорейская и платоновская манера мыслить была с удовольствием подхвачена Кеплером (1571 – 1630). Платон, в свою очередь, настолько не любил своего старшего выдающегося современника Демокрита (460 – 370), что решил нигде в своих сочинениях не упоминать его имя. Между тем, отчетливая атомистическая линия от Демокрита, через Эпикура (341 – 270) и Тита Лукреция Кара (99 – 55) доходит в лице Гассенди (1592 – 1655) и Декарта (1596 – 1650) до Нового времени. Следы этой гносеологической линии, разумеется, можно найти среди учений современных физиков. Но, к большому сожалению, обширное научно-философское наследие демокритовской и эпикурейской школ в жесточайшей интеллектуальной борьбе, по сути дела, в сражении двух психологических типов, было уничтожено платониками, аристотеликами, стоиками, а затем и христианами.
Никто не сомневается в том, что математические или естественнонаучные знания объективны, поскольку они описывают независящую от человека реальность. Но индивидуальные особенности восприятия мира столь различны, что в пору провозгласить: все знанья – субъективны. И вы, читатель, понимаете, в каком смысле это сказано. Информация, представленная в неприемлемой для вас форме, вами не воспринимается и часто зачисляется в разряд бесполезной и ложной. Во многих домах, и вашем, быть может, тоже, на книжных полках пылятся множество учебников, толстых энциклопедий по математике, физике, химии, биологии, психологии, философии, но из-за неудобоваримой формы они практически не востребованы. Зная об этом неприятном свойстве книг, мы попытались дать такую систему знаний, которая в максимальной степени заинтересовала бы избранного нами читателя, которого следует назвать конструктивистом. Каждый испытал на себе, сколь трудно читать книги, написанные большим коллективом авторов. Это так же неудобоваримо, как совмещение парного молока с остро маринованными огурцами и жаренным хеком. Отсюда наше стремление подладиться под своего читателя, под его, так сказать, интеллектуальный желудок с тем, чтобы у него не случилось несварения. Лучшей книгой для него будет та, что он сам напишет, а пока ее нет, наша забота дать ему интеллектуальную пищу в максимально доступной для него виде. Пусть она будет разнородна, похожа на борщ или винегрет, но важно, чтобы она была все же совместима, подвергнута одинаковой термической обработке. Во избежание приобретения аномального сознания и до того, как в вас вселится бес творчества, изучите внимательно наш курс «Естествознание». Тогда вы приобретете так необходимое сегодня здравомыслие, узнаете свои механизмы восприятия мира и это позволит вам избежать участи тех многих несчастных, которые постоянно жалуются, что их никто не понимает.
Познать самого себя – цель вполне достойная, но не единственная для вас. Практические знания и отвлеченные истины, призванные прежде всего сориентировать читателя в мире его собственных предпочтений, излагаются нами в довольно систематическом виде, так что в процессе поиска своей индивидуальной формы восприятия знаний читатель одновременно усваивает богатое содержание. Так мы поступали всюду: касается ли это познания (эпистемологии), психологии, биологии или физики. Форма представления у нас часто диктует выбор того или иного содержания. Если какое-то, пусть даже очень авторитетное положение кем-то формулируется в неприемлемом для нас виде и не удовлетворяет конструктивным критериям, оно безжалостно отвергается. И такая жесткая позиция, с точки зрения пропедевтики, вполне оправдана. Гегель где-то говорит: сущность должна являться в соответствующих формах, чтобы сделаться для нас очевидной. Это действительно так: тяжела учесть той концепции, во главу угла которой поставлена смутная идея, не приводящая за собой никакой феноменологии. Внимательное исследование частных форм бытия служит надежным и неиссякаемым источником получения нового знания. Чужие знания прежде должны обратиться в поток нашего сознания, желательно, в форму сильного эмоционального переживания, чтобы приобрести статус личного опыта. Не позаботившись о репрезентативности знаний, мы рискуем убить дух творчества.
Лекция 1. Введение
Сначала свой курс по естествознанию я основывал на утвержденном Министерством образования Российской Федерации Государственном образовательном стандарте высшего профессионального образования «Требования к образовательному минимуму содержания и уровню подготовки бакалавра». Тематический план годового курса включал в себя традиционные разделы, которые в подавляющей своей части, по-видимому, входят и в нынешние программы и учебные пособия по этой тематике; перечислю их.
Тематический план стандартного курса «Естествознание»
1. Предмет, содержание, задачи и методология курса.
2. Естественные и гуманитарные науки; научный метод.
3. История естествознания; панорама современного естествознания; тенденции развития: корпускулярная и континуальная концепции описания природы.
4. Порядок и беспорядок в природе.
5. Структурные уровни организации материи: микро-, макро- и мегамиры.
6. Пространство и время; принципы относительности.
7. Законы сохранения; принципы симметрии.
8. Типы взаимодействий: близкодействие и дальнодействие.
9. Принципы современной физики; принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности.
10. Динамические и статистические закономерности.
11. Второе начало термодинамики; возрастания энтропии.
12. Химические системы; энергетика и реакционная способность веществ.
13. Особенности биологического уровня организации материи; принципы воспроизводства и развития живых систем.
14. Многообразие живых организмов; принципы организации и устойчивости биосферы.
15. Генетика и эволюция.
16. Физиология и психология человека.
17. Здоровье, гигиена и работоспособность человека.
18. Культура жизни: биосфера и ноосфера; экология.
19. Единство и различие живой и неживой материи.
20. Перечень нерешенных проблем естествознания.Цель курса мною формулировалась так: развернуть перед будущим специалистом панораму современного мира физики, химии, биологии; показать конкретную проблематику естествознания; дать представление об естественнонаучном инструментарии прошлого, настоящего и будущего. Мне казалось, что формирование цельного научного мировоззрения сегодня представляется актуальной задачей в связи с совершенно неоправданным падением интереса в последние годы к точным и опытным наукам. Будущие специалисты должны овладеть глубокими, универсальными и эффективными понятиями строгих эмпирических наук, без которых невозможно принятие здравых и взвешенных решений. Без естествознания, как мне представлялось, вообще немыслимо воспитание по-настоящему культурного и образованного человека. Одновременно с овладением методологии естественных наук студентам в рамках этого курса должны прививаться навыки серьезной самостоятельной научной работы. По завершении и усвоению курса молодой человек должен будет уметь в соответствии с поставленной им целью отобрать нужный материал, написать доклад по избранной тематике и доложить его перед аудиторией. Все это достигалось путем проведения хорошо продуманных и тщательно организованных семинаров.
Курс предназначался, главным образом, студентам технических университетов, которые в течение первого семестра должны были написать реферат по истории естествознания, а во втором – реферат по современному естествознанию. При этом я исходил из твердого убеждения, что нельзя понять настоящее науки без знания ее прошлого, поэтому студенты обязаны были неуклонно подчеркивать связь между тем, что «было», и тем, что «есть». Реферат представлялся в двух формах: в виде аналитической статьи и в виде научного доклада. Статья передавалась двум студентам, выступающим в роли «адвоката» и «обвинителя». Адвокат, сотрудничая с автором статьи, составлял положительную рецензию, а обвинитель, сотрудничая уже больше с преподавателем, пытался найти недостатки представленного в статье материала. На семинарах происходила защита проработанной и представленной в форме устного доклада избранной студентом темы, при этом все остальные студенты выступали в роли «судей». Оценка выступлению выставлялась коллективно, всеми участниками «процесса» путем тайного голосования (студенты бросали от одной до пяти спичек в закрытую коробку; затем их число подсчитывалось и делилось на число «оценщиков»). Все студенты группы должны были побывать в роли докладчика, адвоката, обвинителя и судьи. Лучшие работы рекомендовались к публикации в вузовских сборниках, а их авторы затем внутри вуза соревновались на студенческих научных конференциях. Так, наряду с повседневным обучением, происходила подготовка молодых кадров для науки.
На первом семинаре студентам рассказывались требования, предъявляемые к ним, распределялись индивидуальные темы, составлялся общий график выступлений на семестр, давался определенный библиографический минимум. Приведу примерный перечень тем рефератов по истории естествознания и современному естествознанию (список вывешивался заранее; по согласованию с преподавателем тему мог выбрать и сам студент).
История естествознания:
1. Отражение природных явлений в древних мифах.
2. Естественнонаучные мотивы в древнекитайской (древнеиндийской) мифологии.
3. Буддизм как крайне субъективное мироощущение.
4. Пифагорейская школа.
5. Элейская школ.
6. Натурфилософия Эпикура.
7. Работа Платона «Тимей».
8. Работы Аристотеля по физике.
9. Спекулятивные тенденции в философии Аристотеля.
10. Физика, представленная в работах Архимеда.
11. Николай Кузанский: Весы как инструмент познанья.
12. Ибн-Сина и медицина Средневековья.
13. Образ мира в зеркале алхимии.
14. Системы мира Птолемея и Коперника.
15. «Диалог» и «Беседы» Галилея.
16. Музыка небесных сфер Иоганна Кеплера.
17. Система мира по Лапласу.
18. Декарт и картезианство.
19. Космологические и физические идеи Канта.
20. «Гипотеза высшей физики» Шеллинга.
21. «Философия природы» Гегеля.
22. Джон Локка: «Опыты о законе природы» («Опыт о человеческом разуме»).
23. Ф. Бэкон: «Великое Восстановление Наук».
24. Ламетри: «Человек-машина» («Человек-растение»).
25. Дидро: «Мысли об объяснении природы».
26. Развитие анатомии и эмбриологии животных и человека в XVI и XVII вв.
27. Карл Линней и его знаменитая классификация.
28. Жорж Кювье – основатель сравнительной анатомии.
29. Чарльз Дарвин: «Происхождение видов путем естественного отбора».
30. Клеточная теория Шлейдена и Шванна.
31. Лавуазье – великий химик XVIII столетия.
32. Атомная теория Дальтона (Молекулярная теория Авогадро).
33. Первые воззрения на электричество и создание его источников.
34. Электромагнетизм и первые электротехнические устройства.
35. Ньютон: «Математические начала натуральной философии».
36. Переход к «аналитической» механике Лагранжа.
37. Оптика Томаса Юнга (или Огюста Френеля).
38. Теория флогистона.
39. Теплород: Карно, Джоуль, Майер.
40. Ломоносов «Размышления о причине теплоты и холода».
41. Молекулярно-кинетическая теория Больцмана.
42. Фарадей и его опыты по электричеству и магнетизму.
43. Электродинамика Максвелла.
44. Развитие органической химии в XIX веке.
45. Творцы стереохимии ароматических соединений.
46. Основоположники современной медицины.
47. Периодическая система Менделеева.
48. Кристаллические группы Федорова.
49. Герцен и его «Письма об изучении природы».
50. Становление отечественной физиологии и микробиологии.Современное естествознание:
1. Специальная теория относительности Эйнштейна.
2. Общая теория относительности Эйнштейна.
3. Строение атома по Бору.
4. Квантовая механика Гейзенберга и де Бройля.
5. Уравнение Шредингера и природа волновой функции.
6. Уравнение Дирака и его интерпретация.
7. Теория атомного ядра.
8. Кварковая модель элементарных частиц.
9. Проблемы управляемого термоядерного синтеза.
10. Атомная и водородная бомбы.
11. Ускорители элементарных частиц.
12. Физика Солнца.
13. Рождение, жизнь и смерть звезд.
14. Строение и эволюция галактик.
15. Модели вселенной и теория Большого взрыва.
16. Внеземные цивилизации – научная гипотеза.
17. Планеты Солнечной системы.
18. Навигация космических аппаратов.
19. Луна – естественный спутник Земли.
20. Полет на Марс – задача сегодняшнего дня.
21. Теория сверхпроводимости (сверхтекучести).
22. Высокотемпературная сверхпроводимость.
23. Фуллерен – четвертая модификация углерода.
24. Экситонное вещество.
25. Супергравитация и единая теория поля.
26. Солитон – феномен физики и математики.
27. Земля – замкнутая экологическая система.
28. Сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия.
29. Теория катастроф.
30. Синэргетика – наука о процессах самоорганизации.
31. Физика будущего – это физика твердого тела.
32. Генная инженерия – основное направление биологии.
33. Рак – не излечим?
34. Механизмы зрения у насекомых (человека).
35. СПИД – чума XX века.
36. Дезоксирибонуклеиновая кислота.
37. Строение и метаболизм биологической клетки.
38. Проблемы наркомании.
39. Физическое и умственное развитие человека.
40. Возникновение жизни на Земле.
41. Биоэтика, экология питания и здоровье человека.
42. Современная классификация болезней человека.
43. Структурно-функциональная организация мозга.
44. Механизмы сна у человека и животных.
45. Моделирование механизмов памяти человека.
46. Симметрия в живой и неживой природе.
47. Распознавание образов машиной и человеком.
48. Экспоненциальное (иное) развитие науки.
49. Поиски элементарного объекта в физике (биологии).
50. Единая концепция современного естествознания.
Цель естествознания состоит в том, чтобы описать, объяснить и, по возможности, предсказать те или иные явления природы. Помимо естественных наук, существуют общественные (гуманитарные), изучающие человека и общество, и технические (инженерные), рассматривающие искусственно созданные материальные системы. К общественным наукам относятся, например, история, экономика, право; к техническим – робототехника, самолетостроение, электроника. Основными разделами естествознания являются физика, химия, биология. Биология охватывает все процессы, протекающие в живой природе, физика – в неживой, а химия – пограничная наука – делится на органическую и неорганическую.
Существует несколько систем классификаций естественных наук, каждая из которых имеет ряд достоинств и недостатков. Как правило, эти классификации невозможно представить в виде простых разветвляющихся структур древовидной формы. Отдельные ветви физики, химии, биологии сильно переплетаются между собой из-за общей методологии или предметной области. Попытки дать строгие определения конкретных наук тоже наталкиваются на серьезные трудности. Например, если биологию определять как науку о живой природе, то сразу же возникает вопрос: «Что, собственно, понимать под термином живой?» Сущность живого раскрывается через углубленное изучение специальных разделов биологии. Определение, претендующее на строгость, должно полностью раскрывать природу живого. Вместе с тем, каждый из нас (за исключением очень немногих случаев) легко отличит живой объект от неживого. Поэтому, оправдывался я, при вводной характеристике науки есть смысл ориентироваться на естественные представления, не требуя слишком многого от первичных формулировок.
Итак, приведем предварительные характеристики основных разделов естествознания. Физика – наука, изучающая фундаментальную структуру материи и основные формы ее движения. Химия – наука о веществах, их составе, свойствах и взаимных превращениях. Биология – наука, устанавливающая общие закономерности в мире живой природы. Таким образом, с предметной точки зрения физика включает в себя химию, а химия – биологию. Однако с точки зрения методологии эти три раздела естествознания существенно различаются. Даже внутри каждого из названных разделов существует большое число подразделов, различающихся специфическим набором теоретического инструментария. Приведем краткие характеристики многочисленных подразделов современного естествознания, начиная с физики, а точнее, с ее основного подраздела – механики.
Механика – учение о равновесии и движении тел (или их частей) в пространстве и времени. Механическое движение представляет собой простейшую и вместе с тем (для человека) наиболее распространенную форму существования материи. Поэтому механика занимает исключительно важное место в естествознании. Она исторически возникла и сформировалась как наука раньше других подразделов естествознания. Во многих отношениях она является образцом для других наук.
Механика включает в себя статику, кинематику и динамику. В статике изучаются условия равновесия тел, в кинематике – движения тел с геометрической точки зрения, т.е. без учета действия сил, а в динамике – с учетом этих сил. Статику и кинематику часто рассматривают как введение в динамику, хотя и они имеют самостоятельное значение. При всем разнообразии динамических задач выделяют две их группы. К первой относятся задачи, в которых движение механической системы является заданным, и требуется найти действующие в ней силы. Задачи второй группы – противоположны: все силы заданы, требуется найти траекторию движения механической системы. Эти задачи называют основными задачами динамики.
В динамике используют три типа моделей – материальная точка, абсолютно твердое тело и сплошная среда. Под материальной точкой понимают тело конечной массы, пространственные размеры и внутренняя структура которого не принимаются во внимание. Однако на практике чаще встречаются более сложные случаи, когда механическую систему нельзя представить в виде одной изолированной точки, так как требуется, например, учитывать вращательный момент, который, в свою очередь, зависит от геометрических размеров тела и распределения масс внутри системы. В этом случае прибегают к модели абсолютно твердого тела, которая состоит из конечной совокупности жестко связанных материальных точек. Изучение динамики абсолютно твердого (т.е. совершенно недеформируемого в процессе движения) тела начинается с рассмотрения геометрии масс. Затем производится анализ возникающих сил и, наконец, рассчитывается траектория движения всей механической системы. Подобные задачи возникают, например, при рассмотрении движения Луны относительно Земли, которое существенным образом зависит от движения Земли относительно Солнца; или вращения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания, которое зависит от сопротивления поршней.
Третья модель механической системы – сплошная среда – является естественным расширением модели твердого тела, когда условие абсолютной жесткости между материальными точками нарушается, а их число становится бесконечным. Таким образом, сплошной средой считают деформируемое твердое тело, жидкость и газ, т.е. три основные фазы вещества. В связи с чем возникают новые разделы механики: пневмо- и гидростатика, пневмо- и гидродинамика. Деформации реального твердого тела, возникающие при этом, механические напряжения и изменения в геометрической структуре вещества изучаются в кристаллографии и теории пластического состояния. Известно и четвертое состояние вещества – плазма, которая также описывается при помощи модели сплошной среды. Физика плазмы – это очень актуальный раздел современного естествознания, с которым связывают большие надежды на получение колоссальной энергии термоядерного синтеза. Динамическое поведение плазмы значительно отличается от аналогичного поведения разряженного газа, так как в плазме вступают в силу уже не механические законы. Тем не менее, удержание плазмы в равновесном, стабильном состоянии – важнейшая задача динамики сплошных сред, в которой широко используются механические характеристики.
Сплошная среда в реальных условиях состоит из большого числа частиц – молекул. Молекулы газа и жидкости находятся в непрерывном хаотическом движении. Молекулярно-кинетическая теория ставит перед собой цель изучения как раз этой формы движения материи. При этом она пользуется статистическим методом, анализируя не движения отдельно взятых молекул, а целых их ансамблей. Отсюда происходит и другое название указанной теории – статистическая физика. Для нее, например, давление газа и температура жидкости есть уже интегральные характеристики движения большого числа материальных частиц, движущихся в абсолютной пустоте по случайным траекториям. В отличие от механики – физики макромира, молекулярно-кинетическая теория – это уже физика микромира. Именно она стала предвестником современной атомной физики и физики элементарных частиц.
Изучением различных состояний вещества занимается и термодинамика. Но в отличие от молекулярно-кинетической теории термодинамика не вводит в свой арсенал понятий категории отдельного атома или молекулы, используя интегральные характеристики (теплота, температура, энтропия), применимые к большой совокупности частиц. В основе термодинамики лежат два фундаментальных принципа (начала), которые вытекают из огромного числа опытных фактов. Подходя к рассмотрению состояний вещества с различных точек зрения, термодинамика и молекулярно-кинетическая теория взаимно дополняют друг друга, образуя одну цельную физическую картину. Первоначально термодинамика возникла как наука о превращениях теплоты в работу, т.е. как чисто прикладная наука. Те же самые характеристики статистической физики – давление газа и температура жидкости – термодинамика увязывала с механической работой и мощностью, которые имели сугубо техническое значение. Но впоследствии законы термодинамики с большим успехом применялись для теоретических исследований многочисленных физических процессов, так что эта наука перешла из разряда технических в разряд естественных.
Одно из движений механической системы особенно интересно. Мы имеем в виду колебания. Колебаниями называют процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости. Они могут возникать во всех упомянутых механических моделях. Больше того, колебания необязательно имеют механическую природу. Существуют, например, электромагнитные колебания или колебания в численности хищников и их жертв внутри биологической популяции. Однако именно механическое колебание материальной точки – маятника – послужило отправным пунктом для изучения этого широко распространенного процесса. Физика колебаний (волн) – это вполне самостоятельный раздел физики, который тесным образом связан с оптикой, электричеством, акустикой.
До сих пор под механикой мы подразумевали классическую механику, строительство которой было завершено к началу XX века. В рамках современной физики существуют еще две механики – квантовая и релятивистская. Классическая механика рассматривает движение тел со скоростями много меньше скорости света. Согласно специальной теории относительности, для тел, перемещающихся с большими скоростями, близкими к скорости света, не существует абсолютного времени и абсолютного пространства. Отсюда характер взаимодействия тел становится сложнее, в частности, масса тела, оказывается, зависит от скорости его движения. Все это явилось предметом рассмотрения релятивистской механики, для которой константа скорости света играет фундаментальную роль.
Классическое описание физического процесса характеризуется рядом абстракций. Прежде всего, это абсолютизация пространственно-временной системы координат, которая уже не действует в рамках релятивистской физики. Движение материальных тел в современной физике стало относительным, так как, помимо объекта теории, появился ее субъект – наблюдатель. Другой идеализацией классической физики является условие абсолютной независимости процедуры измерения физической величины. В релятивистской физике эта идеализация опускается. Субъект теории (наблюдатель, исследователь) обязан указать четкую методику измерения. Особенно важно это сделать для объектов малых размеров, сопоставимых с размерами атомов. Для микромира наблюдатель и его прибор тесно связаны с объектом исследования. Там справедливы так называемые соотношения неопределенностей, которые не позволяют сделать точное измерение одной физической величины одновременно с точным измерением другой. Все это и вызвало к жизни квантовую механику. В этой механике появилась новая константа – постоянная Планка. Она вошла практически во все основные формулы ядерной и атомной физики, а также физики элементарных частиц.
Электрон, несмотря на свои малые размеры, не может быть адекватно представлен материальной точкой, так как в одних экспериментах он ведет себя как частица, в других – как волна. Здесь мы вплотную подходим к еще одной разновидности материи – полю. Поля могут быть статическими и динамическими. Например, существует статическое поле механических напряжений изогнутой металлической балки. Акустическая волна, возникающая в воздушной массе, может служить примером динамического поля. Хорошо изучены электрические и магнитные поля в физике электричества и магнетизма, которая сначала относилась к классической физике. Теперь в эту физику внесены релятивистские моменты. Первоначально считалось, что эти поля тоже распространяются в некой материальной среде – эфире. Вообще, само поле было скорее математическим, чем физическим понятием и поэтому требовало для себя физического носителя. Однако впоследствии не удалось построить непротиворечивую модель эфира, что повлекло за собой полный отказ от него. Сегодня считается, что поле необязательно должно иметь вещественный или какой-либо другой материальный носитель, то есть оно не накладывается на материю, а само является материальной формой. Поэтому оно может распространяться в абсолютно пустом пространстве – в вакууме. В сочетании с понятием кванта поле привнесло качественно новые физические представления – возникла физика квантовых полей.
Свет – это электромагнитные колебания. Поэтому все сказанное об электромагнетизме нужно распространить на оптику. Так стали возможны волновая и квантовая оптики. Хотя наряду с ними существует геометрическая оптика, которая относится к классической, причем очень древней физике. Именно с оптики, с исследования излучения так называемого абсолютно черного тела, с определения скорости света и проверки наличия эфира начались революционные преобразования в физике. Здесь впервые возникают квантовые, полевые и релятивистские представления. Затем они быстро распространились на всю физику, захватив частично астрономию и химию. Остановимся кратко и на этих двух науках.
Астрономия с древних времен считается разделом физики и даже более узкой ее области – механики. Именно благодаря наблюдениям за небесными телами удалось построить классическую механику. В результате пересмотра основ физики и механики изменилась и астрономия. Сейчас под астрономией понимают тот ее раздел, который непосредственно связан с наблюдениями и измерениями. Теоретическая же ее часть чаще всего называется астрофизикой. Астрофизика – это приложение фундаментальных физических законов к астрономическим объектам. Отсюда пошли названия физика Солнца, физика звезд, физика космического излучения. Оказалось, что современная физика микромира тесным образом связана с физикой мегамира, т.е. космогонией и космологией (науки, изучающие зарождение и строение вселенной). Релятивистская механика внесла свои поправки и в некогда классическую астродинамику или небесную механику, которая занимается расчетами траекторий планет Солнечной системы.
Что касается химии, то сначала она развивалась достаточно независимо от физики, поскольку предметом физики была механика макротел, а не вещество как таковое. Когда же появилась механика атомов и молекул, стала возможна физическая химия, объясняющая химические свойства вещества с помощью физических моделей. Введение физических понятий и исследование физических характеристик вещества создало предпосылки для возникновения теоретической химии. В первую очередь это касается такой физической характеристики вещества, как вес единицы объема, что привело к формированию понятия атомного веса и химического элемента. Тщательные исследования веса атомов и молекул позволили установить факт процесса разложения сложного соединения на сумму простых элементов. Хотя атомистические представления возникли в науке еще в эпоху античности, только в начале XIX века количественный химический анализ, основанный на сравнении атомных весов, позволил создать законченную теорию. Дальнейшее развитие внутренней логики химии шло по пути выяснения природы химической связи. Для ее понимания необходимо было выработать теорию строения молекул. Эта теория включала в себя строгий математический расчет на основе эмпирических данных, полученных в ходе эксперимента. Одновременно формировалась аналитическая химия, рассматривающая разнообразные методы анализа сложных соединений.
Трудно найти другую естественнонаучную сферу, которая была бы так тесно связана с практикой и производством, как химия. Химия очень схожа с техническими науками в том, что она создает свой объект искусственно, путем синтеза материалов. С самых ранних времен она была связана, с одной стороны, с медициной через фармацевтику, с другой – с металлургией и горным делом. Первоначальные понятия химической науки были сформулированы на основе восстановления чистых металлов из руд и образования сплавов с заданными характеристиками. Так начала формироваться неорганическая химия. Много позднее особое значение приобрели неорганические материалы, способные функционировать в экстремальных условиях (при низкой температуре, высоком давлении, мощном радиоизлучении и т.д.). Возникла разветвленная химия материалов (в частности, химия огнеупорных материалов, химия легких и прочных сплавов, химия антикоррозийных покрытий), которая, конечно, во многом способствовала более глубокому пониманию природы вещества, но которая, вместе с тем, имела довольно опосредованное отношение к теоретическому естествознанию.
В начале XIX века возрос интерес к органическим веществам. Появилась органическая химия, занимающаяся изучением различных соединений, в которые входит углерод. Углеродосодержащие вещества можно разделить на две большие группы: в одну войдут искусственно созданные вещества, в другую – естественно существующие, благодаря жизнедеятельности биологических организмов. Первая группа веществ, как правило, связана с разнообразными химическими технологиями и производством. Она нас особенно интересовать не будет. Вторая группа представляет больший интерес для естественных наук, однако она уже является объектом не химии, а скорее биологии. Биохимия и молекулярная биология рассматривают биологические структуры и их функции на молекулярном и даже атомарном уровне. Практически все естественно-научные представления о жизни непосредственно связаны с представлениями о химических реакциях. Поэтому очень трудно провести четкую грань между химией и биологией, да и вряд ли это нужно делать.
Считается, что любое животное способно усваивать определенные вещества, то есть подвергать их химическим превращениям, которые обычно сопровождаются высвобождением энергии. Этот процесс называется обменом веществ или метаболизмом. Однако у некоторых разновидностей вирусов метаболизм отсутствует, хотя существует другое обязательное свойство живой материи – самовоспроизводство или размножение. Известно, что после того как вирус образовался, он не нуждается в питательной среде, не растет и не стареет; он представляет собой, по существу, сложную молекулу из белков и нуклеиновых кислот, которая способна катализировать в подходящей среде нужную химическую реакцию, приводящую к синтезу идентичной молекулы. Если принять, что живые организмы, помимо функции самовоспроизведения, должны обладать способностью к обмену веществ, то вирусы следовало бы отнести к ведению науки химии, а не биологии. Этот факт лишний раз призван продемонстрировать, что не существует четкой и однозначной границы между химией и биологией, как нет ее между химией и физикой.
Тем не менее, нельзя не признавать наличие здесь фундаментальной проблемы мировоззренческого характера. Основной вопрос, с ответа на который должно начинаться построение биофизики, т.е. физики живой природы, – это вопрос о соотношении биологических и физико-химических явлений. Либо в биологии содержится нечто принципиально чуждое физике и химии (точка зрения витализма), либо жизнь есть обыкновенное продолжение физических и химических процессов. Второе начало термодинамики дает закон эволюции вещества в сторону максимальной неупорядоченности (росту энтропии). Теория биологической эволюции Дарвина говорит о движении по направлению к более упорядоченным и все более усложненным живым системам. Но между этими двумя теориями нет никакого противоречия, поскольку в первом случае речь идет о закрытых системах, во втором случае – об открытых. Организм "потребляет" энергию из окружающей среды как упорядоченность и оставляет после себя хаос. Биологические законы дополнительны к законам, которым подчиняются неживые тела. Таким образом, живой организм представляет собой открытую, саморегулирующуюся и самовоспроизводящую систему, важнейшими функциональными веществами которой служат биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты. Такая система подлежит комплексному физическому и химическому исследованию. Ее познание должно опираться на раскрытие физических особенностей жизни – на физическое рассмотрение развития организма, его неравновесности и системности.
Биология вообще занимается изучением бесчисленных форм живых организмов. Ботаника и зоология изучают типы организмов и их взаимоотношения соответственно в растительном и животном царствах. В последнее время бурное развитие биологических наук привело к пересмотру взглядов на структуру органического мира. Сейчас принята иная классификация. Все живые организмы делятся на вирусы (бесклеточные организмы), прокариоты (организмы с клеточным строением, однако клетки не имеют оформленного ядра) и эукариоты (организмы с вполне сформировавшимися клетками). К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли; к эукариотам – зеленые растения, грибы, слизевики и животные. Первые эукариоты появились около 3 млрд. лет назад от прокариотов. ДНК прокариот находится непосредственно в цитоплазме и не окружена ядерной мембраной. Вообще, классификацией живых организмов занимается очень древняя наука – систематика.
Сравнительно молодой наукой является экология, изучающая взаимоотношения той или иной группы организмов с окружающей средой. Близкой по звучанию является наука этология, которая рассматривает поведение животных. Существует большое разнообразие в названиях биологических наук, которые связаны только с птицами (орнитология), рыбами (ихтиология), насекомыми (энтомология). Есть общебиологические, но достаточно специальные подразделы, такие, как паразитология, изучающая организмы, живущие в других организмах и существующие за их счет. Современная биология становится ареной творческого содружества специалистов многих наук, что послужило основой для развития биомеханики, биоэлектроники и биоэнергетики.
Анатомия, физиология и эмбриология занимаются изучением строения, функций и развития организма. Эти науки можно подразделить дальше в зависимости от изучаемых объектов, например, выделить физиологию животных, физиологию млекопитающих или физиологию человека. Цитология исследует строение, химический состав и функции клеток. Гистология занимается свойствами тканей. Наука об ископаемых останках жизни называется палеонтологией. Генетика интересуется способами передачи признаков от одного поколения к другому. Она тесно связана с теорией эволюции организмов, где рассматриваются вопросы, как возникают новые виды и каким образом современные формы произошли от ранее существовавших. Поскольку в биологии обыкновенно различают три уровня организации – клеточно-молекулярный, организменный и надорганизменный, генетика и теория эволюции существуют для всех трех ступеней. Естественно, что генетика и теория эволюции на молекулярном уровне сильно отличаются от генетики и теории эволюции на уровне популяций.
Из уже перечисленных биологических наук особенно важной для нас является физиология, поскольку она описывает те качественно своеобразные явления, которые отличают живую материю от неживой. Осмысление физиологических механизмов непременно основывается на данных анатомии, гистологии, цитологии, генетики и теории эволюции. В физиологии широко используются также методы физики, химии, кибернетики и математический аппарат. Физиология накопила и продолжает накапливать огромное количество сведений о механизмах восприятия. Кардинальным здесь является вопрос: каким образом нервная система достигает соответствия между создаваемым ею чувственным образом и реальным свойством предмета внешнего мира. Пока мы еще до конца не знаем, как происходит кодирование слуховых, зрительных и вкусовых ощущений и как мозг расшифровывает этот код, воссоздавая образ внешнего мира.
Часто совокупность физиологических знаний подразделяют на ряд отдельных, но взаимосвязанных направлений – общую, частную и прикладную физиологии (впрочем, такое деление можно провести в любой науке). В общую физиологию включают сведения, касающиеся природы основных жизненных процессов и общих проявлений жизнедеятельности, таких, как метаболизм и реагирование организма на воздействие среды. Частная физиология исследует свойства и функции отдельных органов и тканей. Прикладная физиология изучает деятельность организмов, включая человека, в связи со специальными задачами. К прикладным разделам относят, например, физиологию сельскохозяйственных животных; относительно человека это могут быть физиология труда, физиология спорта и т.д. Физиологию принято также подразделять на нормальную и патологическую, что имеет особое значение для медицинских и ветеринарных дисциплин.
Эволюция животного мира привела к появлению человека и новой формы движения материи – социально-исторической, которая уже не рассматривается в рамках естественно-научных дисциплин. Происхождение Homo sapiens все еще остается тайной для науки, но известно, что предки человека появились приблизительно 3 млн. лет назад. Биосфера – сфера деятельности живых существ – превращается в ноосферу – сферу разумной (или неразумной) деятельности человека. Тем не менее, некоторые разделы психологии человека, которые раньше традиционно относились к гуманитарной сфере, сегодня изучаются естественнонаучными методами, важнейшими из которых являются описательные и экспериментальные. Эти методы позволяют установить причинно-следственные отношения между физико-химическими процессами, протекающими в организме, и конкретными психическими свойствами личности.
Фундаментальные исследования в психологии направлены, главным образом, на выявление законов восприятия и научения. Психофизиология изучает физиологические и биохимические изменения, происходящие в нервной системе. Она пытается установить связь между ними и различными аспектами человеческой активности: функционированием памяти, регуляцией эмоций и т.д. Методы исследований здесь мало чем отличаются от тех, что используются в физике, химии и биологии. Это прежде всего широкое использование приборов, регистрирующих частоту сердечных сокращений, электрическую активность головного мозга, сопротивление кожного покрова и т.п. Все чаще можно встретить психологов, занятых проблемой искусственного интеллекта. Они пытаются методом математического моделирования на компьютерах лучше понять, как происходит процесс мышления у человека, а также использовать вычислительные машины для развития лингвистических способностей и эффективных навыков мышления у детей и подростков.
Зоопсихология изучает поведение животных с тем, чтобы лучше понять их родственные связи с человеком. Она также использует методы, принятые в психологии человека, чтобы дополнить данные этологов о поведении различных видов животных. Психофармакология пытается оценить воздействие новых лекарственных препаратов на поведение человека и животных. Во всех этих случаях нельзя обойтись без знаний химии и биологии. Для очень большого числа психических процессов сегодня существуют функционально-структурные модели. Например, недавно были предложены две принципиально различные модели памяти человека – локализованная и делокализованная. Какая из них окажется правильной, покажет эксперимент, а раз так, то это, естественно существующее психическое явление, мы должны отнести к ведению естествознания.
Психология, как и многие естественнонаучные дисциплины, вызревала в недрах философии. Сейчас многие ее разделы по-прежнему носят преимущественно умозрительный характер. Но современная база экспериментальной психологии, зиждется на физиологии, которая, в свою очередь, целиком зависит от успехов химии и биологии. С усовершенствованием химических и морфологических исследований биологического субстрата (прежде всего головного мозга) стали развиваться структурные представления о нервной системе. В последнее время произошло сближение нейробиологии (микропсихологии) и когнитивной психологии (макропсихологии). Когнитивный подход (когнитивный происходит от латинского слова cognoscere – знать) состоит в стремлении понять, каким образом мы расшифровываем информацию о реальности и организуем ее так, чтобы иметь удовлетворительные результаты в решении задач. Сегодня, например, элементарные функции обучения и приобретения условных рефлексов можно изучать на клеточном и даже молекулярном уровне.
Когда-то психические процессы вообще не связывались с материальным носителем или связывались с ошибочным органом (Аристотель считал, что человек думает и чувствует сердцем, а не мозгом). Первоначально для психологии были свойственны теологические представления о всеобщей духовной субстанции. Теперь же стало понятно, что любому психическому процессу можно поставить в соответствие череду электрических импульсов. Все психические события, включая сознание, можно объяснить материалистически, как результат активности больших скоплений взаимодействующих нейронов. Психика человека есть сложная форма движения материи, но не какая-то идеальная субстанция мистического происхождения. И если сегодня подавляющее число психических феноменов еще не выводится из электрических кодов и химических формул, то это только означает, что пока из-за огромной сложности нейронных сетей и химических реагентов не достигнут необходимый уровень знаний. Однако, решая задачи когнитивной нейробиологии, естествоиспытатель обязан опираться исключительно на материальную основу психических процессов, которые так или иначе сводятся к явлениям электрической и метаболической активности нейронов.
Поиск естественнонаучных оснований чего бы то ни было всегда сводится к редукции: естественно-научным основанием для химии является физика; основанием для биологии служит химия; для психологии – биология. Физика должна (сейчас этого пока нет) опереться на механические модели, которые полностью описываются математикой. Мозг человека – возможно, самая сложная система во вселенной, – в отличии, скажем, от компьютерного процессора, является продуктом естественного отбора биологических видов. Поэтому он должен быть объектом изучения прежде всего естествознания. С этой точки зрения все его многочисленные проявления, которые изучаются гуманитарными науками такими, как лингвистика или эпистемология (теория познания), могут и должны быть редуцированы до психологии. Больше того, только в этом случае возникает настоящий эвристический эффект (от греческого слова открыть, найти; это слово выкрикнул Архимед, когда решил одну из своих задач, принимая ванну). В остальных случаях творческий поиск вырождается в одну из форм литературного жанра, не имеющего ничего общего с наукой.
Приведенную нами панораму естественнонаучных знаний ни в коем случае нельзя считать законченной: она дает, быть может, важные, но далеко не полные сведения о структуре наук. Например, мы ничего не сказали о геологии, между тем большинство подразделов этой науки, в частности, стратиграфия и литология, достаточно фундаментальны и современны. Напомним, стратиграфия – это подраздел геологии, занимающийся изучением последовательности залегания горных пород, их возрастом и условиями формирования; литология – наука о генезисе осадочных пород. Читатель, возможно, слышал о тектонических перемещениях огромных плит, несущих целые континенты. Сегодня много спорят о границах, по которым наблюдаются сейсмическая активность. Оказывается, Земля представляет собой нечто напоминающее яйцо, у которого в нескольких местах треснула скорлупа. При движении ее в мировом пространстве в силу разных причин происходят незначительные смещения обломков коры (скорлупы). Все это нужные и интересные темы, о которых можно подробно рассказывать на лекциях, однако существует опасность разрастание курса «Естествознание» до невероятных объемов; любой преподаватель ограничен временными рамками.
* * *
Естествознание – это система представлений и понятий о явлениях, естественно существующих в реальном мире. Понять явление – значит, либо установить функциональную зависимость от других таких же естественных явлений (феноменологический подход), либо поставить в соответствие искусственно созданную структурную модель (конструктивный подход).
Естествознание – это наука, а наука в самом широком смысле слова есть, во-первых, форма общественного сознания, во-вторых, сфера человеческой деятельности и, в-третьих, система институтов. Нас будет интересовать первый пункт определения науки, то есть интеллектуальная форма, что непосредственно связано с определением естествознания, которое приведено выше; двум другим аспектам науки – деятельному и институциональному – здесь отводится минимальное место.
На первый план в развитом естествознании выступают три элемента – теория, метод, эксперимент. Они образуют настолько тесную триединую систему науки, что трудно отдать предпочтение одному из них. Каждый элемент действует на два других непосредственно и опосредованно через третий. Теория – это совокупность искусственно созданных сущностей. За экспериментом стоят реально происходящие явления. Явление есть нечто единичное, изменчивое, случайное, конкретное, материальное, внешнее; сущность, наоборот, – нечто общее, постоянное, необходимое, абстрактное, идеальное, внутреннее. Процесс познания идет по двум противоположным направлениям: от теории к опыту и от опыта к теории. Когда-то шарообразность Земли и гелиоцентрическое строение Солнечной системы оспаривались и считались смелыми весьма абстрактными предположениями. Теперь, глядя из космоса, эти объекты стали прямыми чувственно воспринимаемыми фактами. Следовательно, прогресс науки идет от абстрактной теории к конкретному опыту. Но первоначальные абстрактные теоретические модели создаются на основе каких-то конкретных опытных данных. Значит, имеет место и обратный процесс – от опыта к теории.
Теория отражает предмет как он существует в действительности, то есть объективно; метод, будь то феноменологический или конструктивный, отражает деятельность исследователя в процессе познания предмета, то есть субъективно. Метод по своей природе более мобилен, податлив к различным изменениям, вплоть до полной своей замены другим методом. Это происходит потому, что он непосредственно соприкасается с практикой, опытом и экспериментом. Теория всегда более консервативна, стремится любыми способами сохранить и усовершенствовать себя, поскольку она опосредованно связана с опытными фактами. В эксперименте не всегда дана вся необходимая информация для строго последовательного вывода: какие-то звенья цепи отсутствуют. Поэтому индивидуальный метод каждого ученого очень специфичен и включает множество совершенно непредсказуемых моментов. Более того, строгое дедуктивное мышление вообще противно творческому духу естествознания; оно разрушительно действует на процессы действительно синтетического мышления, так как новое знание появляется часто вопреки логике, в результате некой ее благоприятной «мутации». Так что первоначально, на уровне идеи математическая структура возникает в сознании помимо логики и даже вопреки ей, когда многие необходимые звенья для правильного вывода отсутствуют. Затем этой индивидуальной идеи сообщается некая общезначимая логическая форма – аксиоматическая или конструктивная, – чтобы она могла быть воспринята коллективным сознанием. Причем логическая притирка отдельных структурных фрагментов протекает не всегда гладко, так что окончательная естественнонаучная картина мира никогда не представляет собой цельно-монолитную повсюду связанную теорию. Нынешнее естествознание – это совокупность большого числа теорий и отдельных моделей, которые не могут быть логически выведены из единых исходных принципов.
В процессе научного познания, как уже было сказано, происходит непрерывное взаимодействие между методом, теорией и экспериментом, в процессе которого могут возникнуть противоречия. Противоречие можно рассматривать с теоретической точки зрения, и тогда становится проблематична истинность теории. В этом случае намечаются какие-то действия по выходу за пределы известных теоретических представлений. Но проблему можно оценить и с точки зрения правильности метода. Ясно, что каждый объект требует специальной культуры от исследователя, особой технологии обработки исходных материалов и здесь можно допустить массу чисто методических ошибок, которые могут и не привести к отказу от прежней теории. Если все же в результате тщательного анализа научной проблемы методическую ошибку обнаружить не удалось, то возникшее противоречие должно привести к замене старой теории новой. Проблемы науки могут быть столь значительны, а противоречия столь радикальны, что преодоление их приводит к революции в науке, то есть к смене не одной, а сразу нескольких взаимосвязанных теорий. В этом случае уже говорят об изменении научной картины мира или смене целого мировоззрения (история науки дает необходимый материал для изучения подобных процессов). Одновременно в науке происходит и смена методов, причем они изменяются как по содержанию, так и по форме. В хорошо развитой теории преобладают дедуктивные и аксиоматические методы. В зарождающейся теории, которая часто выступает в роли только гипотезы, то есть предположительной теории, господствуют индуктивные и конструктивные методы. Дедукция – это познавательный процесс, который идет от общего к частному, то есть от теории к практике; индукция есть обратное движение – от частного к общему или от опыта к теории. Аксиоматическая форма консервативна и даже догматична; она предполагает незыблемость определенной совокупности аксиом, на которой выстроена статичная концепция в форме неизменных теоретических положений. Конструктивная форма мобильна; ее теоретические построения более гибки и изменчивы; многие конструктивные элементы часто выполняют роль вспомогательных лесов для будущей теории, и только некоторые из них остаются в виде концептуальных элементов.
Если естествознание понимать как совокупность законов, устанавливающих взаимосвязь между явлениями, то реализуется феноменологический метод, который направлен главным образом на эксперимент. В этом случае знания ориентированы на факты, которые можно ожидать в будущем, а вся наука носит больше предсказательный характер. Если естествознание понимать как совокупность моделей, то реализуется конструктивный метод, который обращен больше к теории, и тогда знания ориентированы на прошлый опыт, а вся наука носит скорее объясняющий характер. Кроме того, феноменологический подход больше опирается на понятие о предмете, конструктивный – на представление. Если мы окинем мысленным взором всю историю естествознания, то прежде всего увидим непрекращающуюся борьбу между сторонниками качественной и количественной картины мира. Феноменалисты предпочитают качественное описание, а конструктивисты склонны давать количественные объяснение. Типичной феноменологической доктриной является химическое описание элементов, характерной конструктивной теорией служит физическая модель атомов.
Атом в древнегреческих учениях – это материальная частица, которая находится в полной пустоте и является пределом дробления вещества. Доминантой атома является его форма. В концепциях атома понятию пространства отводится первостепенное значение. Напротив, в концепциях элемента это понятие практически отсутствует (если говорить о строении материи по Аристотелю). Элемент – это предел чистоты вещества. Доминантой элемента служит некий бесформенный субстрат, который дан нам через свойства, например, быть холодным, сухим, тяжелым, непроницаемым. Элемент изменчив во времени; так, по мнению древних, вода может сама по себе загустеть и превратиться в землю. Множественность комбинаций атомов в рамках одних концепций и множественность комбинаций элементов в рамках других породили всю видимую множественность вещей.
Дискретность и континуальность представлений необязательно связаны с материей. Например, в квантовой механике две основные характеристики движения – импульс и энергия – дискретны, а в классической физике эти же характеристики – континуальны. Еще пример: ученые XIX столетия Гартман и Оствальд отрицали материю. Однако Гартман ввел атомы движения – динамиды, или центры сил. Он не признавал качественного различия между видами движения и любое его проявление – химическое, тепловое, электрическое – сводил к механическому, то есть к некой комбинации динамид. Оствальд, наоборот, принял качественное отличие между названными видами движения, которое он описывал с помощью континуального понятия энергии. Один вид энергии, согласно его учению, может переходить в другой, при этом выполняется закон сохранения энергии. Точно так же у древних физиков-элементников материальный огонь переходил в воздух, воздух – в воду и т.д., общее количество материи сохранялось. Оствальд придерживался исключительно феноменологической точки зрения и резко критиковал атомизм во всех его проявлениях.
С атомом тесно связано понятие материальной точки, которая, в свою очередь, ведет к механике и физическому осмыслению мира. Через понятие элемента оформляется химия как естественная наука и отчасти биология, поскольку для последней всегда одним из важнейших было представление об изменчивости биологического субстрата (по некоторым древним биологическим теориям одни виды животных в течение сравнительно короткого времени могли превращаться в другие виды; в частности, куколка насекомого, превращалась в бабочку, бабочка в гусеницу). Следует также добавить, что элементы как составляющие лекарственных препаратов играли исключительно важную роль в теоретической медицине раннего периода. Таким образом, представление об атоме способствовало развитию конструктивных методов в науке. Геометрическая и механическая модели атома скорее поддавались математическому, чисто количественному описанию. Благодаря усилиям Архимеда атомистическая модель легла в основу гидростатики; дискретная планетная модель Птолемея заложила основы кинематики. Понятие же об элементе связано с феноменологическим подходом. Вначале это всегда связано с качественным анализом, который можно проводить только на базе логики. В Средние века победила именно последняя точка зрения, выразителем которой был Аристотель. Логика (схоластика), химия (алхимия), медицина (знахарство) – вот те три компонента, которые представляли естествознание в постгреческий период. Математика и физика, хотя и достигли колоссальных высот в трудах Гиппарха, Евдокса, Аполлония, Евклида, Архимеда и Птолемея, существенно затормозили свое движение и остались на втором плане.
Интерес к истории естествознания здесь не случаен, так как естествознание, как мы сейчас выяснили, есть не только общее название для совокупности различных отраслей единой науки о природе, но еще и самостоятельная наука, имеющая свой предмет исследования, который тесным образом связан с историей человеческой культуры, философией, языком и психологией познавательных процессов. Любое конкретное явление физики, химии, биологии, конечно, будет предметом естествознания, однако, в сферу его компетенции входит также рассмотрение явления как абстрактного понятия, которое не является уже предметом анализа каждой из перечисленных наук. То же самое нужно сказать и в отношении теории, метода и эксперимента общего естествознания. Например, метод линейной комбинации атомных орбиталей – очень конкретный метод расчета энергетических состояний электронной системы в кристаллическом веществе – одновременно является объектом и физики твердого тела, и естествознания, только для частной науки он является именно методом получения конечных результатов, а для более общей – фактом, то есть исходной точкой исследования. Существует около десятка методов расчета энергетических уровней в кристалле – и все это будут отдельные факты, требующие своего метода обработки и проверки на истинность. Уже в рамках физики твердого тела существуют необходимые рекомендации по использованию тех или иных методик расчета в зависимости от строения конкретной кристаллической решетки, общее же естествознание должно вырабатывать на их основе свою отвлеченную методику, приводящую не просто к более точным вычислениям энергетических уровней, а к принципиально иным результатам, касающимся мировоззренческих аспектов.
Перед историком науки возникает множество проблем: как влияют научная подготовка, психологический характер и биография будущего творца науки на содержание его идей? Должен ли историк науки копаться в личных письмах ученого, устанавливать круг его знакомых, исследовать стиль работы или же всю эту детективную практику можно оставить без внимания? Правильно ли поступил Диоген Лаэртский, когда в своем сочинении «О жизни, учениях и изречениях знаменитых философов» привел полные тексты завещаний философов? Какую научную ценность для истории физики может представлять «Сборник автобиографий выдающихся советских физиков, избранных в действительные члены и члены-корреспонденты Академии наук СССР с 1917 по 1946 гг.»? Действительно, каждый этап в развитии науки персонифицирован. Поэтому необходимо как можно больше уделять внимание описанию жизнедеятельности ученых; желательно рассмотреть социально-экономические мотивы и последствия теоретических открытий, проследить за развитием отраслевой, академической и университетской системами научных учреждений и их правовым статусом, раскрыть роль общественного образования и просвещения – все это, несомненно, очень важные компоненты единой науки, определяющие ее эффективность. Однако такое исследование, если его предпринять в данном курсе «Естествознание», заняло бы слишком много места.
Высокая степень организации науки является наиважнейшим показателем ее зрелости: будет ли это ученый-одиночка, исследовательская группа из трех-пяти заинтересованных лиц, кафедра института, которая помимо исследовательской работы проводит подготовку кадров, или целая система взаимосвязанных институтов, осуществляющая выпуск единого научного журнала, организующая региональные и международные конференции. От характера соотношения индивидуального и коллективного труда ученых в огромной мере зависят результаты научного творчества. Конечно, научная идея может зародиться как в голове отдельного индивида, отгородившегося от всех стенами своего кабинета или лаборатории, так и в споре нескольких лиц, случайно оказавшихся на лестничной площадке, где невозможно установить никакого авторства. Сам факт появления идеи еще ни о чем не говорит: главным здесь является дальнейшее продвижение ее в обществе. Бывает так, что слабая идея получает неожиданный резонанс и поддержку в научных и околонаучных кругах, а о сильной никто ничего не знает. Вот тут и проявляется роль психологических и социальных факторов, изучению которых сегодня отводится важное место в науковедческих исследованиях. Наиболее распространенный метод разового зондирования и длительного отслеживания динамики развития отдельных идей и целых научных направлений, слежение за их количественным ростом и качественным ассортиментом осуществляется по аннотационным сообщениям в реферативных журналах и по развернутым публикациям соответствующих статей в периодической и непериодической научной литературе. При академических институтах существуют мощные специальные службы, проводящие такой квалифицированный мониторинг.
Основная задача истории науки – исследовать существующие концепции и указать на более или менее устойчивые стереотипы, которыми руководствуется естествоиспытатель при создании своей теории. Цель историка науки – найти в прошлом элементы настоящего, а в настоящем – элементы прошлого. Трудно понять важность и необходимость нового закона, если не оттенить его старым: нет перспективы без ретроспективы. Синтез каждой последующей концепции начинается с анализа предшествующих, причем главное в истории науки – не результат, а способ его достижения. Бессмысленно давать оценку содержанию прошлых открытий, исходя из современных возможностей науки, главным для историка являются формы презентации знаний. Реконструкция скрытых процессов мышления, изучение глубинных мотивов, предубеждений и привязанности ученого – вещь очень затруднительная, тем не менее без проведения такой работы невозможно наметить даже канвы истории становления естествознания, его общей логической структуры.
Видное место в истории науки необходимо отвести поиску конфронтирующих теорий, поскольку именно научный спор является двигателем прогресса. Важнейших проблем, которые интенсивно обсуждаются и находятся на острие науки, обычно немного – не более двух-трех. Нужно уметь вычленить их, проследить «траекторию» движения, указать точки пересечения отдельных эпистемологических линий. Основными спорящими сторонами, как правило, являются конструктивисты и феноменалисты, а также приверженцы дискретного и континуального видения мира. Конструктивисты чаще всего используют структурно-математическую, статическую и атомарную стратегию, а феноменалисты – логико-функциональную, динамическую и элементную. Борьба между сторонниками теории элементов и теории атома никогда не утихала и всегда проходила более ожесточенно, чем между материалистами и идеалистами. Достаточно сказать, что идеалист Платон и материалист Демокрит принадлежали одному лагерю сторонников атомарного строения космоса, только первый под атомом понимал идеальную разборную геометрическую фигуру, а второй – неделимую материальную частицу, хотя оба были приверженцами количественной науки.
Споры о том, как идет процесс развития науки – периодически, экспоненциально или S-образно (экспонента с насыщением) – ведутся давно. Науковедение сегодняшнего дня проводит соответствующие статистические измерения по выборкам, о которых мы упоминали выше, чтобы подтвердить или опровергнуть ту или иную точку зрения. Однако подобные исследования специалистов «науки о науке», как они сами себя называют (термин введен в 1936 году Марией и Станиславом Оссовскими), касаются сравнительно коротких (в 10 – 50, редко в 100 и более лет) периодов развития отдельных очень узких отраслей знания (например, можно найти следующий список дисциплин: радиоастрономия, исследование метеоров с помощью радаров, кристаллография белков, молекулярная биология, этнография, физическая, сельскохозяйственная и экспериментальная химия, бактериология, кибернетика, этнология в США и во Франции, психология в Германии). Анализ этих дисциплин проводится в основном из конъюнктурных соображений эффективного финансирования, а также оптимального планирования материальных и людских ресурсов.
Правильный выбор модели развития науки, выяснение технических, экономических, социальных, государственно-политических и иных причин успешного (неуспешного) продвижения научной отрасли, поиск оптимальной организации института, контроль за последствиями научных исследований, выявление диспропорций развития, социологическое изучение научного сообщества, анализ структуры коммуникаций в науке, составление потенциально продуктивных исследовательских программ и даже возможное прогнозирование наступления золотого века науки – все это бесспорно исключительно важные моменты науковедения, преграждающие путь малопродуктивным исследованиям. Однако очень часто они вытекают из жесткой конкуренции, сиюминутной политики и делаются из опасения за нестабильный статус отрасли, то есть из чисто прагматических соображений или групповых интересов, которые нередко навеяны безличной модой или окрашены тщеславием отдельных лидеров. Из всего комплекса условий возникновения и развития конкретных дисциплин до сих пор анализировались лишь изолированные факторы, сильно влияющие на скорость течения вербальных, однозначно регистрируемых параметров. Мы же намерены рассматривать скрытые, неподдающиеся прямому измерению, когнитивные и исторические процессы, действующие в течение очень длительных (до 1000 и более лет) периодов времени. В этом случае уже не пригодны количественные методы статистической математики и нужно пытаться найти качественные характеристики, описывающие тектонические перемещения глубинных культурных наслоений, включающих относительно тонкие «золотые» прослойки науки и толстые «базальтовые» пласты философии и религии.
Таков был общий тон моих лекций по курсу «Естествознания», который я читал в течение нескольких лет. Основная задача обучения состояла в том, чтобы не дать студентам заблудиться в многочисленных логических и идейных истоках естествознания, расплыться по бесчисленным рукавам в дельте современного естествознания при впадении его в океан науки. Я считал, что моя методика преподавания и отлакированные лекции дают достаточно полную картину современного естествознания и надежно уберегают их от излишних блужданий по бесчисленным лабиринтам этой обширной науки.
|
|
|
