стр. 1
(всего 3)

СОДЕРЖАНИЕ

>>

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ




БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ




М. С. Кунафин




КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО
ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ


Учебное пособие
(изд. второе, расширенное и дополненное)



Уфа 2003


УДК 5
ББК 20
К 91



Кунафин М. С. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. Изд-е . - Уфа, 2003. - с. - ISBN


В учебном пособии реализуются требования "Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования" (М., 1994 г.) к уровню подготовленности лиц, завершивших обучение по циклу естественнонаучных дисциплин. Книга составлена с расчётом того, чтобы каждый, кто пройдёт такое обучение, получил представление о методах естествознания, этапах его развития и основных научных концепциях.
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений и вместе с тем рассчитано на широкий круг читателей, интересующихся историей и перспективами современного естествознания, а также философским обоснованием естественнонаучных проблем.


Под редакцией д. филос. н., проф. А. Ф. Кудряшёва


РЕЦЕНЗЕНТЫ: д. филос. н., проф. В. Н. Финогентов (УГИС, Уфа); кафедра социально-гуманитарных дисциплин Уфимского юридического института





ISBN (c) Башкирский университет, 2003 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ 7
ВВЕДЕНИЕ 9
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 11
ГЛАВА 1. структура ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 12
1.1. Предмет естествознания 12
1.1.1. Анализ понятия "природа" 12
1.1.2. Естествознание донаучное, преднаучное и научное 13
1.1.3. Неисчерпаемость предмета естествознания 14
1.1.4. Специфика донаучного и преднаучного 15
естествознания 15
1.1.5. Специфика научного естествознания 16
1.2. Генезис научного естествознания 16
1.2.1. Перспективы античной преднауки 17
1.2.2. Замещение реальных объектов идеальными 17
1.2.3. Операции преобразования и моделирование 18
изменений 18
1.3. Структура естественнонаучного познания 19
1.3.1. Принципы научного познания 19
1.3.2. Общие методы познания 20
1.3.3. Основные формы естествознания 21
1.3.4. Непостижимая эффективность математики 23
ГЛАВА 2. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 25
2.1. Ступени развития знания 25
2.1.1. "Естественная магия" 25
2.1.2. Магия и религия 26
2.1.3. Религия и естествознание 27
2.1.4. Специфика восточной преднауки 28
2.1.5. Письменность 28
2.2. Естественнонаучные аспекты античной 30
натурфилософии 30
2.2.1. Евклидова геометрия - первая стандартная 30
научная теория 30
2.2.2. Древнегреческий атомизм 31
2.2.3. Механика Архимеда 32
2.2.4. Становление астрономии 33
2.3. Значение арабской системы знаний 35
в истории естествознания 35
2.3.1. Физические достижения арабского средневековья 36
2.3.2. Астрономия арабо-мусульманского средневековья 39
2.4. Научные революции 41
2.4.1. Первая научная революция (XVII век). Г. Галилей 41
2.4.2. Вторая научная революция 42
(кон. XVIII в.- нач. XIX века). И. Ньютон 42
2.4.3. Третья научная революция (кон. XIX в.- сер. XX века) 43
2.4.4. Четвёртая научная революция (кон. XX века) 45
2.5. Организация современного естествознания 47
2.5.1. Иерархия естественнонаучных законов 47
2.5.2. Этические принципы науки 49
2.5.3. Роль междисциплинарных исследований 51
в естествознании 51
ГЛАВА 3. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ Концепции ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 53
3.1. Термодинамика 53
3.1.1. Роль тепловых явлений в природе 53
3.1.2. Вещественная теория теплоты. 54
3.1.3. Корпускулярная теория теплоты 55
3.1.4. Законы термодинамики 56
3.2. Молекулярно-кинетическая теория 56
(статистическая механика) 56
3.2.1. Основные положения молекулярно-кинетических представлений 57
3.2.2. Дискретность вещества 58
3.2.3. Химия. Периодическая таблица химических 58
элементов Д. И. Менделеева 58
3.2.4. Закон сохранения энергии 63
3.3. Электромагнитная теория 64
3.3.1. История открытия электричества 64
3.3.2. М. Фарадей: исследования электромагнетизма 65
3.3.3. Заряд и поле. Закон сохранения электрического 66
заряда 66
3.3.4. Проводники, полупроводники и диэлектрики. 67
Электрический ток 67
3.3.5. Электромагнитное взаимодействие. 68
Электромагнитная теория поля 69
3.4. Квантовая теория 70
3.4.1. Хронология становления квантовой теории 71
3.4.2. Гипотеза М. Планка. Кванты 72
3.4.3. Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света 73
3.4.4. Квантовая теория атома Н. Бора 73
3.4.5. Вероятностный характер процессов 75
в микромире 75
3.4.6. Гипотеза Луи де Бройля об универсальности 77
корпускулярно-волнового дуализма 77
3.4.7. Принцип неопределённости В. Гейзенберга 78
3.4.8. Волновая механика и уравнение Э. Шредингера 80
3.4.9. Принцип дополнительности Н. Бора 81
3.5. Симметрия 82
3.5.1. Симметрия и законы сохранения 83
3.5.2. Принципы, организующие сходство 84
3.5.3. Роль симметрии в организации мира 86
ГЛАВА 4. КОНЦЕПЦИИ ДВИЖЕНИЯ, 89
ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ 89
4.1. Генезис представлений о пространстве и времени 89
4.1.1.Биологические предпосылки времени и виды 89
пространства. 89
4.1.2. Пространство и время мифа и натурфилософии 91
4.1.3. Теоцентрическая модель пространства 92
и времени 92
4.2. Классические концепции пространства и времени 94
4.2.1. Проблема континуальности и дискретности 94
пространства и времени 94
4.2.2. Классические интерпретации пространства 95
и времени 95
4.2.3. Проблемы реального пространства 97
4.3. Предпосылки неклассических интерпретаций 99
пространства и времени 99
4.3.1. Принцип относительности и инерциальные 100
системы (Г. Галилей) 100
4.3.2. Эфир как абсолютная система отсчёта. 101
Опыт Майкельсона - Морли 101
4.3.3. Принцип относительности и электродинамика 102
Максвелла 102
4.4. Специальная теория относительности (СТО) 104
4.4.1. А. Эйнштейн. Единство пространства и времени. Связь массы и энергии 104
4.4.3. Пространство и время в инерциальных 106
системах 106
4.4.4. Неоднозначность геометрии физического 109
пространства. Неевклидовы геометрии 109
4.5. Общая теория относительности (ОТО) 111
4.5.1. Инерция и гравитация 111
4.5.2. Теория гравитации 113
4.5.3. Гравитационные массы и искривление 114
пространства - времени 114
ГЛАВА 5. ХАОС. САМООРГАНИЗАЦИЯ. 117
СЛОЖНОСТЬ 117
5.1. Хаос и порядок 117
5.1.1. Энтропия 117
5.1.2. Принципы системности и целостности 119
5.1.3. Нелинейные системы. Рождение порядка 120
5.2. Самоорганизация 122
5.2.1. Синергетика 122
5.2.2 Механизм самоорганизации 123
5.2.3. Самоорганизация в диссипативных структурах 124
5.3. Необходимость и случайность 126
5.3.1. Проявление необходимости и случайности 126
5.3.2. Необходимость хаоса 129
5.3.3. Смысл информации 132
5.4. Сложность 132
5.4.1. Понимание сложности. Неравновесное 133
состояние систем 133
5.4.2. Сложное поведение и фазовое пространство 134
5.4.3. Сложность поведения живых и социальных 136
систем 136
5.4.4. Сложность адаптивных стратегий в живом мире 137
5.5. Управление 139
5.5.1. Кибернетика и теория управления 140
5.5.2. Информационная структура управления 140
5.5.3. Эффект обратной связи 142
ГЛАВА 6. ЖИЗНЬ 144
6.1. Проблема возникновения жизни 144
6.1.1. Специфика жизни как особого уровня 144
организации материи 144
6.1.2. Гипотеза творения (креационизм) 145
6.1.3. Гипотеза спонтанного зарождения жизни 145
6.1.4. Гипотеза стационарного состояния 146
6.1.5. Гипотеза панспермии 146
6.1.6. Теория биохимической эволюции 146
6.2. Структура живого вещества 148
6.2.1. Признаки живого вещества 148
6.2.2. Виды регуляции организма 149
6.2.3. Постоянство внутренней среды (гомеостаз) 150
6.3. Теории эволюции 151
6.3.1. Зарождение эволюционного учения 152
(Ж. Ламарк, Ж. Кювье, Ч. Лайель) 152
6.3.2. Эволюционная теория естественного отбора 153
(Ч. Дарвин, А. Уоллес) 153
6.3.3. Номогенез как альтернатива дарвинизму и как его дополнение 155
6.3.4. Вид и видообразование 157
6.3.5. Проблемы видообразования 158
6.4. Теория наследственности 159
6.4.1. Закон доминирования Г. Менделя 160
6.4.2. Хромосомная теория наследственности 161
6.4.3. Структура гена. Расшифровка 163
генетического кода 163
6.4.4. ДНК, её роль в реализации наследственной 163
информации 163
6.4.5. Клеточная теория (Т. Шван, М Шлейден) 165
1.4.6. Биогенетический закон 165
6.5. Философское и естественнонаучное 166
постижение смерти 166
6.5.1. Биологический и социальный смысл смерти 167
6.5.2. Что такое бессмертие? 167
6.5.3. Социальные следствия развития генной 169
инженерии 170
6.5.4. Социальные и этические проблемы 171
клонирования 171
ГЛАВА 7. БИОСФЕРА 174
7.1. Генезис биосферы 174
7.1.1. Геологические условия возникновения 174
биосферы 174
7.1.2. Эволюция биосферы. Живое вещество 175
7.1.3. Роль абиотических и биотических 178
круговоротов 178
7.1.4. Порядок распространения жизни 180
7.2. Биогеохимические процессы в биосфере 181
7.2.1. Состав вещества биосферы 182
7.2.2. Особенности основных биосферных циклов 184
7.2.3. Биохимические функции живого вещества 185
7.2.4. Биогенная миграция атомов 186
и биогеохимические принципы 186
7.3. Экологическая структура биосферы 187
7.3.1. Биосфера - многокомпонентная иерархическая 188
система 188
7.3.2. Прокариоты и эукариоты. Бактерии. 189
Вирусы и сине-зелёные водоросли 189
7.3.3. Растения. Грибы. Животные 190
7.4. Глобальное биологическое разнообразие 191
и подходы к его изучению 191
7.4.1. Современные представления о видовом 192
разнообразии биосферы 192
7.4.2. Современные подходы к исследованию 193
биоразнообразия 193
7.5. Ноосферогенез 194
7.5.1. В. И. Вернадский о переходе биосферы 194
в ноосферу 194
7.5.2. Естественноисторические аспекты 196
трансформации биосферы в ноосферу 196
7.5.3. Антропоцентризм и биосферное мышление 197
ГЛАВА 8. ЧЕЛОВЕК 199
8.1. Человек как вид 199
8.1.1. Человек: особый вид животных 199
8.1.2. Культурный и биологический аспекты 200
эволюции человека 200
8.1.3. Нарушение основного биологического закона 201
8.2. Сознание и поведение 202
8.2.1. Функции головного мозга. 202
Успехи нейрофизиологии 202
8.2.2. Поведение 204
8.2.3. Бихевиоризм 206
8.2.4. Гештальтпсихология 207
8.2.5. Этология и социобиология 207
8.3. Современное мировоззрение и планетарные 210
проблемы 210
8.3.1. Проблема формирования современного 210
мировоззрения 210
8.3.2. Глобальные последствия развития 211
цивилизации 211
8.3.3. Деятельность "Римского клуба" и института 212
Л. Брауна "Worldwatch" 212
8.3.4. Новые ценности 218
8.4. Концепция устойчивого развития 220
8.4.1. Экологическая и экономическая компоненты деятельности 221
8.4.2. Общие положения концепции устойчивого 221
развития 221
8.4.3. Условия устойчивого развития и ключевые 222
понятия концепции 222
8.5. Искусственный интеллект (ИИ) 223
8.5.1. Основные направления развития ИИ 223
8.5.2. Знания и их представление 224
8.5.3. Проблема понимания естественного языка 225
ГЛАВА 9. ИЕРАРХИЯ МИРОЗДАНИЯ 228
9.1. Макромир 228
9.1.1. Основные этапы развития представлений 228
о Вселенной 228
9.1.2. Релятивистская космология 229
(А. Эйнштейн, А. А. Фридман) 229
9.1.3. Концепция расширяющейся Вселенной 231
9.1.4. Концепция "Большого Взрыва" 234
9.1.5. Антропный принцип 237
9.2. Мезомир 239
9.2.1. Эволюция планеты Земля 240
9.2.2. Экологическая структура мезомира 241
9.2.3. Информационные свойства мезомира 242
9.3. Микромир 245
9.3.1. Учение об элементарных частицах 246
9.3.2. Элементарная структура вещества. Атом 247
9.3.3. Устойчивость и неустойчивость частиц. 248
Термоядерные процессы. Ядро атома 248
9.3.4. Фундаментальные взаимодействия и законы 252
природы 252
9.3.5. Фундамент материи: физический вакуум 255
и его состояния 255
9.4. Виртуальные реальности 256
9.4.1.Значение термина "виртуальная реальность" 257
9.4.2. Компьютерная виртуальная реальность 258
9.4.3. Способы существования виртуальной 259
реальности 259
9.4.4. О философии виртуальной реальности и 260
киберпространства 260
9.5. Поиск внеземных цивилизаций 263
9.5.1. О возможности существования жизни 263
и разума во Вселенной 263
9.5.2. О возможности информационного контакта с внеземными цивилизациями 266
9.5.3. О возможных формах технологической 269
активности разума во Вселенной 269
ЛЕТОПИСЬ естественнонаучных 272
ОТКРЫТИЙ 272
ВАЖНЕЙШИЕ ОТКРЫТИЯ В БИОЛОГИИ И 297
МЕДИЦИНЕ В ХХ ВЕКЕ 297
ЛЕТОПИСЬ открытий в ХИМИИ 300
АСТРОНОМИЯ В ХХ ВЕКЕ 307
Литература по главам 308
Глава 1. Структура естествознания 308
Глава 2. Этапы развития естествознания 308
Глава 3. Фундаментальные концепции естествознания 309
Глава 4. Концепции движения, пространства 310
и времени 310
Глава 5. Хаос. Самоорганизация. Сложность 311
Глава 6. Жизнь 312
Глава 7. Биосфера 313
Глава 8. Человек 314
Глава 9. Иерархия мироздания 314
Литература дополнительная 315
Словарь терминов 318
Примечания 329

ПРЕДИСЛОВИЕ
Особенностью любой книги, посвящённой предмету "Концепции современного естествознания", является то, что её содержание вряд ли будет полностью соответствовать содержанию самого предмета. Чтобы понять это, достаточно попытаться представить, что такое "современное естествознание": сотни дисциплин, ставящих и решающих тысячи сложнейших проблем; десятки специальных научных языков, которыми пользуются миллионы лучших интеллектуалов нашей планеты; десятки и сотни концепций, гипотез, теорий, порой неимоверно сложных для понимания в силу своей специфичности; наконец, постоянно возрастающий поток информации в условиях дифференциации уже существующих отраслей знания.
Разумеется, глупо пытаться "втиснуть" всё богатство современного естественнонаучного знания в пределы одной книги. Вполне очевидно, что всё это не может быть ни представлено в ней, ни освоено теми, кто изучает данный предмет. Для решения проблемы следует изначально принять некий философский "формат", то есть определённую схему, которая, сообразуясь с дидактическими целями курса, укладывает в себя лишь самое необходимое для создания представления о современном состоянии естествознания.
Очевидно, что любая схема предполагает ограничения. В нашей книге, например, теряется возможность в полном объёме охарактеризовать особенности современных концепций в различных отраслях естествознания, но взамен возникает возможность выделить общие этапы и тенденции его развития, дать представление о структуре познавательных процессов.
Таким образом, в книге, посвящённой предмету "Концепции современного естествознания", вполне реально попытаться изложить сведения об истории развития естествознания, структуре познания и о тенденциях развития современного естественнонаучного знания. Требовать большего означает не понимать того, что концепции современного естествознания в полном объёме не могут быть, во-первых, усвоены теми, кому они предназначены, а во-вторых, популярно и полно изложены в пределах какой-либо книги.
Да и в чём смысл такого требования? Детальное знание неких естественнонаучных проблем для человека, который, возможно, никогда не будет заниматься ими впоследствии, вряд ли необходимо. Но для современного состояния дел жизненно важно, чтобы у каждого, тем более у человека, который когда-то обязательно будет принимать ответственные решения, было развито чувство "укоренённости" себя в мире. Укоренённости не только культурной, но и биологической, физической, "укоренённости" в чувстве родства со всем живым на планете.
Созданию такого интеллектуального настроя и нравственного статуса философский "формат" "Концепций современного естествознания", несомненно, будет способствовать, так как, в конечном счёте, учебная цель предмета сводится к прояснению роли и значения естествознания в современном мире и, следовательно, к пониманию себя как неотъемлемой и зависимой части этого мира.
Разнообразие тем, содержание книги и её структура ориентированы на создание устойчивого комплекса знаний, представляющих положение дел в современном естествознании. Содержание книги преследует цель дать общую картину естественнонаучного миропонимания, основанного на целостном историческом подходе и философских обобщениях.

ВВЕДЕНИЕ
Мы движемся вперёд в понимании мира. Его познание невозможно без усвоения накопленных знаний. Это нелёгкий труд, превратившийся в современном мире в процесс, длящийся всю жизнь. Освоение уже существующего знания и сотворение нового, по сути, единый неразрывный процесс. Естественно, что любое новое знание невозможно, если оно не основано на уже существующем знании. Поэтому столь важно освоение традиции.
Традиция предполагает связь уже познанного и познаваемого. Столь необходимая связь между прошлым и будущим реализуется во многом благодаря систематизации и классификации. Коротко остановимся на структуре естествознания и его месте в общей классификации наук. Хотя мы и говорим ниже о естествознании как донаучном, преднаучном и научном, выделяя тем самым этапы развития собственно естествознания, но на самом деле вплоть до научного этапа, то есть до XVII века эволюция естествознания происходила в рамках натурфилософии. Вплоть до оформления естествознания как совокупности дисциплин, изучающих природу на основе математических принципов, оно развивалось как совокупность сведений об устройстве природе. Отсутствовали атрибуты, столь характерные для современного естествознания, - техника и математизация.
Само понятие "естествознание" носит обобщающий характер. Очевидно, что оно лишь констатирует факт возникновения совокупности дисциплин, исследующих природу. В основании этой совокупности уже со времён Аристотеля лежит физика. Именно она почти до XX века определяла нормативы научно-исследовательской деятельности в области естествознания, и не только его. Разумеется, современное знание не может быть охарактеризовано только как естественнонаучное и даже как только научное. К началу XXI века вследствие интеграционных процессов, возникших в науке благодаря развитию кибернетики, общей теории систем, синергетики, вследствие глобализации информационных процессов, прежде очевидные и чётко определяемые границы естествознания были размыты.
Тем не менее, в современной системе знания мы можем выделить, как минимум, четыре относительно самостоятельных типа: гуманитарное знание, техническое знание, математическое знание и естествознание. Наиболее специфичным среди этих типов знания является математика. Она одновременно универсальна для прочих типов знания и зависима от них, поскольку в любом случае имеет смысл, если только определяет и описывает закономерности безотносительно к предмету исследования. Сегодня вряд ли можно представить развитие техники, естествознания и даже гуманитарного знания без математики.
Структура естествознания основана на общем определении естествознания как совокупности наук о природе ("естестве"). Понятно, что это весьма расплывчатое определение, которое позволяет сводить воедино такие трудно сопоставимые дисциплины, как, например, биологию и геологию. Тем не менее, в самом общем смысле структура естествознания и классификация знания в целом может быть основана на этой посылке. Итак, в качестве общего определения структуры можно выдвинуть следующее: к естествознанию относятся дисциплины, предметом исследования которых являются закономерности природы. То есть, совокупностью химических закономерностей в природе занимается химия, совокупностью физических отношений в природе занимается физика, совокупностью биологических отношений в природе занимается биология и т. д.
Конечно, при таком подходе возникает вопрос: можно ли вне связи с другими закономерностями, например, физическими выделять и рассматривать химические связи и, следовательно, возможна ли химия как дисциплина, основанная на исследовании только химических закономерностей? Сегодня мы понимаем, что это абстрактный подход, который, в конечном счёте, провоцирует дисциплинарную дифференциацию знания. В то же время подобный подход позволяет хотя бы относительно структурировать естествознание и выделить его в качестве отдельной совокупности наук среди других типов знания.
Пользуюсь случаем, чтобы выразить искреннюю благодарность коллективу кафедры философии и методологии науки Башкирского государственного университета за поддержку и помощь при работе над книгой. Выражаю особую признательность научному редактору рукописи профессору А. Ф. Кудряшёву. Его рекомендации и произведённый им скрупулёзный анализ текста позволили улучшить структуру и содержание книги. Выражаю глубокую благодарность профессору В. Н. Финогентову, профессору Б. М. Миркину, профессору М. А. Фатыхову за рецензирование рукописи. Благодаря проделанному ими анализу рукописи в методологическом, биологическом и физическом аспектах удалось избежать многих неточностей и улучшить качество книги. Также выражаю искреннюю признательность профессору А. И. Селиванову, профессору А. В. Лукьянову, доценту Р. Р. Вахитову и доценту В. Е. Обухову, которые взяли на себя нелёгкий труд прочесть рукопись и высказали свои замечания и предложения. Хочу особо поблагодарить редактора Кузьмину Р. М. за тщательную корректуру текста книги.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
Содержание курса "Концепции современного естествознания" реализуется триединством данного учебного пособия, программы лекций и плана практических занятий. Учебное пособие, программа и план составляют полный комплект необходимого учебного материала для студентов. Содержание всех трёх компонентов приведено в полное соответствие друг с другом. Итак, изучение и усвоение курса "Концепции современного естествознания" требуют использования плана практических занятий, программы лекций и текста учебного пособия.
Содержание книги, в соответствии с программой курса, разделено на девять глав, каждая из которых, в свою очередь, (за исключением первой главы, которая состоит из трёх вопросов - М. К.), разбита на пять вопросов и на раскрывающие эти вопросы параграфы. Содержание и смысл встречающихся в тексте слов со значком (*) раскрываются в находящемся в конце книги словаре терминов. Рекомендуется, в случае любых терминологических затруднений, прежде всего, заглянуть в этот словарь.
Кроме этого, в конце книги находится "Летопись естественнонаучных открытий" в области физики, астрономии, биологии, химии. Это весьма объёмные справочники, предназначенные утолить "первый информационный голод" по интересующим вопросам.
"Литература по главам" представляет собой тематизированное дополнение к содержанию рассматриваемой в данной главе темы. Она подобрана с таким расчётом, чтобы полностью "перекрыть" все возможные вопросы, могущие возникнуть при изучении материала. Кроме этого, литература по главам может и должна быть использована при подготовке к практическим занятиям.
"Литература дополнительная" может быть использована по усмотрению читателя. Рекомендуется обращение к ней для расширения кругозора в различных аспектах естествознания. Её можно использовать при написании рефератов и при подготовке к экзамену и зачёту.
Основная трудность при изучении материала учебника, как мне кажется, будет вызвана тем, что язык естествознания не может быть редуцирован (сведён) к естественному языку. Во всяком случае, эта процедура имеет чётко выраженные пределы, переходить которые нельзя без риска впасть в профанацию. Снять остроту этой проблемы призван упоминавшийся выше словарь терминов в конце учебника. И всё же читателя ожидает нелёгкая работа, ему понадобятся время и терпение для основательного освоения терминологии естествознания. Это то минимальное требование, которое необходимо предъявить. И оно понятно. Не зная соответствующего языка, нельзя достичь понимания предмета.
Текст сложен и требует внимательного чтения. Читателю предстоит пройти длинный и непростой путь от изучения предмета естествознания в первой главе до проблем, связанных с иерархией мироздания в девятой главе. Содержание глав, входящих в книгу, развёртывает широкий спектр проблем, относящихся к истории естествознания, возникновению и становлению научной методологии, фундаментальным концепциям естествознания, к проблемам самоорганизации, жизни, к возникновению и становлению биосферы и человека, к современным глобальным проблемам.
Содержание курса, излагаемого в этой книге, преследует следующие цели:
1. Получить представление о предмете естествознания, содержании и основных этапах истории его становления и развития.
2. Получить целостное и систематическое представление о концепциях современного естествознания.
3. Уяснить естественную и необходимую связь современного социально-гуманитарного знания с концепциями современного естествознания.

ГЛАВА 1. структура ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
1.1. Предмет естествознания
Анализ понятия "природа". ( Неоднозначность понимания природы как объекта естественнонаучного исследования. ( Наука. ( Сочетаемость понятий "наука" и "естествознание". ( Естествознание донаучное, преднаучное и научное. ( Неисчерпаемость предмета естествознания. ( Специфика знания на донаучном и преднаучном этапах развития естествознания. ( Специфика знания на научном этапе развития естествознания.

Естествознание есть знание, накопленное науками о природе. Содержание понятия "естествознание" определяется суммой знаний, аккумулируемых понятиями "природа" и "наука". Важно различать философский и естественнонаучный аспекты понимания природы. Это различие сводится к тому, что естествознание стремится иметь дело с природой как объектом, то есть с её более или менее удачной конструкцией, а философия стремится понять природу как таковую. Также важно видеть исторический характер связи естествознания и науки. Естествознание древнее науки.
Если природа - объект и выступает как внешнее по отношению к естествознанию, то внутреннее содержание естествознания составлено дисциплинами, обращёнными к отдельным частям - предметам природы - объекта. Совокупность дисциплин естествознания рассматривает сумму предметов - частей природы, но является ли получаемое ими знание действительным представлением природы? Различные этапы развития естествознания по-разному представляют природу. Причём отличие этих представлений друг от друга зависит от того, в какой степени в этом участвует наука. Естествознание без науки или естествознание, в малой степени ею обременённое в отличие от научного естествознания, и дисциплинарно, и образно очень по-разному представляют природу.
1.1.1. Анализ понятия "природа"
Термин "естествознание" раскрывает историю становления знаний о природе с древности до наших дней. Понимание природы как объекта, к которому обращена познавательная деятельность человека в различные исторические эпохи, было разным. "Природа" древнегреческого мыслителя, "природа" римского натуралиста, "природа" "натуральной магии" XVI века, "природа" физика-теоретика XVII века и "природа" учёного- естествоиспытателя конца ХХ века не просто разное понимание одного и того же объекта. Речь идёт о разных объектах исследования, существование которых обусловлено функционированием исторически разных типов мышления. Если обобщить разноречивые, не доступные единой систематизации смыслы понимания природы, то можно получить примерно следующее представление о смысле понятия "природа", применимое к ней, начиная с Нового времени:
* Природа - не однозначная, у всех перед глазами лежащая очевидность, на которую довольно было бы лишь указать пальцем, а сложная и запутанная идея. Это идея реальности, существующей вне нас и в то же время доступной нашему влиянию.
* Природа противопоставляется человеку и его обжитому, осмысленному, домашнему миру как иное, чужое, самодовлеющее бытие, к которому необходимо установить адекватное отношение.
* Природа и культура противопоставляются друг другу. Это фиксируется в радикальном различении науки и искусства, естественных и гуманитарных наук. В природе человек теперь имеет дело с принципиально дегуманизированным, трансцендентным бытием, которое подлежит бесконечному процессу познания.
* Именно с Нового времени, в связи с таким пониманием процесса познания, впервые встаёт проблема оснований объективного знания, не зависящего от культурных предрасположенностей и предвзятостей мысли. Формируется идея внекультурного, сверхличного субъекта познания.
* Возникает внутренняя несогласованность идеи природы с собой. Она одновременно определяется как предмет принципиально инородный человеку (предмет познания) и не менее принципиально как предмет однородный человеку (предмет практического освоения). Всякому естественнонаучному пониманию природы как всецело идеализируемой субстанции, противопоставляется гуманитарное понимание невместимости природы в формы человеческого освоения её. Научному пафосу познания и овладения противопоставляется художественный пафос вещественной самобытности природного1.
Таким образом, можно сделать следующий вывод: исследование природы составляет смысл существования естествознания. В то же время это исследование должно исходить из понимания невозможности "прямого", "нечеловеческого" обращения к природе. Между ней и естествознанием всегда будет стоять человек со своей культурой, историей и языком. "Чистое", равно как и "абсолютное" знание - иллюзия. Более того, ставить вопрос так, значит ставить его философски, что нехарактерно для естествознания, которое изначально существует как механизм позитивного накопления и практической реализации полученного знания.
1.1.2. Естествознание донаучное, преднаучное и научное
Наука обеспечивает получение нового знания, вырабатывает средства воспроизводства и развития познавательного процесса. Язык науки включает чёткое употребление понятий, определённость их связи, обоснование их следования, их выводимость друг из друга. Современное естествознание немыслимо без науки. Мы не зря называем его научным естествознанием, подчеркивая тем самым его основную специфику. Следовательно, мы вправе сделать вывод о том, что, возможно, естествознание не всегда было научным. И это действительно так. Выделение и оформление элементов науки происходит в конце первого тысячелетия до н. э. Родиной европейской науки традиционно считается Древняя Греция.
Но как мы знаем, задолго до этой цивилизации, определившей облик Европы, существовали древние восточные царства, обладавшие существенными познаниями в астрономии, геометрии, арифметике и других областях знания. Более того, можно утверждать, что задолго до возникновения этих цивилизаций, с момента, когда возникают человеческие коллективы, появляется естествознание. Возникновение его столь же необходимо, как и, например, возникновение хозяйства, так как познавательная деятельность человека, обращённая к природе, не может привести ни к чему иному, кроме как к естествознанию.
Однако приложимо ли к данному этапу возникновения естествознания понятие науки? Конечно, нет. Мы должны как-то иначе классифицировать эту стадию становления естествознания. Определим этот этап как донаучный. Он подразумевает отсутствие всех привычных для нас признаков науки. Познавательный процесс этого периода предстаёт в виде цикла. Общества этого периода, вырабатывая под воздействием многих обстоятельств тот или иной тип поведения и мышления, выбирают дальнейшее направление развития цивилизации.
Например, биогенное направление развития цивилизации, фактически превращающее познавательный процесс в замкнутый цикл, функционирующий только на основе традиции. Это, естественно, приводило к консервации данных обществ. Даже ещё сегодня существуют эти реликтовые общества, которые практически не менялись на протяжении тысячелетий. Например, аборигены Австралии, индейские племена Амазонии, пигмеи экваториальной Африки.
Другое направление - это техногенное направление развития цивилизации. Оно основано на переходе познавательного процесса из формы циклической в спиральную форму развития. В этом факте заложена возможность возникновения науки, так как традиция перестаёт играть роль одновременно и хранительницы и воспроизводительницы знания. Традиция хранит знание, которое постоянно обновляется на основе инноваций, приобретающих постоянно возрастающий вес в процессе познавательной деятельности.
Хронологически, донаучную стадию развития естествознания можно считать завершённой с возникновением земледелия, орошения, письма, государств и т. д. Эти преобразования, собственно говоря, и происшедшие благодаря традиционно-инновационному характеру развития познавательной деятельности, настолько преобразили содержание донаучного естествознания, что можно говорить о наступлении качественно новой стадии развития. С чем это было связано?
С тем, что в сфере познавательной деятельности возникли и стали развиваться элементы науки. Прежде всего, получаемое знание стало систематизироваться, дифференцироваться, возникли понятия. Наконец, то, без чего невозможна наука, - это счёт. Это этап преднаучного состояния естествознания, когда оно выходить на перепутье: идти дальше и превратиться в научное естествознание, или остаться на донаучном этапе, доводя до прикладного совершенства приобретённое знание.
Возникновение научного естествознания хронологически можно соотнести с Новым временем, XVII веком. В Европе произошло событие, изменившее впоследствии облик всего мира, а именно: возникло научное естествознание. Хотя естествознание начала XVII века и конца ХХ века разительно отличаются друг от друга, но это различие скорее фенотипическое, чем генетическое. Философия и идеология науки, её цели, объект остаются практически неизменными.
1.1.3. Неисчерпаемость предмета естествознания
Хрестоматийная трактовка понятия "объект" такова: объект - часть бытия, противостоящая человеку в его познании или деятельности, обусловливающее эту деятельность обстоятельство, из которого человек вынужден исходить. Человеку противостоит природа, следовательно, она и есть объект.
Объект обладает практически неисчерпаемым содержанием. В свою очередь, предмет - это то, что конкретно определяет содержание природы как объекта, например, совокупность физических закономерностей, химических, или биологических и т. д. Соответственно, естествознание предметно представлено в виде различных дисциплин, исследующих указанные закономерности и, в конечном счете, через научную парадигму, формирующих общее представление о природе как объекте. Понятие "природа" может употребляться в нескольких смыслах. Например, можно говорить о "природе" человека, рассматривая его в качестве объекта естествознания. В этом случае такие дисциплины, как физиология, анатомия, психология и другие в качестве предметов выделят для изучения в этом объекте интересующие их закономерности.
Деление природы как единого объекта на множество предметов обусловлено направленностью практической деятельности человека, которая, в свою очередь, вытекает из естественных условий его существования. Человек является частью эволюционного процесса природы, он наделён способностью осознавать этот процесс и поэтому ему в принципе доступно практическое освоение и преобразование природы. Адаптивной способностью обладают все виды, но только человек совершает освоение и на теоретическом, и на практическом уровнях, что меняет ситуацию.
Вне зависимости от того, что на самом деле представляет собой природа, для её освоения и преобразования оказывается достаточным дробление её на части и последовательное изучение отдельных фрагментов. Эта ситуация и выражается фразой об объектном и предметном рассмотрении природы. На практике же это означает, что, в зависимости от степени "онаученности" естествознания, в природе выделяется в качестве предмета определённая совокупность устойчивых связей, которая ведет, в конечном счете, к формированию дисциплины, предстающей как совокупность теоретических установок и практических методологий, направленных на освоение выделенного предмета.
Разделение природы на части или объекта на предметы является неизбежностью, прежде всего, научного подхода к естествознанию. Предметирование природы позволяет сконцентрировать всю мощь исследовательских усилий на одном предмете и достичь тем самым наибольшего эффекта в его изучении. Причём мы можем наблюдать прямо пропорциональную зависимость между степенью онаученности естествознания, углублением предметной дифференциации и степенью эффективности исследовательских методологий. Эта тенденция чётко прослеживается в истории развития естествознания: по мере развития науки выделяется большее количество предметов, а возрастающая эффективность исследовательских методологий становится одновременно причиной и следствием этих процессов. Прогрессирующая дифференциация распространяется не только на природу как на объект, но и на сами предметы, которые в свою очередь начинают рассматриваться как объекты, подлежащие дальнейшей дифференциации. Это приводит к прогрессирующему росту дисциплин уже в пределах одного предмета. Этот вал дифференциации невозможно остановить, как невозможно остановить человеческое стремление к знанию. Научное естествознание не может, да и не стремится представить природу как целое.
1.1.4. Специфика донаучного и преднаучного
естествознания
Мировоззрение людей определялось мифологией на донаучном этапе развития естествознания и религией - на преднаучном. Существующее знание не было научным. Но оно было целостным. Его целостность была основана на том, что оно представляло собой более или менее систематичную совокупность сведений о природе и о человеке. Удивительно, что этого условия оказалось достаточно, чтобы породить культуру, которая и сегодня не оставляет нас равнодушными. Что же способствовало возникновению такой специфической черты как единство знания на донаучном и преднаучном этапах развития естествознания?
Прежде всего, - его неразвитость. Вследствие этого не возникала потребность в дифференциации знания. Правда, Аристотель дифференцировал и классифицировал доступное ему знание, но оно всё равно умещалось в пределах натурфилософии. Главным факторами единства знания, были мировоззренческая целостность и прозрачность в понимании мира, которые обеспечивали мифология и религия. Они, представляя весь мир как единый дом - "ойкумену", способствовали тому, что решение любой проблемы, могло исходить только из принципа целостности.
Целостность и единство знания являются его очевидным мировоззренческим преимуществом. Понятия единства и целостности не могут быть сведены только к кумулятивному эффекту (эффекту накопления) знания. Единство и целостность порождают системность и структурность и наоборот. Это характерно для мифологического этапа развития естествознания: знание природы есть, но науки нет, поэтому опытное знание настолько, насколько оно вообще возможно, произвольным образом размещается в рамках уже существующих дедуктивных схем, а всё лишнее убирается. Отсутствие науки делает возможным произвол в области опытного знания.
Разумеется, с позиций научного естествознания такой подход совершенно недопустим. Но для своего времени такая система знаний достаточно эффективно объясняла окружающий мир. Естествознание этого периода в полном объёме соотносилось с миром, в котором человек действовал не наобум, а в соответствии с целостным образом этого мира, представленным в этом знании. Конечно, сегодня мы не можем согласиться с таким упрощённым образом мира, но за более глубокое его понимание приходится платить отсутствием единого и целостного представления о нём.
Кроме теоретического потенциала представление о целостности знания несёт в себе мощный эвристический заряд, поскольку определяет место человека в структуре знаний и картине мира. В этом смысле показательно сравнение систем знаний относящихся к донаучному и преднаучному этапу развития естествознания. Это мифологическая и религиозная системы знаний соответственно. Первая система знаний "вписывает" человека в картину мира определяет его как элемент этого мира, участвующего в круговороте событий. Такая интерпретация мира и человека отвергает антропоцентрическую модель отношений.
Религиозная (христианская) система знания напротив, создавая целостную картину мира, располагает человека в его центре и создает, в конечном счете, антропоцентрическую модель мира.
Знание на донаучном и преднаучном этапах в основе своей является дедуктивным, то есть выведенным с помощью каких-то рациональных приёмов из каких-то, не подвергающихся сомнению мифологических и религиозных истин.
Таким образом, единство и целостность этого знания объясняются спецификой мировоззрения этих эпох, в основе которых лежат натуралистические, космоцентрические и религиозные представления и собственной неразвитостью знания.
1.1.5. Специфика научного естествознания
В Новое время начался процесс, сделавший естествознание научным. Этот процесс основывался на количественном и качественном росте знания и постепенном отказе от теистического мировоззрения. Первая тенденция привела к дифференциации знания, дисциплинарному делению науки. Вторая тенденция привела к замещению бога человеком.
Теоцентрический мир стал превращаться в антропоцентрический мир. Антропоцентризм не столь догматичен, как теоцентризм. То есть в нём отсутствует необходимость приводить в жёсткое соответствие результаты исследований и идеологические нормы и, значит, выдерживать регламент единого знания о мире и о человеке. Мировоззренческая цельность мира до этого и соответствующая ему цельность знаний о мире и человеке были основаны на авторитете сверхъестественного существа, стоящего над миром. Когда это существо было низвергнуто, надобность в исполнении установленных им норм отпала. Это внешняя причина распада единого знания.
Но определяющей внутренней причиной этого процесса стал естественный прирост опытного знания, от которого "трещали по швам" все существующие идеологические каноны. Постепенно стало нормой считать, что истину нельзя вывести умозрительно, полагаясь только на некие утверждения, которые сами должны быть обоснованы.
Идеологические нормативы научного естествознания стали формироваться исходя из человеческих, а не божественных интересов. Критерием эффективности исследований становится достижение не недоступной человеку абсолютной истины, а истины относительной, которой человек способен достичь. Понятно, что такого рода истин может быть столько же, сколько существует предметов исследования.
Таким образом, целостный образ мира рассыпается, но антропоцентрическая модель отношений с природой не только не исчезает, но становится антропоцентризмом - системой знания без целостного образа мира, в которой значимость любой структуры определяется степенью её значимости по отношению к человеку. Прогрессирующая дифференциация, рост и усложнение знания не позволяют создать общезначимую систему знания и выработать целостный образ мира. Вместо единого знания и целостного представления о мире возникает антропоцентризм. В нём единство структур знания заменяется их разобщённостью, общезначимость системы знания замещается общезначимостью человеческих потребностей, адекватность отношений с природой, асимметрией этих отношений.
1.2. Генезис научного естествознания
Перспективы античной преднауки. ( Отличительные черты преднаучного состояния естествознания. ( Специфика социокультурного развития Древней Греции. ( Замещение реальных объектов идеальными. ( Операции преобразования и моделирование изменений. ( Идеализация на основе сложившихся систем знания.

Донаучный и преднаучный этапы развития естествознания - это период, в течение которого формировались предпосылки научного естествознания. Оно не только результат революционного переворота в сознании, совершённого гениями Возрождения и Нового времени. Уже на донаучном, а тем более на преднаучном этапах развития естествознания присутствуют ростки будущих революционных преобразований мысли, получивших своё развитие в XVII веке. В то же время нельзя умалять уникальность такого события, как возникновение науки. Если естествознание феномен, в различных формах присутствующий во всех человеческих культурах, то наука уникальное европейское явление, зародившееся в античной Греции. Будучи привито к древу естествознания ещё до нашей эры эллинами, в наше время оно принесло плоды, питающие всю человеческую расу.
1.2.1. Перспективы античной преднауки
Состояние науки на преднаучном этапе развития естествознания назовём "преднаукой". Каковы отличительные черты преднауки? От науки её отличают:
1. Жёсткая идеологическая зависимость.
2. Недостаточная инновационность исследований.
3. Неприемлемые для науки цели и способы их достижения, например, в алхимии и астрологии.
4. Пренебрежение опытными доказательствами выдвигаемых положений.
5. Отсутствие чётко разработанных и общепринятых процедур познания.
6. Методологическая неразработанность познавательной активности.
Исходя из исторического контекста следует говорить о восточной преднауке, не ставшей наукой и об античной преднауке, совершившей переход к научному состоянию.
Возможная перспектива преднауки заключается в том, чтобы перерасти в науку. Для этого необходимы какие-то социокультурные предпосылки. Они сложились в Древней Греции. Произошло это совсем не случайно. В том, что современная наука имеет европейское лицо и говорит с "древнегреческим акцентом" можно выявить определённую закономерность, связанную с историческими особенностями развития Древней Эллады.
Как известно, Древняя Греция состояла из городов-государств добровольно устанавливавших между собой те или иные отношения. Несмотря на то, что системы правления в этих государствах были разными: от демократии до тирании, социальная структура всегда включала в себя свободных граждан, которые прямо участвовали в управлении и в общественной жизни.
Другой важный для рассматриваемого нами вопроса момент заключался в многообразии. Мы имеем дело с единой культурой, в которой отсутствует принцип единоначалия в отличие, например, от восточных деспотий. В основе этого феномена, конечно же, лежит естественно сложившаяся система полисов. Это так сказать материальная основа существовавшего многообразия. Конечно, города-государства, основанные как самостоятельные во всех отношениях, в принципе не могли подчиняться какому-то экономическому, политическому или идеологическому диктату извне. Способствовала ли такая атмосфера генезису науки? Наверное, следует ответить утвердительно. Многообразие всегда включает механизм самоорганизации, который и в природе, и в обществе находит оптимальные способы собственного проявления.
Интеллектуальной и этической проблемой для древних греков стало объяснение окружающего мира, которое не находило удовлетворения в мифологическом способе. Именно поэтому преднаучное знание изначально приобрело натурфилософский характер. Итак, многообразие предполагает возникновение условий генезиса науки или, иначе, перехода преднауки в науку. В числе прочих социокультурных предпосылок, способствовавших генезису науки, мы выделяем наиболее важные: первая - феномен многообразия, распространившийся на всю культуру Эллады и вторая - присутствие свободных людей, способных воспользоваться плодами многообразия.
1.2.2. Замещение реальных объектов идеальными
Одним из наиболее существенных процессов преднауки является замещение вещей, их свойств и отношений идеальными объектами. Для нас кажется само собой разумеющимся и извечно существующим порядок, дающий возможность оперировать тончайшими нюансами свойств и отношений предметов. Нас не удивляет, что с помощью нескольких фраз, некой последовательности символов, знанием какого-то количества правил, мы получаем знание, которое и не снилось, скажем, великим мыслителям древности. И за всем этим стоят века, и даже тысячелетия тщательной разработки специальных языков науки. В то же время в основе этого процесса лежит элементарное отделение вещи от слова, идеализация действительности.
Появление языка - это первый и практически всеопределяющий шаг в этой идеализации. Каждое слово есть фактический результат огромного количества обобщений. Однако языки донаучного, преднаучного и научного естествознания отличаются кардинальным образом. Современные исследователи ещё сохранившихся в нашем мире первобытных коллективов констатируют "словопредметность", то есть предельную слитность слова и предмета, который им обозначается. Слов, имеющих абстрактный смысл, предельно мало и они сосредоточены в языке магии. В то же время существующий словарь чрезвычайно богат по отношению ко всему многообразию действительности. То есть на донаучном этапе развития естествознания только начинается процесс замещения предметов, их свойств и отношений идеальными объектами. Под идеальными объектами следует понимать символы, знаки, понятия, обозначающие реально существующие предметы.
На преднаучном этапе развития естествознания этот процесс набирает обороты. Стремительно расширяется словарный запас, приобретающий теперь специализированную языковую форму. Его расширение происходит не столько благодаря освоению новых предметов природы, сколько благодаря идеализации, то есть, замещению предметов, их свойств и отношений идеальными объектами в одних случаях, и отделением от словопредметов слов и переводом их в операциональное состояние в других случаях. Процесс идеализации идёт от общего к частному. Сначала слово отделяется от предмета, затем выделяются свойства предмета и соединяются в слове, в виде совокупности значений, затем выделяются отношения как структура предметов. Если при разделении словопредмета отделяется слово, то при выявлении свойств выделяются значения слов и при выделении отношений происходит выделение понятий. Они и являются основой специальных языков науки.
Если для донаучного периода развития естествознания характерен процесс разделения словопредметов, то для преднаучного этапа характерен также процесс выделения значений, связанных с определением структуры свойств предмета. На преднаучном этапе процесс идеализации, прежде всего, связан с повседневной практикой. Элементы и принципы научного знания возникают в преднауке, не столько как результат целенаправленных усилий учёных, сколько как побочный эффект при выполнении ими хозяйственных, магических и религиозных функций. Например, развитие астрономии в Древнем Египте было связано с необходимостью предвидеть климатические события, важные для существования сельского хозяйства. Развитие геометрии - с необходимостью строительства пирамид. Создание таблиц сложения и вычитания - с необходимостью учёта в огромных хозяйствах и т. д.
1.2.3. Операции преобразования и моделирование
изменений
Преднаука - это состояние, при котором происходит активный процесс исходной идеализации. Процесс отделения слов от предметов и выделение свойств и значений, отношений и понятий сам по себе не может привести к переходу от преднауки к науке. Необходимо чтобы полученные идеальные объекты составили бы некую операциональную среду, в которой начали бы происходить определённые операции преобразования слов и значений. Возникновение и функционирование такой операциональной среды связано, прежде всего, с выявлением отношений слов и значений в виде понятий. Появляется новая группа слов, которая уже не относится напрямую к предметам, Для возникающих понятий "предметами" становятся сами слова и их значения. На уровне понятий процесс идеализации продолжается, но идеализируются не действительные предметы и реальные свойства, а их двойники в виде идеальных объектов. Процесс образования понятий есть процесс замещения идеальных исходных объектов вторичными идеальными объектами.
Конкретным следствием операций преобразования является понятийное моделирование действительности. С одной стороны, модель - это копия, воспроизводящая фрагмент действительности. Но модель, понимаемая только как копия - это макет. Макет в лучшем случае - это внешнее отражение того, что есть. Но модель не просто отражает - она претендует быть инструментом предсказания возможных событий. То есть, моделируя нечто, мы предполагаем, что учитываем в ней основные свойства того, что моделируем в их динамическом развитии. В этом смысле любое понятие - это модель, которая обеспечивает предвидение. Когда я применяю понятие "давление", то этим я одновременно моделирую все возможные ситуации, где будут однозначно соотноситься вес и площадь. То есть главное в моделях это возможность предвидения. Предвидеть - значит жить в управляемом и понятном мире.
Генезис научного естествознания связан с нарастающим процессом идеализации. Но идеализация, способствующая переходу от преднауки к науке, отличается от идеализации способствовавшей переходу от донауки к преднауке тем, что совершается на основе сложившихся систем знания. То есть идеализация продолжается с опорой на идеализированное. Последнее на этом этапе носит системный характер и всегда порождает определённые отношения, которые на языковом уровне выражаются сеткой понятий. Эта сетка является важнейшим элементом вторичной идеализации. Используя уже существующую систему понятий, исследователь "улавливает" с их помощью новые идеальные объекты и новое знание.
Если, например, схему получение нового знания в математике, можно выразить следующим образом: идеальные объекты + сетка понятий, то схема получения нового знания в естествознании будет, скорее, выглядеть следующим образом: гипотеза +опыт (научный эксперимент). Идеализация на основе сложившихся систем знания ведёт к возникновению нового знания в той мере, в какой оно способствует удовлетворению потребностей повседневной практики. Гипотеза и научный эксперимент являются орудиями, использующими исходную идеализацию на основе сложившихся систем знания для получения нового знания.
1.3. Структура естественнонаучного познания
Роль творчества в процессе познания. ( Специфика научного познания. ( Общие правила познания. ( Принципы научного познания. ( Относительность научного знания. ( Общие методы естественнонаучного познания. ( Наблюдения и эксперименты. ( Факты - эмпирический базис естествознания. ( Факты - законы - концепции - гипотезы - теория: ( Проблема объяснения. ( Качество теории. ( Роль математики в познании и описании физического мира. Непостижимая эффективность математики.

Познание может быть не только научным. Научная методология познания представляет пусть весьма эффективный, но только один из способов освоения мира. Хотя применение научного метода является основой современного отношения к миру его нельзя признать универсальным, хотя бы уже в силу историчности самой науки. Научное естествознание может быть последний, но, тем не менее, - только этап в истории развития самого естествознания. Соответственно, главное, внесённое наукой в естествознание, связано с понятием методологии. Её внедрение привело к радикальной перестройке естественного языка и способствовало возникновению систем понятий, эффективно описывающих действительность.
1.3.1. Принципы научного познания
В своей основе познание - это сложный творческий процесс. Познание многолико. В некоторых процессах познания преобладают инновационные аспекты и, следовательно, в них творчество играет основную роль, а в некоторых - преобладают традиционные или консервативные аспекты и тогда инновационность отходит на второй план. Первый тип познания характерен для науки, а второй - для образования. Итак, естественнонаучное познание неразрывно связано с творчеством. Творчество по определению предполагает "сотворение" нового знания. Поэтому важно понять, как оно творится.
Творчество не подчиняется каким-либо правилам, его нельзя рационализировать. История открытий показывает, насколько велик в них момент случайности, интуиции, вдохновения, прозрения. Их невозможно вместить в рамки каких-то правил и норм. Особенно велико значение творчества в искусстве. Художник, композитор, писатель используют лишь предельно общие рациональные правила неявным образом. Они достигают результатов, если талантливы. Талант объединяет в себе все трудноуловимые элементы творчества, без которых нет ни таланта, ни самого творчества.
Но естественнонаучное познание отличается от художественного аналога. Разумеется, и в нём без таланта и творчества немногого можно достичь. Но, тем не менее, хотя бы немногого достичь можно. В то же время это утверждение неприменимо к искусству. В чём же дело? Оно в том, что процессы познания в естествознании рационализируются в гораздо большей степени, чем в искусстве. В естествознании можно выделить систему общих правил. Они являются общей основой научного мышления. Дифференциация и спецификация норм естественнонаучного познания становится возможной благодаря наличию общей рациональной основы познания.
Это значит, что можно выделить нормы рационального научного познания общие для всей науки и нормы рационального научного познания для каждой дисциплины. В первом случае мы имеем дело с принципами научного познания, а во втором - с методологией и методикой познания отдельных дисциплин.
В качестве примера общих правил познания приведём метод Декарта:
1. Ничего не принимать за истинное, что не представляется ясным и отчётливым.
2. Трудные вопросы делить на столько частей, сколько нужно для разрешения; начинать исследование с самых простых и удобных для познания вещей и восходить постепенно к познанию трудных и сложных.
3. Останавливаться на всех подробностях, на всё обращать внимание, чтобы быть уверенным, что ничего не упущено.
Очевидно, что эти правила познания могут быть применены в любой сфере. Однако в областях не связанных с применением строгих рациональных норм мышления эти правила не рефлексируются и исполняются неявно, интуитивно, поскольку, по сути, они являются обобщением повседневного опыта и здравого смысла.
В качестве примера принципов научного познания приведём следующие:
* Причинность: выражает один из моментов всеобщего взаимодействия - генетическую связь явлений. Суть причинности в порождении причиной следствия.
* Критерий истины: если под истиной понимается соответствие человеческих знаний действительности, совпадение человеческой мысли и объекта, то под критерием естественнонаучной истины понимается практическая её проверка наблюдениями, опытом, экспериментами.
* Относительность научного знания: научное знание (понятия, идеи, концепции, модели, теории...) относительно и ограничено. Главное - установить границы соответствия знания действительности: установить интервал адекватности2.
1.3.2. Общие методы познания
Если продолжить процесс конкретизации познавательных форм, то от принципов следует перейти к общим методам естественнонаучного познания. Это именно общие методы, то есть они пригодны и желательны для применения в естественнонаучных дисциплинах.
Индуктивный метод. Разработка индуктивного метода традиционно связывается с именем английского мыслителя Фрэнсиса Бэкона. Считается, что он и Галилео Галилей сделали революционный гносеологический вклад в виде развитого ими эмпирического метода. Но, если быть точным, то эмпирический или индуктивный метод не являлся, конечно, только их изобретением. Основы его были заложены Аристотелем и его комментаторами; в XII и XIII вв. мастера логики подняли его на неизмеримо более высокий уровень, а период католической контрреформации совпал с триумфом метода, предложившего рациональное знание в обстановке расцвета скептицизма, астрологии и магии эпохи Возрождения3.
Итак, Ф. Бэкон, если выразить это в предельно общей форме, следующим образом сформулировал суть индуктивного метода:
1. Производить наблюдения и регистрировать факты.
2. Проводить возможно большее количество экспериментов и сводить результаты в таблицы.
3. Извлекать правила и законы методом индукции.
Современную интерпретацию индуктивного метода можно представить следующим образом:
1. Производить наблюдения и эксперименты для извлечения из них правил и законов
2. Формулировать гипотезы.
3. Выводить следствия из гипотезы и уже известных законов.
4. Производить эксперименты для проверки этих следствий.
Дедуктивный метод. Другой общий метод естественнонаучного познания называется дедуктивным. Суть его заключается в следующем: мы исходим из каких-то общих правил или представлений, а затем путём логических рассуждений выводим из них частные следствия или предсказания. Если эксперимент подтверждает предсказания, то мы продолжаем развивать свою схему. Если же результаты эксперимента расходятся с нашими выводами, мы подвергаем сомнению первоначальные предположения и пытаемся видоизменить их. Например, мы могли бы предположить, что затмения Луны вызываются тем, что Земля оказывается на пути солнечных лучей и отбрасывает тень на Луну; затем мы делаем предположение о характере движения Солнца и Луны и затем путём дедукции приходим к выводу, что затмение снова должно произойти через промежуток времени достаточный для того, чтобы Солнце и Луна вернулись в то же самое положение. Так комбинируя простые наблюдения и разумные предположения, мы могли бы сделать дедуктивный вывод о восемнадцатилетнем цикле повторения затмений. Хороший пример использования дедуктивного метода в науке даёт исследовательская деятельность И. Ньютона. Он начинал исследование с того, что обращался к какой-то идее, но сразу же отбрасывал её, если её положения приходили в противоречие с наблюдаемыми фактами4.
Не следует отдавать предпочтения какому-то одному методу. Каждый вид поиска по своему полезен и лучшим исследователем является тот, кто сочетает оба метода, руководствуясь своей идеей для проверки гипотез и одновременно будучи готов к появлению новых фактов. Выдающийся американский физик П. Бриджмен так выразил общую для многих исследователей точку зрения по вопросу использования правил исследования: "Я бы сказал, что не существует научного метода как такового, и самая существенная особенность методики научной работы состоит просто в том, что учёный должен действовать во всю силу своего ума, не гнушаясь ничем, за что можно было бы ухватиться"5.
1.3.3. Основные формы естествознания6
В чём смысл существования всех этих принципов, правил, методов научного естествознания? Ответ очевиден: для получения знания. Но в естествознании существующее знание имеет смысл только в том случае, если оно воспроизводит не только самое себя, но и все возможные следствия собственного существования. Такой способ существования естественнонаучного знания реализуется в теории. Её общее определение выглядит так: это мысленные схемы с допущениями, которые подбираются так, чтобы получалось согласие с экспериментальными данными; они содержат умозрительные идеи и общий подход к решению различных проблем. Теория - это конечный результат процесса познания, естественно, познание начинается не с формулирования её конечных положений. Познание начинается с фактов.
Факты - эмпирический базис естествознания. Независимо от наших философских представлений о том, что представляет собой действительность, в естественнонаучном познании мы всё же исходим из "чувственных восприятий" или из "отсчётов на шкале приборов", как из реальных фактов. Мы верим таким фактам, потому что они согласуются между собой, несмотря на то, что их получают независимо друг от друга различные наблюдатели.
Например, в физике факты представляют собой определённые измерения, результаты эксперимента: ускорение свободно падающего тела равно 9.81 м/сек.?; атом имеет размеры равные нескольким ангстремам и т. д. Понятно, что для достижения полной ясности каждый из этих фактов нуждается в некоторых комментариях: определение терминов, степень точности, пределы применимости. По мере накопления фактов мы всё дальше и дальше уходим от непосредственных ощущений и наши факты всё в большей степени начинают зависеть от выбора теории, в рамках которой они рассматриваются. Факты, чтобы быть надёжными, должны быть независимы от того, когда в каких лабораториях и какими наблюдателями они получены. "Можете ли вы повторить ваши результаты?" один из главных вопросов, задаваемых исследователю.
Законы. Мы пытаемся собрать факты в отдельные группы и определить общие свойства, характеризующие их. Например, все металлы хорошо проводят электрический ток; натяжение пружины меняется при изменении веса растягивающего её груза. В итоге проводимых обобщений фактов, мы получаем определённые соотношения, которые называем правилами, принципами или законом. Закон - это конструирование явлений природы, а не приказ, который она получает. Когда мы пытаемся установить некий закон, мы обычно сосредотачиваем внимание на особенностях рассматриваемых явлений. Почти все законы можно выразить с помощью слова "постоянный" как их существенной характеристики. Мы стараемся найти законы, потому что стремимся привести в систему закономерности в поведении природы.
Концепции. В обычном смысле слова концепция - это идея или же общее понятие. В научных дискуссиях ей придаются различные значения. В естествознании концепции обобщают универсальные свойства и отношения. Это научные идеи общего характера, вокруг которых концентрируется научная мысль, например:
1. Теплота как форма молекулярного движения;
2. Теплота как форма энергии;
3. Законы движения Ньютона;
4. Сохранение энергии;
5. Сохранение количества движения.
Математические концепции - полезные понятия, характеризующие предельно общие соотношения, например: понятие о прямой пропорциональности (растяжение - груз); понятие о пределе (давление в данной точке) и т. д.
Научные концепции - полезные понятия, получаемые из эксперимента, например:
1. Векторы складываются;
2. Теплота - причина повышения температуры тел;
3. Молекула как основная частица.
Большинство научных концепций рождается из эксперимента или до некоторой степени связано с экспериментом. Другие области научного мышления - чисто умозрительные. Однако в естествознании они полезны и необходимы в получении нового знания. Гипотезы - это отдельные предположения или догадки, к которым прибегают при построении теории или при постановке эксперимента, имеющего целью непосредственную проверку какой-либо теории в том случае, когда это представляется возможным.
Таково восхождение естественнонаучного познания от фактов до теории. Однако путь, пройденный познанием от факта до теории, сам по себе не может быть гарантией качества теории. Сформулированная теория развивается и доказывает своё право на существование. Далеко не все теории выдерживают испытание временем. Лишь по мере того как теория постепенно превращается в некую общую форму знания, которая может удовлетворительно объяснить многие наблюдаемые явления, мы начинаем всё больше и больше ей доверять. Так возникают теории, которые называются "хорошими". Они определяются последовательностью своих положений, простотой оснований, малочисленностью принятых аксиом, полезностью, способностью предсказывать, наконец, той глубиной чувства уверенности, которую она даёт7.
1.3.4. Непостижимая эффективность математики8
Роль математики в "упорядочении" окружающего мира и овладении природой начиная, с 30 годов XIX века, возрастала невероятно быстрыми темпами. Кроме того, со времён Ньютона существенно увеличилась также точность, с которой математики могли описывать и предсказывать явления природы. Сегодня мы имеем прекрасно согласующуюся с повседневным опытом евклидову геометрию, необычайно точную гелиоцентрическую теорию Коперника и Кеплера, всеохватывающую механику Галилея, Ньютона, Лагранжа и Лапласа, физически необъяснимую, но имеющую широкую сферу приложений теорию электромагнетизма Максвелла, теорию относительности Эйнштейна с её тонкими и глубокими выводами, многое понимаем в строении атома. Всё это опирается на математические идеи и математические рассуждения.
В то же время нельзя не признать, что полного соответствия между математикой и физической реальностью не существует. Однако немалые успехи математики в описании физически реальных явлений - будь то электромагнитные волны, эффекты, предсказанные теорией относительности и сотни других достижений, - требуют какого-то объяснения. "Почему математика работает?".Этим вопросом задавался в своё время А. Эйнштейн: "В этой связи возникает вопрос, который волновал исследователей всех времён. Почему возможно такое превосходное соответствие математики с реальными предметами, если сама она является произведением только человеческой мысли, не связанной ни с каким опытом? Может ли человеческий разум без всякого опыта, путём только одного размышления понять свойства реальных вещей? (Эйнштейн А. Собрание научных трудов. Т. 2. Работы по теории относительности 1921-1925 гг. - М., 1966. - с. 83)9.
Ответа на этот вопрос нет по сей день. Мы должны констатировать, что математика была и остаётся превосходным методом исследования открытия и описания физических явлений. Даже если математические структуры сами по себе не отражают реальности физического мира, их тем не менее можно считать важнейшим способом познания реальности. Многие математики с готовностью соглашаются, что их наука находит необычайно широкое применение, но признают свою несостоятельность в объяснении этого феномена. Например, группа выдающихся французских математиков, известная под коллективным псевдонимом Никола Бурбаки, утверждала, что между экспериментальными явлениями и математическими структурами существует близкая взаимосвязь. Однако абсолютно неизвестно, какими причинами эта взаимосвязь обусловлена.
Роль математики в современном естествознании и прежде всего в физике несравненно шире, чем просто удобного инструмента исследования. Под этой ролью часто понимают обобщение и систематизацию (в символах и формулах) явлений, наблюдаемых и устанавливаемых с помощью физического эксперимента. Но такое толкование значения математики является неполным. Математика составляет сущность естественнонаучных теорий, и её приложения в XIX-XX вв. на основе только математических конструкций представляются ещё более удивительными, чем все её прежние успехи, основанные на непосредственных физических явлениях. Сегодня есть основания утверждать, что, например, новая физика - наука не столько механическая, сколько математическая.
Поскольку математика - творение человека и с её помощью мы открываем совершенно новые физические явления, люди "создают" части окружающего их мира: тяготение, электромагнитные волны, кванты энергии и т. д. Наше знание зависит от разума ничуть не меньше, чем от реальностей окружающего мира. Граница между математическим и эмпирическим знанием не абсолютна. Цель усилий, предпринимаемых как в развитии теории, так и в совершенствовании эксперимента - всестороннее и непротиворечивое описание физического мира. Математика служит своего рода посредником между человеком и природой, между внутренним миром человека и окружающим его внешним миром.
Математика - поскольку она говорит нам о составляющих физического мира и поскольку наше знание этого мира может быть выражено только в математических понятиях - столь же реальна, как столы и стулья. Вполне возможно, что человек, введя некоторые ограниченные и даже искусственные понятия, только таким способом сумел "навести порядок" в природе. Созданная нами математика может оказаться не более чем приблизительной рабочей схемой. Не исключено, что природа в действительности устроена гораздо сложнее и в основе её нет никакого "плана". Но и тогда математика как метод исследования, описания и познания природы не знает себе равных. В некоторых областях ею исчерпывается всё, что мы знаем.
Как это ни парадоксально, но именно столь далёкие от реальности математические абстракции дали возможность человеку достичь многого. Математическое описание, наверное, всегда будет порождать удивление, основанное на том, что природа проявляет столь высокую степень соответствия математическим формулам. Заложены ли регулярные зависимости, выражаемые физическими законами, в самой природе и мы лишь открываем их, или их изобретает и применяет к природе разум учёного - остаётся загадкой.

ГЛАВА 2. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
2.1. Ступени развития знания
Взаимодействие естественной магии с естествознанием. ( Связь традиционного знания с ритуалами, обрядами, табу. ( Магия и религия: преемственность и противостояние. ( Религия и естествознание: от противостояния к взаимной терпимости. (. Специфика восточной преднауки. Отсутствие условий для перехода к научному этапу. ( Письменность. Её значение для развития естествознания.

До сих пор, говоря о донаучном и преднаучном этапах развития естествознания, мы не уточняли, в какую форму облекались существующие в них условия и элементы научного знания. Пришло время сказать об этом. Очевидно, что на этих этапах, то знание, которое можно было бы назвать естественным, должно было соответствовать данному мировоззрению и принимать соответствующие исторические формы. Предельно схематизируя это, можно выделить две формы функционирования естественного знания. На донаучном этапе - магия, на преднаучном - религия, точнее, схоластика.
От ранних цивилизаций, возникших на берегах Тигра, Евфрата и Нила (Вавилон, Ассирия, Египет), не осталось никаких свидетельств о достижениях в области физических знаний, за исключением знания овеществленного в архитектурных сооружениях и бытовых изделиях. Возводя различного рода сооружения, изготавливая предметы быта и оружие, люди использовали определенные результаты многочисленных физических наблюдений, технических опытов, их обобщений. Можно сказать, что существовали определенные эмпирические физические знания, но не было системы физических знаний.
Физические представления в Древнем Китае появились на основе различных форм технической деятельности, в процессе которых вырабатывались разнообразные технологические рецепты. Естественно, что, прежде всего, развивались механические знания. Так, китайцы имели представления о силе (то, что заставляет двигаться), противодействии (то, что останавливает движение), рычаге, блоке, сравнении весов (сопоставлении с эталоном). В области оптики китайцы имели представление об образовании обратного изображения в "camera obscura". Уже в VI веке до н. э. они знали явления магнетизма - притяжения железа магнитом, на основе чего был создан компас. В области акустики им были известны законы гармонии, явления резонанса. Но это были еще эмпирические представления, не имевшие теоретического объяснения.
В Древней Индии основу натурфилософских представлений составляло учение о пяти элементах - земле, воде, огне, воздухе и эфире. Существовала также догадка об атомном строении вещества. Были разработаны своеобразные представления о таких свойствах материи, как тяжесть, текучесть, вязкость, упругость, о движении и вызывающих его причинах. К VI в. до н. э. физические представления обнаруживают тенденцию перехода в своеобразные теоретические построения (в оптике, акустике)10.
2.1.1. "Естественная магия"
Чтобы отличать магию, о которой говорится здесь, от её современного "коммерческого" варианта, назовём её "естественной магией". Она является обусловленным, закономерным и позитивным явлением в человеческой истории. На донаучном этапе развития естествознания просто не могло существовать знания, в иной альтернативной форме. Сведения о мире могли быть непротиворечиво соединены, обладать объяснительным и прагматическим статусом только в пределах естественной магии. Как известно, атрибуты магии призваны сверхъестественным образом воздействовать на мир. В основе ритуалов, видимо, лежит ложное причинно-следственное увязывание последовательных или параллельных явлений. Естественная магия могла зародиться только в среде первобытного сознания с его верой в возможность непосредственного магического воздействия на природу, которая исходит из чувства сопричастности с ней.
Естественная магия стремилась натурализовать человека, включить его действия в природные процессы. Именно она породила столь актуальное в современном естествознании представление о взаимодействии всех вещей, некий прообраз современной экологии. Естественная магия явно проявила себя в естествознании средневековья. Её элементы легли в основу алхимии, астрологии, герметизма. Влияние естественной магии особенно бурно проявилось в эпоху Возрождения расцветом магического натурализма. Только эти факты уже показывают, насколько значима историческая роль естественной магии в становлении научного естествознания. Следует отметить, что естественная магия не до конца растворилась в схоластике и научном естествознании. Она существует и сейчас, как способ освоения действительности сохранившимися первобытными обществами.
Можно сказать, что естественная магия явилась ответом человека, его интеллектуальной реакцией на окружающее многообразие событий. Поначалу он, наблюдая и анализируя смерть, галлюцинации, сновидения пришёл к идее души, а затем развил это в учение о духах. Представьте себе, что вы живёте в мире, который, как вы вдруг осознали, состоит из духовных существ, населяющих все предметы и явления. Они везде и они, как и люди в своих взаимоотношениях, способны или мешать, или помогать. Каким образом можно наладить оптимальные взаимоотношения с этим одушевлённым миром?
Очевидно, что теоретизировать по поводу этого мира бессмысленно. Познание может носить только практический характер. Кроме того, оно должно быть стереотипным и традиционным. Алгоритм несколько раз удачно проведенных действий не должен забываться. Практической реализацией этих требований являются обряды, ритуалы, табу. В них закрепляется традиционное практическое знание, необходимое для выживания. Мировоззренческий и познавательный аспекты бытия не говоря уж об экономических и социальных неразрывно соединены в пределах этих сакральных действий. Никакого разделения представлений о том, как устроен мир и знанием об этом устройстве не существует. Это мировоззренческое единство разрушалось по мере дальнейшей эволюции знаний.
2.1.2. Магия и религия
Как мифологическое сознание заменяется религиозным, как донаучный этап развития естествознания сменяется преднаучным, так и естественная магия сменяется религией. Однако в религии, мы говорим, конечно, о монотеизме, мировоззренческий и познавательный аспекты разводятся. На первое место выходит мировоззренческий аспект, основанный на догматах веры. Единство знания и мировоззрения разрушено или, иначе, знание узурпировано верой. Они перестают соотноситься в качестве равных долей. Натурализму естественной магии противопоставлен рационализм религии.
Тем не менее, между верой и знанием в пределах религии изначально существует раскол. Схоластика выступает в качестве познавательного прикладного аспекта религии, подчиняющего, соединяющего и перерабатывающего всё знание, возникающее на преднаучном уровне. Развод веры и знания, равно как и возникновение схоластики создавали предпосылки для развития естествознания. Возникала принципиальная возможность, вывести знание за пределы веры, сделать его научным.
Преемственность религии по отношению к магии заключается в принятии и развитии ритуалов, обрядов и моральных запретов. В то же время из них удаляется всё практическое знание. Эти атрибуты в религии становятся значимыми сами по себе, как внешние формы реализации веры, как способ осуществления связи со сверхъестественным существом. Кроме того, из воспринятых религией сакральных форм магии беспощадно удаляется сама возможность мысли о том, что человек способен через некие практические действия оказать непосредственное действие на природу. Религия вводит посредника - Бога во взаимоотношения человека с окружающим, исключая возможность непосредственного влияния человека на мир. Такой подход вполне понятен. Допустить такую возможность означало бы признать за человеком функции Бога.
Религия испытывает родовую неприязнь по отношению к эмпирическому знанию. Развитие преднаучного естествознания в форме схоластики не случайно. Схоластика предельно рационализирует знание, вычищая из него эмпирические намёки. Появление последних в поздней схоластике свидетельствует о кризисе. Такое увлечение метафизикой объяснимо. Догмы - это не упрямые факты. Достаточно их принять и можно логически вывести что угодно.
Сказанное отнюдь не умаляет значения схоластики в развитии естествознания. Ещё в начале ХХ века Пьером Дюгемом были проведены исследования и на их основании выдвинута идея о непрерывности перехода от схоластического мышления средних веков к науке XVII века. Эта идея получила развитие в истории науки в результате исследований в области восприятия и методологии, характерных для эпохи средневековья, а также традиций преподавания аристотелевской логики в университетах эпохи Возрождения. Например, в XVI веке курсы логики и натуральной философии блестяще читались иезуитами в их знаменитых коллегиях11.
Таким образом, схоластика была тем преднаучным состоянием естествознания, где постепенно формировались основы науки.
2.1.3. Религия и естествознание
Знание научное и знание религиозное несовместимы, так как их познавательные установки совершенно противоположны. Можно привести много примеров, подтверждающих этот тезис. Противоположность проявляется во всём: в процедурах познания, в отношении к исследованию, к его эмпирическим и теоретическим основаниям, в трактовке истины и т. д. Но попробуем выделить наиболее простое и общее различие религии и естествознания. Полагаю, что его можно выразить следующим тезисом: в научном естествознании не существует абсолютной истины. Любая истина только результат, который преодолевается. В религии есть абсолютная истина, которая не может быть ни преодолена, ни отменена, ни при каких условиях - это Бог.
Однако даже такое радикальное противоречие не прерывает глубокой исторической связи естествознания и религии. Примером может служить схоластика, о роли которой в формировании естественнонаучного знания мы говорили выше.
Проблему противостояния науки и религии сегодня вряд ли можно назвать актуальной. Все "великие битвы" между ними остались в истории, и граница определилась. Преимущество на стороне науки. Но оно не абсолютно. Естественнонаучный опыт не в состоянии полностью заменить мировоззрение и вот здесь религия едва ли не на равных начинает конкурировать с естествознанием. Научная картина мира не в состоянии удовлетворить все умы. В ней много пробелов. Она не гарантирует ни душевного спокойствия, ни веры в абсолют. Кроме того, наука - это такая сфера деятельности, которая в силу интеллектуальной сложности не может быть делом многих. Попытка популярно представить научное мировидение также имеет свои пределы, выход за границы которых недопустим.
В то же время, несмотря на все недостатки, научное естествознание практически доказало свое преимущество перед умозрительной религией. Техника красноречивее любых слов характеризует её возможности. Ситуация изменилась. Если в эпоху теоцентризма знание подчинялось диктату догм религии, то теперь религия "подгоняет" свои догмы под фундаментальные научные открытия.
Для многих людей подход, в котором совмещаются авторитет религии, и возможности научного естествознания, является наиболее приемлемой формой мировоззрения. Он позволяет удовлетворить несколько крайне необходимых для любого человека потребностей. Первая из них - это потребность в вере, проистекающая из естественной психологической установки строить свои отношения с окружающим на каком-то прочном основании. Это основание даёт религия. Вторая - это потребность в понимании. Человек не может существовать в непонятном необжитом мире. Наука через технологии превращает труднодоступную для понимания ткань мироздания в элементарную фактуру быта. В итоге формируется современный вариант мировоззрения, который удовлетворяет потребность в вере и потребность в понимании.
В этом процессе чувствуется определённая закономерность и, очевидно, к данному синтезу следует относиться спокойно, поскольку современное соотношение позиций науки и религии таково, что никакой речи о совершенно неприемлемом для науки идеологическом диктате быть не может. В то же время, вероятно, религия как-то по-своему способна заполнить духовные пустоты, которые неизбежно образуются в миропонимании при научном освоении действительности.
2.1.4. Специфика восточной преднауки
В своё время восточная преднаука не смогла преодолеть рубеж, отделяющий её от науки. Не смогла она этого сделать во многом из-за отсутствия относящихся к преднауке предпосылок психологического, экономического, социального, культурного характера. Ретроспективный взгляд на историю даёт возможность определить, почему соответствующие предпосылки не возникли на Востоке.
Древние восточные царства представляли собой централизованные государства, в которых религиозная и светская власть были сосредоточены, иногда формально, в руках царя, фараона и т. д. Экономика чаще всего представляла собой орошаемое земледелие и скотоводство. По сути дела, экономика этих государств была одним большим хозяйством номинально принадлежащим одному человеку. Контроль и учёт в нём требовал содержания огромной армии чиновников. Подчинение этой огромной массы людей единоначалию требовало как содержание мощного репрессивного аппарата, так и многочисленных жрецов, обеспечивающих идеологическую монолитность общества.
Какие элементы науки могли развиться в данных условиях? Очевидно, только те, которые не могли повлиять на устойчивость существующих мировоззренческих, социальных и экономических отношений. То есть изначально развитие естествознания ставилось под полный контроль государства. Этот тотальный контроль был крайне необходим, так как власть, основанная в виде пирамиды, устойчива, когда она монолитна. В таких условиях могли развиваться только те научные элементы в астрономии, геометрии, арифметике, которые можно было вписать в нормы существующих мировоззренческих и социокультурных отношений. Можно констатировать, что в таких обществах отсутствовали такие важные для выхода за пределы преднауки социокультурные импульсы, как разнообразие и свобода.
Разумеется, это ни коей мере не говорит об ущербности восточного стиля мышления, но указывает на то, какую роль в формировании облика данной культуры играет комплекс условий, который начинается с совокупности условий ландшафта и климата и заканчивается условиями социокультурного характера. Их воздействие оказывается достаточным, чтобы определить характер взаимоотношений человека с окружающим миром на уровне естественнопознавательного отношения. Оказалось, что комплекс условий развития знания, сформировавшийся на Востоке, сыграл весьма негативную роль в формировании структур научного естествознания. Социокультурные факторы выступили в роли цензора, определившего будущее восточной преднауки. Несмотря на долгую историю развития познания и накопленные знания, восточная преднаука так и не смогла преодолеть барьер практицизма, уничтожившего в конечном счёте потенциал поступательного движения вперёд.
2.1.5. Письменность
Трудно переоценить значение изобретения письменности для развития культуры в целом и естествознания в частности. Это означало, что создан механизм накопления и сохранения информации, без которого говорить о развитии естествознания бессмысленно. Только с возникновением письменности появилась возможность продолжить процесс идеализации, начатый естественным языком, вплоть до создания специальных языков науки.
Под письменностью понимается совокупность письменных средств общения, включающих графику, алфавит и орфографию какого-либо языка, или группы языков, объединённых одним алфавитом, например, английская, арабская, русская. Письмо представляет знаковую систему фиксации речи, позволяющей с помощью графических элементов передавать речевую информацию на расстоянии и закреплять её во времени.
Существует четыре основных типа письма - идеографический, словесно-слоговый, силлабический и алфавитный. Родоначальником всех современных видов алфавитного письма является древнесемитское (финикийское) письмо, существовавшее во 2 половине 2 тысячелетия до н. э. Его происхождение точно не установлено. Предположительно, оно возникло из финикийского (прото-библского) силлабического письма.
Письменность раннеисторического периода состояла из конкретных изображений. В результате убыстрения письма эти изображения упрощались и постепенно превратились в абстрактные знаки, соответствующие отдельным словам, затем слогам и, наконец, отдельным звукам. Были алфавиты только из согласных и гласных. Текст был поделён на слова и предложения, появились цифры. Возникли надписи, высеченные на памятниках, книжный шрифт, бытовые и рукописные шрифты. Все они были только прописными. Писали сверху вниз, справа налево, зигзагом, а также слева направо.
Клинопись, предположительно возникшая у шумеров, служила вавилонянам. Персы, ассирийцы и хетты переняли этот шрифт, сохранив, однако, свой язык. До нас дошли надписи на камне, вырезанные из камня печати, оттиски крупных печатей на строительных кирпичах и множество глиняных дощечек с клинописными текстами.
Иероглифы, ранний изобразительный шрифт египтян, включал до 500 знаков, соответствовавших слогам и отдельным звукам. Иероглифы вырезали на камне, изображали на стенах и различных предметах или на папирусе. Так как иероглифы писали тростниковыми палочками или трубчатыми перьями и чернилами, они постепенно превратились в курсив (куррере - бежать). Строки писались сверху вниз, справа налево и наоборот.
Иератический шрифт образовался на основе иероглифов. В результате быстрого написания изображения были очень упрощены и изменены.
Демотический шрифт - последующая ступень обобщения. Первоначальные иероглифы - знаки совершенно видоизменились. Ныне мы можем расшифровать и прочитать почти все виды египетского письма.
Финикийский шрифт состоит из 22 знаков, соответствующих согласным звукам. Гласные звуки произносились, но не писались. Направление письма справа налево. Возникновение этого вида письма не выяснено. Знаки финикийского письма целиком были переняты греками.
Греческий алфавит, как и финикийский, состоит из заглавных букв. Знаки, обозначавшие финикийские согласные, чуждые греческой фонетике, греки использовали для обозначения гласных звуков. В 5 веке до н. э. возник ионический шрифт - самая совершенная система знаков с геометрическими элементами. Германское руническое письмо на развитие буквенного алфавита влияния не оказало.
Латинский алфавит основан на греческом с добавлением знаков для отсутствовавших в греческом языке звуков. Законченность формы знаков демонстрирует высеченная на камне надпись прямым капитальным шрифтом - прописными знаками антиквы, а так же оттиски с печатей - гротесковая форма знаков (без засечек). Знаки были только прописные. Еще не было междусловных пробелов, писали слева направо. С этого времени латинский шрифт распространяется по всему миру. Дальнейшее развитие антиквы - изменение ее формы в духе времени.
Шрифт Рустика ("крестьянский") писался пером в наклонном положении. Буквы писались быстрее, теснее, и поэтому шрифт отличался тонкими прямыми вертикальными штрихами и жирными засечками-серифами (прописной шрифт).
Фрактура - придворный шрифт времен императора Максимилиана. Для этого шрифта характерны хоботообразные завитки элементов прописных букв и спиральные росчерки в духе рукописных шрифтов12.
2.2. Естественнонаучные аспекты античной
натурфилософии
Евклидова геометрия - первая стандартная научная теория. ( Древнегреческие атомисты: атомистическое учение Левкиппа, Демокрита, Эпикура. (Механика Архимеда: статика, гидростатика, баллистика. ( Становление античной астрономии: Аристарх Самосский (идея гелиоцентризма). Гиппарх: его вклад в развитие астрономии. Птолемей: геоцентрическая система (Альмагест).

В свете современных историко-научных исследований считается, что основы теоретического физического знания закладывались в эпоху античности в Древней Греции и других странах Средиземноморья. Государственное устройство типа рабовладельческой демократии, относительная терпимость к выбору религиозных верований позволяли обсуждать проблемы естествознания и осуществлять разграничение науки и религии при решении этих проблем. Это способствовало появлению сначала различных натурфилософских концепций на основе наблюдений и экспериментов, затем разработке теоретических физических концепций.
Из-за низкого уровня техники, существовавшей недооценки количественных расчетов и отстраненности потребностей рабовладельческого производства от достижений науки, эксперимент в эпоху античности не стал ни методом систематической проверки получаемых знаний, ни основным источником знаний эмпирических. Но постепенно на смену мифологическим объяснениям явлений действительности стали приходить попытки их научного обоснования. Основной вопрос, занимавший мыслителей в это время, был вопрос о соотношении единого и многого (иначе говоря, вопрос о том из какого начала образовалось окружающее нас многообразие вещей).
2.2.1. Евклидова геометрия - первая стандартная
научная теория
Евклид, древнегреческий математик. Сведения о времени и месте его рождения до нас не дошли, однако известно, что Евклид жил в Александрии и расцвет его деятельности приходится на время царствования в Египте Птолемея I Сотера. Известно также, что Евклид был моложе учеников Платона, но старше Архимеда, так как, с одной стороны, был платоником и хорошо знал философию Платона (именно поэтому он закончил "Начала" изложением так называемых платоновых тел, то есть пяти правильных многогранников), а с другой стороны, его имя упоминается в первом из двух писем Архимеда к Досифею "О шаре и цилиндре". С именем Евклида связывают становление александрийской математики (геометрической алгебры) как науки.
Прокл в комментариях к первой книге "Начал" приводит известный анекдот о вопросе, который будто бы задал Птолемей Евклиду: "Нет ли в геометрии более краткого пути, чем (тот, который изложен) в "Началах"? На что Евклид якобы ответил, что "в геометрии не существует царской дороги" (аналогичный анекдот рассказывается также об Александре и ученике Евдокса Менехме, так что он принадлежит, видимо, к числу "бродячих сюжетов").
Из дошедших до нас сочинений Евклида наиболее знамениты "Начала", состоящие из 15 книг. В 1-й книге формулируются исходные положения геометрии, а также содержатся основополагающие теоремы планиметрии, среди которых теорема о сумме углов треугольника и теорема Пифагора. Во 2-й книге излагаются основы геометрической алгебры. 3-я книга посвящена свойствам круга, его касательных и хорд. В 4-й книге рассматриваются правильные многоугольники, причем построение правильного пятнадцатиугольника принадлежит, видимо, самому Евклиду. Книга 5-я и 6-я посвящены теории отношений и ее применению к решению алгебраических задач. Книга 7-я, 8-я и 9-я посвящены теории целых и рациональных чисел, разработанной пифагорейцами не позднее V в. до н. э. Эти три книги написаны, по-видимому, на основе не дошедших до нас сочинений Архита. В книге 10-й рассматриваются квадратичные иррациональности и излагаются результаты, полученные Теэтетом. В книге 11-й рассматриваются основы стереометрии. В 12-й книге с помощью метода исчерпывания Евдокса доказываются теоремы, относящиеся к площади круга и объему шара, выводятся отношения объемов пирамид, конусов, призм и цилиндров. В основу 13-й книги легли результаты, полученные Теэтетом в области правильных многогранников. Книги 14-я и 15-я не принадлежат Евклиду, они были написаны позднее: 14-я во 2 в. до н. э., а 15-я в 6 в.
Вторым после "Начал" сочинением Евклида обычно называют "Данные", представляющие собой введение в геометрический анализ. Ему также принадлежат "Явления", посвященные элементарной сферической астрономии и такие фундаментальные исследования, как "Оптика" и "Диоптрика". В своей оптике он исходил из пифагорейской теории, согласно которой лучи света - прямые линии, простирающиеся от глаза к воспринимаемому предмету. Небольшой трактат "Сечения канона" содержит десять задач о музыкальных интервалах, сборник задач по делению площадей фигур "О делениях" дошел до нас в арабском переводе. Изложение во всех этих сочинениях, как и в "Началах", подчинено строгой логике, причем теоремы выводятся из корректно сформулированных физических гипотез и математических посылок. В "Началах" Евклида завершена античная математика, как стройная наука, исходящая из определений, постулатов и аксиом. Математика Евклида - вершина древнегреческой дедуктивной науки. Она резко отличается от ближневосточной математики с её практической ограниченностью. Много произведений Евклида утеряно, об их существовании в прошлом нам известно только по ссылкам в сочинениях других авторов13.
2.2.2. Древнегреческий атомизм
Левкипп выдвинул основные принципы атомистической философии. Он утверждал о существовании бесчисленных постоянно движущихся элементов - атомов, имеющих бесконечное множество форм, так как видел в вещах постоянное возникновение и изменение. Левкипп, возможно впервые в античной философии, допускает существование пустоты.
Демокрит имел взгляды на сущность бытия, тождественные взглядам Левкиппа и развил идеи об атомах и пустоте в логическую, последовательную систему. Согласно Демокриту, Вселенная - это движущаяся материя, атомы веществ и пустота. Пустота так же реальна, как и бытие. Вечно движущиеся атомы, соединяясь, создают все вещи, их разъединение приводит к гибели и разрушению последних. Категория пустоты, небытия дала возможность объяснить возникновение и изменение вещей. Понятие пустоты привело к понятию пространственной бесконечности. Атомы характеризуются формой, порядком, положением и величиной. Демокрит утверждает, что атомы сами по себе неизменны, были, есть и будут постоянно теми же самыми. Концепция атомизма содержит, таким образом, представление о несотворимости и неуничтожимости материи.
Атомы, по Демокриту, бесконечны, если речь идёт об их величине, числе и различии форм. По сути, он, таким образом, формулирует принцип бесконечности материи. Качественно новым в античном мышлении является Демокритово понимание бесконечности, неуничтожимости и несотворимости Вселенной, убеждённость в существовании бесконечного множества миров, которые возникают и гибнут и наш мир лишь один из многих, сотворённых атомами. Демокрит новым для античности способом решает проблему движения. Движение присуще атомам в естественном состоянии в пустоте. Оно передаётся столкновением, всегда есть и является источником любого развития. Основываясь на атомистическом учении, Демокрит понимает причинность как абсолютную необходимость. Развитие Вселенной, порядок мира, все, в сущности, определено механическим движением атомов. Поэтому в его системе нет места объективному существованию случайности. "Случайность", по Демокриту, объясняется незнанием причин определенного явления14.
Выдающийся мыслитель эллинистического периода Эпикур (342-271 до н. э.) продолжил и в какой-то степени развил атомистическое учение Левкиппа и Демокрита. Дополнительно к таким свойствам атомов, как величина, форма и положение в пространстве он приписывает ещё одно свойство - тяжесть. В отличие от Демокрита, который приписывает атомам только прямолинейное движение, он признаёт закономерным и отклонение от него. Несмотря на кажущуюся простоту такого добавления к свойствам, это ведёт к серьёзным последствиям. Во-первых, возникает соответствующее современному взгляду представление о хаотическом движении частиц вещества. Во-вторых, исключается, столь характерный для Демокрита, абсолютный детерминизм в объяснении причинно-следственных явлений. Эпикур принимает случайность как объективность, не исключая, одновременно, причинного объяснения, которое представляет собой постижение внутренней причинной взаимосвязи явлений, основанной на соотношении свободы и необходимости15.
2.2.3. Механика Архимеда16
Эпоха эллинизма характеризовалась наибольшим вкладом в развитие физики со стороны механики. Потребности в создании различного рода технических устройств (строительных, военных и т. д.) выдвигали на первый план вопросы статики.
Архимед, создав теорию рычага, заложил основы статики. Строительная и военная техника основывались на рычаге, позволявшем перемещать в пространстве тела большого веса при относительно небольших усилиях. Проблема рычага явилась обобщением эмпирически освоенных приемов его использования в разных областях деятельности. В своих трудах "О равновесии плоских тел и центрах тяжести плоских фигур" и не дошедшем до нас "О весах" Архимед изложил основные постулаты теории рычага:
1. Равные тяжести на равных длинах уравновешиваются, на неравных же длинах не уравновешиваются, но перевешивает тяжесть на большей длине.
2. Если при равновесии тяжестей на каких-нибудь длинах к одной из тяжестей будет что-то прибавлено, то они не будут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, к которой было прибавлено.
3. Точно так же, если от одной из тяжестей будет отнято что-нибудь, то они не будут уравновешиваться, но перевесит та тяжесть, от которой не было отнято.
4. Если две величины уравновешиваются на каких-нибудь длинах, то на тех же самых длинах будут уравновешиваться и равные им.
Исходя из этих, многократно проверенных на практике, постулатов, Архимед формулирует закон рычага в виде следующих теорем:
1. Соизмеримые величины уравновешиваются на длинах, обратно пропорциональных тяжестям.
2. Если величины несоизмеримы, то они точно так же уравновесятся на рычагах, которые обратно пропорциональны этим величинам.
Дав определение центру тяжести тела как расположенной внутри его точки, при подвешивании за которую оно останется в покое и сохранит первоначальное положение, Архимед определил центры тяжести треугольника, параллелограмма, трапеции и других фигур.
Архимед явился также основоположником и гидростатики, законов плавающих тел. Этому был посвящен его труд "О плавающих телах". Гидростатика использовалась при определении плотности тел путем взвешивания их в воде и при определении грузоподъемности корабля. Логическая схема обоснования законов гидростатики отличалась от схемы обоснования закона рычага.
Вначале Архимед формулирует предположение о внутренней структуре жидкости, а затем формулирует ряд теоретических следствий, вытекающих из данного предположения. Архимед исходит из того, что поверхность всякой неподвижно установившейся жидкости будет иметь форму шара, центр которого совпадает с центром Земли. Жидкость по своей природе такова, что из её частиц, расположенных на одинаковом уровне и прилежащих друг к другу, менее сдавленные выталкиваются более сдавленными, следовательно, каждая из ее частиц сдавливается жидкостью, находящейся над ней по отвесу, если только жидкость не заключена в каком-нибудь сосуде и не сдавливается еще чем-то другим. Следствия из этой гипотезы, выводимые математически, таковы:
1. Тело, равнотяжелое с жидкостью, будучи опущено в эту жидкость, погружается так, что никакая его часть не выступает над поверхностью жидкости, и не будет двигаться вниз.
2. Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, не погружается целиком и некоторая его часть остается над поверхностью жидкости.
3. Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погруженной части тела, имел вес, равный весу всего тела.
4. Тело, более легкое, чем жидкость, опущенное в эту жидкость силою, будет выталкиваться вверх с силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный объем с телом, будет тяжелее этого тела.
5. Тело, более тяжелое, чем жидкость, опущенное в эту жидкость, будет погружаться, пока не дойдет до самого низа, и в жидкости станет легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела.
В более кратком виде закон Архимеда формулируется следующим образом:
* на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости.
Данный закон оказался справедливым и для газа. Одним из первых случаев практического применения данного закона была проверка состава короны, изготовленной для сиракузского царя Гиерона. На основе того, что короной вытеснялось большее количество воды, чем золотым слитком Архимед установил, что корона состоит не из чистого золота, а из сплава17.
2.2.4. Становление астрономии
Гиппарх из Никеи (190 - 125 гг. до н. э.) выдающийся древнегреческий астроном, которому также часто приписывают реформирование астрологии. Вёл первые систематические астрономические наблюдения. Наблюдение новой звезды (134 г. до н. э.) побудило его к созданию звёздного каталога, который был использован впоследствии Птолемеем. Этот каталог содержит положения 850 звёзд, разделённых по степени яркости на 6 звёздных величин. Путём сравнения найденных им точек расположения звёзд с теми, которые были обозначены в других каталогах, Гиппарх открыл явление прецессии равноденствий.
Он исследовал видимое движение Солнца и Луны и составил таблицы этого движения. Рассчитал аномалии солнечного движения и объяснил их тем, что Солнце проходит эксцентрический путь вокруг Земли. Он также вычислил с большой точностью наклонение эклиптики; определил с ошибкой менее 5% расстояние от Земли до Луны и неточно - от Земли до Солнца; вычислил продолжительность тропического года как равную 365 суткам 5 ч 55 мин (истинная продолжительность - 365 суток 5 ч 48 мин 46 с) и продолжительность синодического месяца, получив значение 29 суток 12 ч 44 мин 2.5 с, которая лишь на 1 с меньше истинного; разработал теорию затмений; ввёл географические координаты - широту и долготу; заложил основы тригонометрии, в частности, разделив окружность на 360°, поделённых, в свою очередь, на минуты и секунды; изобрёл новые инструменты. Он повысил точность наблюдений, применив крест нитей для наведения на светило в угломерных инструментах - секстантах и квадрантах. Сочинения Гиппарха до нас не дошли, кроме комментариев к астрологической поэме Арата. Сведения о работах Гиппарха приведены в сочинении К. Птолемея "Альмагест".
Гиппарха называют отцом научной астрономии. Большинство своих исследований он провел в Александрийской обсерватории, построенной на острове Самос. Гиппарх первым установил наклон плоскости лунной орбиты к плоскости эклиптики - примерно 5°. Он же открыл, что Узлы Луны непрерывно перемещаются с востока на запад, совершая полный оборот за 18.6 лет. Также он обнаружил, что линия апсид лунной орбиты подвижна и полный оборот совершает за 8.85 г. (цикл Лилит).
Гиппарх и другие астрономы древности уделяли много внимания наблюдениям движений планет. Наблюдаемое с Земли движение планет довольно сложно: скорость планеты то увеличивается, то уменьшается, временами она и вовсе останавливается, после чего начинает двигаться в обратном направлении. При этом планета иногда описывает на небе петли. Эта сложность, как сейчас мы знаем, является результатом того, что наблюдения ведутся с Земли, которая сама обращается вокруг Солнца.
Гиппарх же, считавший Землю неподвижной, полагал наблюдаемое движение планет реальными. В объяснении движения планет он следовал теории эпициклов. Теория эпициклов давала с известным приближением чисто формальное, геометрическое представление о движении планет18.
Первая гелиоцентрическая система. Современникам Аристотеля уже было известно, что планета Марс в противостоянии, а также Венера во время попятного движения значительно ярче, чем в другие моменты. По теории сфер они должны были бы оставаться всегда на одинаковом расстоянии от Земли. Именно поэтому тогда возникали и другие представления о строении мира.
Так, Гераклит Понтийский (388 - 315 гг. до н. э.) предполагал, что Земля движется "...вращательно, около своей оси, наподобие колеса, с запада на восток вокруг собственного центра". Он высказал также мысль, что орбиты Венеры и Меркурия являются окружностями, в центре которых находится Солнце. Вместе с Солнцем эти планеты будто бы и обращаются вокруг Земли.
Еще более смелых взглядов придерживался Аристарх Самосский (ок. 320 до н. э., Самос, Греция - 250 до н. э., Александрия, Египет). Архимед в своем сочинении "Псаммит" ("Исчисление песчинок"), обращаясь к Гиерону Сиракузскому, писал о взглядах Аристарха так:
"Ты знаешь, что по представлению некоторых астрономов мир имеет форму шара, центр которого совпадает с центром Земли, а радиус равен длине прямой, соединяющей центры Земли и Солнца. Но Аристарх Самосский в своих "Предложениях", написанных им против астрономов, отвергая это представление, приходит к заключению, что мир больших размеров, чем только что указано. Он полагает, что неподвижные звезды и Солнце не меняют своего места в пространстве, что Земля движется по окружности вокруг Солнца, находящегося в его центре, и что центр сферы неподвижных звезд совпадает с центром Солнца, а размер этой сферы таков, что окружность, описываемая по его предположению, Землей, находится к расстоянию неподвижных звезд в таком же отношении, в каком центр шара находится к его поверхности".
Таким образом, примерно за полторы тысячи лет до Николая Коперника Аристарх Самосский развил идею гелиоцентризма на основе космологических вычислений. Он пытался установить основные параметры Солнечной системы. В частности вычислить, во сколько раз Солнце отстоит дальше от Земли, чем Луна, во сколько раз диаметр Солнца больше диаметра Луны, во сколько раз радиус лунной орбиты больше радиуса Луны, во сколько раз диаметр Земли больше диаметра Луны и т. д. При проведении наблюдений Аристарх допустил грубые ошибки. Но они носили количественный характер и не отменяли его гелиоцентрические выводы.
В сохранившемся сочинении Аристарха "О величине и расстоянии Солнца и Луны" даётся остроумный способ определения расстояния от Солнца и Луны до Земли посредством угла, составленного линиями зрения от глаза к Солнцу и Луне в тот момент, когда она наполовину освещена. Исходя из полученных данных, Аристарх, без применения тригонометрических функций установил, что расстояние от Солнца до Земли в 19 раз больше (вместо 370), чем расстояние от Луны до Земли, и что диаметр Солнца в 6.75 раз (вместо 109) больше земного19.
Евктемон - древнегреческий астроном V в. до н. э. Жил и работал в Афинах. Евктемон - первый астроном, введший тропическое деление Зодиака. Основываясь на наблюдениях летнего солнцестояния в 432 г. до н. э., он опубликовал парапегму, т.е. звёздный календарь, в котором были отмечены равноденствия и солнцестояния, годовые восходы и заходы неподвижных звезд, и соответствующие погодные указания. Он разделил солнечный год на 12 "месяцев", определяемых 12 знаками Зодиака.
Солнечный год Евктемона начинался с летнего солнцестояния. Первые пять "месяцев" имели по 31 дню каждый, следующие семь - по 30 дней. Следовательно, он полагал, что Солнце проходит одну часть Зодиака с постоянной скоростью 30° за 31 день, а оставшуюся часть - со скоростью 30° за 30 дней.
Птолемеева система мира - геоцентрическая система мира, в которой планеты располагаются по мере удаления от Земли в следующем порядке: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн. Для объяснения видимого движения планет Птолемей разработал теорию деферентов и эпициклов, подробно изложенную в работе "Альмагест". Схема Птолемея - один из первых образцов теоретической организации естественнонаучного знания. В основу его теории положена кинематическая модель, объяснявшая иррегулярности в движениях планет. Эта модель позволяла с применением тригонометрии предсказывать положение небесного тела в любой момент, в то время как астрономы Древнего Египта и Вавилона не строили математических моделей космоса и предсказывали положение небесных тел на основе арифметических операций. Модель Птолемея была свободна от произвольных теоретических конструкций, характерных для аристотелевской модели, которая включала "перводвигатель", более 50 вещественных сфер и т. п20.
2.3. Значение арабской системы знаний
в истории естествознания21
Физические достижения арабского средневековья. ( Разум - орудие постижения истины. ( Механика и оптика: Ал-Бируни, Ибн Рушд, Авиценна, Ал-Фараби, Ал-Кинди ( Астрономия арабо-мусульманского средневековья: астрономия "народная" и математическая. (Ал-Бируни, Ал-Фараби.

Внутренние (непроизводительный рабский труд, презрение свободных граждан к труду, восстание рабов) и внешние (нашествие варваров) причины привели к распаду Римское государство. Античная цивилизация погибла, многие культурные и научные достижения были утрачены. Как организованная сила сохранилось христианская церковь, сумевшая быстро приспособиться к происшедшим изменениям. Постепенно создавались школы, колледжи, университеты, попавшие под влияние церкви.
В это время на Аравийском полуострове на основе ислама было создано сильное арабское государство, быстро завоевавшее Иран, Египет, страны Среднего Востока, юг Пиренейского полуострова. Поскольку основной задачей арабов было совершенствование военного дела, сбор даней и разнообразных податей, то производством, торговлей занимались представители коренных народов. И хотя арабский язык стал государственным языком, завоеватели сохраняли культуру завоеванных народов. На арабский язык были переведены труды античных авторов.
Стали создаваться университеты в Кордове (755 г.), Багдаде (795 г.), Каире (972). Таким образом, арабы в VII- XI вв. были звеном, связывающим восточную и западную культуру. Многие труды античных авторов на латинский язык переводились с арабского языка. Тот факт, что в качестве языка культурного общения на Арабском Востоке использовался живой разговорный язык, а не мертвый латинский (как в Европе), был важным культурным фактором. На Арабском Востоке могли развиваться научные представления, в основе которых лежало научное наследие античности. Начавшись с комментариев трудов античных авторов (прежде всего в области механики и оптики), физические учения приобретали самостоятельный вид. Наиболее значительными фигурами среди арабских ученых были Ибн Сина, Ал-Бируни и Ибн Рушд.
На протяжении 350 лет с 750 до 1100 г. - мусульманские учёные не имели себе равных в мире. В этот период учёные - мусульмане занимали ведущие позиции в области естественных, точных и общественных наук. В Европу научная культура мусульманского мира проникла через Испанию и Сицилию. В следующие 250 лет учёные Запада догнали своих исламских коллег. С возникновением могущественных мусульманских империй (Османы в Турции, Сефевиды в Иране, Великие Моголы в Индии) развитие науки в некогда блистательном мире ислама было заторможено. В 1485 г. султан Баязид II ввёл запрет на выпуск и распространение любой печатной продукции. В 1515 г. его преемник Селим I последовал тому же примеру. Первая типография, выпускавшая издания на турецком и арабском языке, была организована в Стамбуле турком Саидом Эфенди лишь в 1728 г.
2.3.1. Физические достижения арабского средневековья22
Перечень физических достижений арабского средневековья можно начать с того, что, например, Ал-Бируни изобрел "конический прибор", позволявший определять плотность металлов и других веществ, причем с весьма высокой точностью. Ибн Рушд, известный в Европе под именем Аверроэс, дал комментарий к "Физике" Аристотеля. В античной механике проблемы различия между кинематикой и динамикой не существовало. В античной механике математической формулировки скорости движения не было, ибо само представление о возможности количественной оценки качественной определенности отсутствовало (Аристотель эти категории считал принципиально различными). Одни интерпретаторы Аристотеля полагали, что движение надо рассматривать лишь как чистое перемещение. Ибн Рушд настаивал на необходимости описывать движение с учетом вызвавших его причин.
В области физических учений Ибн Сины (980-1037), которого в Европе называли Авиценной, следует выделить проблему движения брошенного тела. По данной проблеме он разработал собственную концепцию, суть которой заключается в признании того, что движимое получает "склонность" от движителя. По Ибн Сине, существуют три вида склонностей: психическая (связанная с жизнью), естественная и противоестественная (насильственная).
"Естественная склонность" присуща свободно падающим телам. "Противоестественная склонность" (или приложенная сила) присуща противоестественно движущимся телам, причем ее действие зависит о величины веса тела, которому она сообщена. Ибн-Сина утверждал, что "противоестественная склонность" ощущается, как сопротивление насильственной попытке остановить естественное движение или перевести один вид противоестественного движения в другой. Если насильственное движение снаряда вызвано действующей в пустоте силой, то оно должно сохраняться, не уничтожаясь и не прерываясь. Если же сила существует в теле, то она должна либо оставаться в нем, либо исчезнуть. Но если она остается, то движение будет продолжаться непрерывно. Признание действия зависимости "противоестественной склонности" от величины веса тела, которому она сообщена, было шагом к количественной оценке "склонности".
Аристотелевские представления о роли воздуха в передаче движения Ибн Синой были отвергнуты. Таким образом, Ибн-Сина полагал, что в теле может быть только одна "склонность". Веком позже Ал-Баркат утверждал возможность одновременного существования в одном теле разных "склонностей" - при свободном падении тяжелого тела источник "естественной склонности" находится в самом теле и поэтому может непрерывно действовать, пока тело не достигает своего естественного места.
В трудах Ал-Фараби нет резкого разделения философии и частных наук. В данном вопросе ему свойственно то отношение к системе знания, которое сложилось в его эпоху. Изучение вклада Ал-Фараби в естествознание и математику имеет принципиальное значение с точки зрения опровержения тех, кто говорит об отсутствии на "Востоке" самобытного мышления.
Прежде всего необходимо отметить тождество методологических позиций Ал-Фараби и Галилея. Последний подчеркивает, что Аристотель предпочитает чувственный опыт всем рассуждениям. Сказанное относится и к Ал-Фараби. Научные труды Ал-Фараби изучены далеко не полностью, почти не изучены его физико-математические труды. Исходя из того, что в основе познания многообразия всего мира лежит познание чисел и величин, Ал-Фараби особое значение придает среди этих разделов арифметике и геометрии, а также искусству правильного логического мышления. По его утверждению, эти науки "проникают во все науки", так как они оперируют понятиями и отношениями, абстрагированными от реальных предметов и от реально существующих взаимосвязей и взаимоотношений между этими предметами.
Так, геометрическое тело есть не что иное, как реальное тело, рассматриваемое только с точки зрения его пространственной формы и размеров в полном отвлечении от всех других свойств. Это отвлечение обусловливает умозрительно-дедуктивный метод геометрии, причем ее выводы являются развитием непосредственного отражения в сознании реальных пространственных форм, отношений и их взаимосвязей.
Следует отметить, что до сих пор фундаментальная работа Ал-Фараби "Слово о классификации наук", рассматривалась односторонне как сугубо философское сочинение, затрагивающее отдельные аспекты методологических вопросов классификации наук. На самом же деле определение предмета каждой отрасли знания в этой работе органически переплетается с сопровождающим его сжатым, емким и лаконичным изложением самого содержания данной науки. Поэтому более правы те, кто считал этот труд своеобразной энциклопедией науки средневековья. Указанная классификация наук легла в дальнейшем в основу классификации наук Ибн-Сины, Роджера Бэкона и других. В классификации Р. Бэкона математика и естествознание занимают значительный удельный вес. В этом немалая заслуга его восточных учителей, в частности Ал-Фараби. Р. Бэкон был хорошо знаком с содержанием "Слова о классификации наук"; восхищаясь этим трактатом в своей "Средней книге", он ставит имя Ал-Фараби в один ряд с именами Евклида и Птолемея.
Заслуживает особого упоминания то обстоятельство, что Ал-Фараби методологически правильно решает ряд вопросов, связанных с математизацией науки о природе. На примере теории музыки он демонстрирует плодотворность применения математических методов в исследовании объективных закономерностей природы и искусства. При всем уважении к наследию древних греков Ал-Фараби не преклоняется перед авторитетами, когда их учения противоречат новым достижениям естествознания. Примером может служить критика Ал-Фараби теории музыки и космологии пифагорейцев. У него совершенно отсутствует числовой мистицизм, присущий их музыкальному учению. Мнение пифагорейцев, что планеты и звезды при их движении порождают звуки, которые гармонически сочетаются, он считает ошибочным. Предположение о том, что движение небесных светил может порождать какой-либо звук, по его мнению, несостоятельно. Другой пример: по мнению Ал-Фараби, Евклид в построении своих "Начал" ограничился лишь синтезом. Сам же Ал-Фараби успешно применяет одновременно и анализ.
Метод научного исследования, аналогичный методу Ал-Фараби, мы встречаем в Европе у Леонардо да Винчи и у Галилея. Велики заслуги Ал-Фараби в развитии математических наук. Он оставил много трудов по математике, которые до сих пор почти не изучались. Нам известны следующие его сочинения математического содержания: математический раздел "Слова о классификации наук" (рукописи хранятся в библиотеках Парижа, Стамбула, Мадрида), тригонометрические главы "Книги приложений к "Альмагесту" (единственная известная нам рукопись хранится в Британском музее в Лондоне. Она до сих пор не издавалась и не переводилась на другие языки), "Книга духовных искусных приемов и природных тайн о тонкостях геометрических фигур" (единственная известная нам рукопись хранится в библиотеке Упсальского университета в Швеции), "Комментарии к трудностям во введениях к первой и пятой книгам Евклида" (арабских рукописей этого сочинения не сохранилось, но имеются две рукописи древнееврейского перевода, хранящиеся в Мюнхене), "Трактат о том, что правильно и что неправильно в приговорах звезд" (сохранилось несколько рукописей, имеются издания и переводы на современные языки).
В математической главе "Слова о классификации наук", как уже говорилось, определяется предмет каждой из математических наук: науки чисел (арифметика и теория чисел), науки геометрии, науки о звездах (астрономия и астрология), науки о музыке, науки о тяжестях и науки об искусных приемах. В последнем случае Ал-Фараби имеет в виду, прежде всего искусство конструирования "хитроумных" механизмов. Впервые применение термина "искусные приемы" в более широком смысле мы встречаем у Ал-Кинди. Ал-Фараби, развивая идею Ал-Кинди, рассматривает эту науку в общем смысле, как науку о приложении математики к решению практических задач, и распространяет этот термин, в частности, на алгебраические и другие методы решения числовых задач.
Следует отметить, что во взглядах на применение математики к решению задач естествознания Аристотель и Ал-Фараби стояли на различных позициях. Ал-Фараби не исключает, как Аристотель, полной математизации науки, связанной с материей и движением. Наоборот, он утверждает, что применение математических методов не ограничено. Но только ощутимые тела и материальные вещи, пишет Ал-Фараби, имеют состояния, которые мешают применять доказанные математические положения на практике по желанию человека, поэтому необходимо подготовить естественные тела для применения в них этих математических положений, так же как необходимо создать приспособления для устранения препятствий23.
Достижения в области оптики эпохи средневековья связаны, прежде всего, с именами Ал-Хайсама, известного в Европе как Альхазен. Он создал капитальный труд "Сокровище оптики", оказавший большое влияние на развитие этой области физики. Он впервые дал анатомическое описание глаза и разработал концепцию, в соответствии с которой зрение вызывается лучами, приходящими в глаз от объектов, а изображение формируется внутри хрусталика прежде, чем достигнет оптического нерва. Рассматривая свет как поток частиц, Альхазен отражение света трактует как механическое явление. Установив, что нормаль к поверхности зеркала, падающий и отраженный лучи находятся в одной плоскости, он усовершенствовал формулировку закона отражения.
В Западной Европе оптические исследования начинаются в XIII веке. Р. Гроссетест разрабатывает геометрическую теорию происхождения радуги как эффекта преломления света в каплях воды и концепцию прямолинейного распространения света и звука, представляя их как волны. Отражение света рассматривалось по аналогии с эхом. Несомненным достижением было и изобретение в XIII веке очков, но оно не основывалось на каких-либо теоретических разработках. К достижениям следует отнести и исследования магнетизма П. де Марикуром (Перегрином), который высказал мысль, что стрелка компаса поворачивается не к Полярной звезде (как думали древние китайцы), а к полюсу. При оценке результатов развития физических представлений в эпоху средневековья большинство историков науки исходит из того, что за это время ни в одной из областей физики не было разработано ни одной последовательной физической теории, ни одного эффективного экспериментального метода. Теоретические построения отличались абстрактностью. Технические достижения не основывались на теоретических разработках, теория и практика были разобщены. Новая физика существовала лишь в потенции - в отдельных, не всегда отчетливых догадках, идеях. Но религиозные предрассудки (как христианства, так и ислама) не дали возможности им раскрыться.
Умственная деятельность остается еще подчиненной религиозным догматам. В физике отсутствовали развитые количественные оценки. Однако развитие деловой жизни требовало качественных расчетов все больше и больше. Феодальная система хозяйства обнаруживала признаки разложения. Зарождавшиеся новые экономические отношения способствовали техническому прогрессу главным образом за счет рационализации труда. Медленное, но постепенно ускоряющееся развитие техники и научных запросов подготовило почву для возникновения новой эпохи.
2.3.2. Астрономия арабо-мусульманского средневековья
На мусульманском Востоке в этот период господствовали две астрономические традиции - народная астрономия и математическая астрономия. Ещё в доисламский период своей истории арабы Аравийского полуострова многое знали о Солнце, луне и звёздах, о чередовании времён года и движении ночных светил. С появлением Корана начинается развитие исламской космологии. Она нашла отражение в большом количестве комментариев к Корану, а также в отдельных трудах, прославляющих величие Аллаха, проявляющееся в его творениях. Народная астрономия, которая основывалась на наблюдениях невооруженным глазом и не использовала какие-либо специальные вычисления, стала с благословения Корана распространяться по мусульманскому Востоку и в средние века приобрела большую популярность.
Первые таблицы для определения точного времени по высоте Солнца или по положению некоторых наиболее ярких звёзд появились в Багдаде в IX и Х веках. В XIII веке при мечетях и медресе появились "муакиты" - профессиональные астрономы. В их задачу входило регулирование времени молитв, создание астрономических приборов, написание трудов по сферической астрономии. В это время в Каире были составлены новые астрономические таблицы общим объёмом 200 страниц, которые положили начало астрономическому исчислению времени во всём арабском мире. Самыми распространёнными астрономическими приборами были астролябия и квадрант24.
Астрономы-мусульмане, будучи наследниками развитой и сложной астрономии Древней Эллады, Ирана и Индии, провели новые наблюдения, разработали новые теории, составили новые таблицы и изобрели новые приборы. Они явились авторами огромной по объёму научной литературы, в которой рассматривались проблемы космологии и вычислительных методов. Некоторые астрономы ещё в IX веке начали составлять таблицы для точного определения времени начала ежедневных молитв. Самые древние таблицы такого рода были составлены Ал-Хорезми для широты Багдада.
Заметим, что Галилей в своих астрономических исследованиях прямо ссылается на предшественника Ал-Фараби Ал-Фаргани и на его старшего современника Ал-Баттани. Если говорить об учёных более позднего периода, то следует отметить, что, например, Ал-Бируни приводит сведения, которые показывают, что идея эквивалентности геоцентрической и гелиоцентрической систем подспудно жила на Востоке. Ал-Бируни пишет: "Кроме того, вращение Земли ни в коей мере не уменьшает значения астрономии, поскольку все явления астрономического характера так же хорошо можно объяснить этой теорией, как и другой". Под влиянием учения Ал-Фараби, Насир ад-Дин ат-Туси выступал против сложных механизмов птолемеевой теории Луны и Меркурия. Коперник впоследствии использовал его конструкции.
Комментарии Ал-Фараби к "Альмагесту" составлены на основе переработки текста Птолемея; в них авторский текст не выделен из слов толкователя и содержание сочинения вольно и порою сжато излагается комментатором. Комментарии к "Альмагесту" написаны Ал-Фараби как учебно-педагогическое сочинение, но в них имеются добавления и усовершенствования методического характера. Например, в отличие от Птолемея движение планет Ал-Фараби по возможности изучает совместно, так как, по его мнению, у светил много общего, как в астрономическом, так и в математическом отношении, и поэтому у него в девятой книге помещено содержание девятой, десятой и одиннадцатой книг "Альмагеста". Здесь мы встречаем ряд новых добавлений и примечаний, отражающих результаты исследований самого Ал-Фараби, а также достижения его предшественников и современников.
Относительно положения о том, что Земля не совершает никакого поступательного движения, Ал-Фараби замечает, что он в своей "Физике" дал другое доказательство невозможности движения Земли. Он подробно останавливается на вопросах сферической астрономии. Ал-Фараби совершенствует тригонометрический аппарат Птолемея. Он везде заменяет хорды синусами, высказывает лемму, равносильную плоской теореме синусов, и доказывает ее для вписанного прямоугольного треугольника. Ал-Фараби даёт ряд разъяснений относительно составления отношений.
Следует особо отметить, что, обобщая метод Птолемея по вычитанию одного числового отношения из другого, Ал-Фараби фактически рассматривает каждое отношение как число. В своих комментариях он пользуется терминами "число отношения" и "число линии АВ", которые явились важным шагом в расширении понятия числа. Эти идеи Ал-Фараби в дальнейшем были успешно развиты Ал-Бируни, Омаром Хайямом и другими мыслителями.
Комментарии к "Альмагесту" сыграли важную роль в освоении и развитии учеными мусульманского средневековья астрономо-математического наследия Птолемея. Свидетельством тому служит включение в астрономический раздел энциклопедической "Книги исцеления" Ибн-Сины этих комментариев Ал-Фараби.
Изложение Абу Насром Мухаммедом ибн Тарханом Ал-Фараби (полное имя Ал-Фараби) содержания птолемеевского сочинения, и, в особенности, его "Книга приложений к "Альмагесту"", содержащая оригинальные разработки, еще не подвергались в литературе детальному анализу.
Выдающимся астрономом своего времени был Абу Рейхан Мухаммед ибн Ахмед Ал-Бируни - среднеазиатский ученый-энциклопедист. Родился в предместье города Кят, столицы древнего государства Хорезма (ныне часть Узбекистана). Живя в условиях диктата мусульманской религии, с подозрением относившейся к науке, он смело выступил против религиозного миропонимания. Бируни считал, что в природе все существует и изменяется по законам самой природы, а не по божественному велению. Постигнуть эти законы можно только с помощью науки. За свои взгляды Бируни подвергался преследованиям и трижды вынужден был покидать родину и жить в изгнании.
Научные труды Бируни охватывают различные области знаний: астрономию и географию, математику и физику, геологию и минералогию, химию и ботанику, историю и этнографию, философию и филологию. Основные работы (их свыше 40) посвящены математике и астрономии, которая имела огромное практическое значение для хозяйственной жизни Хорезма - для поливного земледелия и торговых путешествий. Важнейшими задачами астрономии были совершенствование календаря и методов ориентирования на Земле по небесным светилам.
Необходимо было уметь точно определять положения на небе Солнца, Луны, звезд, а также уметь измерять так называемые основные астрономические постоянные - наклон эклиптики к экватору, длину солнечного и звездного года и др. Это в свою очередь требовало развития математики, в частности, плоской и сферической тригонометрии и совершенствования инструментов для точных наблюдений. Достижения Бируни в перечисленных областях оставались непревзойденными в течение нескольких веков: самый крупный стенной квадрант - угломерный инструмент, позволявший измерять положение Солнца с точностью до 2'; самое точное определение наклона эклиптики к экватору и векового изменения этой величины; новый метод определения радиуса Земли - по степени понижения горизонта при наблюдении с горы. Бируни почти точно определил радиус Земли (более 6000 км), исходя из представления о ее шарообразной форме.
Бируни воспринял и развил прогрессивные идеи древнегреческих и древнеиндийских философов по некоторым общим проблемам астрономии: утверждал одинаковую огненную природу Солнца и звезд, в отличие от темных тел - планет; подвижность звезд и огромные их размеры по сравнению с Землей; идею тяготения. Бируни высказал обоснованные сомнения в справедливости геоцентрической системы мира Птолемея уже в самом первом своём сочинении "Хронология древних народов" (1000 г.)
Бируни собрал и описал все известные в его время системы календаря, применявшиеся у различных народов мира. Астрономические исследования изложены им в "Книге истолкования основных начал астрономии" и в других научных трудах25.
2.4. Научные революции
Первая научная революция: становление классического естествознания, создание общей системы механики, введение Ньютоном понятия "системы", замена статичной картины мира его динамическим представлением. ( Вторая научная революция: дисциплинарная организация классического естествознания, распространение идей эволюционизма. ( Третья научная революция: становление неклассического естествознания, радикальное изменение научной парадигмы. ( Четвёртая научная революция: мир как система исторически эволюционирующих, нелинейных, самоорганизующихся систем.

Термин "научная революция" - классическое понятие для обозначения периода, охватывающего XVI и XVII века, со времени публикации "Об обращении небесных сфер" Коперника (1543) до выхода в свет "Математических начал натуральной философии" Ньютона (1687). Астрономия Коперника и физическое экспериментирование, с одной стороны, и аналитическая геометрия, дифференциальное и интегральное исчисление - с другой, привели к замене "библии" - мнений Аристотеля и донаучного анимизма - механистическим пониманием законов природы26. Но эпоха научных революций не ограничивается этим периодом. После XVII века происходит ещё несколько переворотов, существенно изменивших облик научного естествознания. Поэтому мы применим термин "научная революция" и к этим событиям.
2.4.1. Первая научная революция (XVII век). Г. Галилей
Основным достижением физических исследований XVII в., подводящим итог развитию опытного естествознания и окончательно сокрушившим аристотелевскую физическую парадигму, явилось завершение создания общей системы механики, которая была в состоянии дать объяснение движению небесных светил на основе явлений, наблюдаемых на Земле.
И в эпоху античности, и в XVII веке признавалась важность изучения движения небесных светил. Но если для древних греков данная проблема имела больше философское значение, то для XVII века, преобладающим был аспект практический. Развитие мореплавания обусловливало необходимость выработки более точных астрономических таблиц для целей навигации по сравнению с теми, которые требовались для астрологических целей. Основной задачей было определение долготы, столь нужной астрономам и мореплавателям. Для решения этой важной практической проблемы и создавались первые государственные обсерватории (в 1672 г. Парижская, в 1675 г. Гринвичская).
По сути своей это была задача определения абсолютного времени, дававшего при сравнении с местным временем интервал, который и можно было перевести в долготу. Определить это время можно было с помощью наблюдения движений Луны среди звезд, то есть часов, "закрепленных на небе", а также с помощью точных часов, поставленных по абсолютному времени и находящихся у наблюдателя. Для первого случая были необходимы очень точные таблицы для предсказания положения небесных светил, а для второго - абсолютно точные и надежные часовые механизмы
На рубеже XVII в. и в его первой половине развертывается деятельность Г. Галилея - одного из основателей современного естествознания Ему принадлежат доказательство вращения Земли, открытие принципа относительности движения и закона инерции, законов падения тел и их движения по наклонной плоскости, законов сложения движений и поведения математического маятника. Он же изобрел телескоп и с его помощью исследовал ландшафт Луны, обнаружил спутники Юпитера, пятна на Солнце и фазы Венеры.
В процессе развития галилеевской механики Ньютон вводит понятие "состояние системы". Первоначально оно было использовано для простейших механических систем. (В дальнейшем понятие состояния обнаружило свою фундаментальную роль и стало применяться в других физических концепциях в качестве одного из основных.) Состояние механической системы в классической механике полностью определяется импульсами и координатами всех тел, образующих данную систему. Если известны координаты и импульсы в данный момент времени, то можно однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени, а также вычислить значения других механических величин - энергии, момента количества движения и т. д.
Для утверждения своей концепции Ньютону было необходимо разрушить старую, аристотелевскую картину мира. Вместо сфер, которые управлялись перводвигателем, он ввел механизм, действующий на основе естественного закона, не требовавшего постоянного использования силы и допускавшего божественное вмешательство лишь для своего создания и приведения в движение. Это был компромисс науки и религии. С представлением, в соответствии с которым для поддержания движения нужна сила, было покончено. Место статистического представления мира заняло динамическое его представление. Уступки религии в вопросе о первотолчке были, однако, связаны не только с социальными причинами, обусловливающими компромисс науки и религии, но и с характером его понимания природы, которую он считал неэволюционирующей, инертной, косной субстанцией.
Поскольку вечные законы природы дают возможность объяснять только повторяемость неизменных, неэволюционирующих тел, то первый толчок был в такой картине мира просто необходим. Ньютон, как и Аристотель, понимали физику как общую теорию природы. Но если Ньютон теорию природы строил на математических и экспериментальных началах, то Аристотель исключал их из сферы познания. Экспериментально-математический метод познания открыл перед физикой и вообще перед естествознанием колоссальные перспективы. Ньютон, заложив основы теоретического фундамента классической физики, открыл путь к ее дальнейшему развитию.
Научная революция XVII века привела к становлению классического естествознания, основные методологические установки которого были выражены следующим образом:
1. Объективность и предметность научного знания объявлялась возможной только при исключении из описания и объяснения всего, что относилось к субъекту и процедурам познания. Это означало возможность проведения как абсолютно "чистого" эксперимента, так и получения абсолютного знания.
2. Как следствие предполагалось возможным определить вытекающие из опыта онтологические принципы и построение истинной картины природы.
3. Процедура объяснения сводилась к поиску механистических причин и субстанций - носителей сил.
4. Механистическая картина природы рассматривалась как тождественная физической картине реальности, которая, в свою очередь, рассматривалась как общенаучная картина мира.
5. Объекты рассматривались как простые механические системы, действующие в соответствии с детерминистическими принципами. Такой подход к изучаемому способствовал возникновению таких категорий как "вещь", "процесс", "часть", "целое", "причинность", "пространство", "время".
2.4.2. Вторая научная революция
(кон. XVIII в.- нач. XIX века). И. Ньютон
С конца XVIII века до начала XIX в. можно констатировать второй революционный процесс в естествознании, который как бы логически завершает окончательное становление классического естествознания. Итогом этой революции становится дисциплинарная организация классической науки. Этот процесс сопровождается следующими фактами:
1. Статичность объяснительных схем классического естествознания разрушается, благодаря эволюционным идеям, пришедшим из области биологии, геологии, палеонтологии.
2. Механистическая картина природы перестаёт приравниваться к общенаучной картине мира.
На основе соотношения разных методов, синтеза знаний, дальнейшей дифференциации научного знания формируются и развиваются разные направления классического естествознания и их стиль мышления.
Результатом развития классической механики явилось создание единой механистической картины мира. В её рамках все качественное многообразие мира объяснялось различиями в движении тел, подчиняющимся законам ньютоновской механики. Согласно механистической картине мира, если физическое явление мира можно было объяснить на основе законов механики, то такое объяснение признавалось научным. Механика Ньютона, таким образом, стала основой механистической картины мира, господствовавшей вплоть до научной революции на рубеже XIX и XX столетий.
Механика Ньютона, в отличие от прежних механических концепций, решала любую задачу, связанную с движением в любой точке пространства при известных фактах, обусловливающих это движение, а также обратную задачу определения величины и направления действия этих факторов в любой точке при известных элементах движения. Благодаря этому механика Ньютона могла использоваться в качестве метода количественного анализа механического движения. Любые физические явления могли изучаться как движение в чисто феноменологическом плане, независимо от вызывающих их факторов. Законы ньютоновской механики связывали силу не с движением, а с изменением движения. Это позволило отказаться от традиционных представлений о том, что для поддержания движения нужна сила, и отвести трению, которое делало силу необходимой в действующих механизмах для поддержания движения, второстепенную роль.
Установив динамический взгляд на мир вместо традиционного статического взгляда, Ньютон свою динамику сделал основой теоретической физики. Хотя Ньютон проявлял осторожность в механических истолкованиях природных явлений, тем не менее, он считал желательным выведение из начал механики остальных явлений природы. Дальнейшее развитие физики стало осуществляться в направлении дальнейшей разработки аппарата механики применительно к решению конкретных задач, по мере решения которых механистическая картина мира укреплялась.
2.4.3. Третья научная революция (кон. XIX в.- сер. XX века)
Третья глобальная научная революция была связана со становлением нового, неклассического естествознания. Она охватывает период с конца XIX до середины XX столетия. В эту эпоху происходит своеобразная цепная реакция революционных перемен в различных областях знания:
* В физике это выразилось в открытии делимости атома, становлении релятивистской и квантовой теорий.
* В космологии были сформированы модели нестационарной эволюционирующей Вселенной.
* В химии возникла квантовая химия, фактически стёршая грань между физикой и химией.
* Одним из главных событий в биологии стало становление генетики.
* Возникли новые научные направления, например, такие как кибернетика и теория систем.
В процессе всех этих революционных преобразований формировались идеалы и нормы новой, неклассической науки. Они характеризовались пониманием относительной истинности теорий и картины природы, выработанной на том или ином этапе развития естествознания. В противовес идеалу единственно истинной теории, "фотографирующей" исследуемые объекты, допускается истинность нескольких отличающихся друг от друга конкретных теоретических описаний одной и той же реальности, поскольку в каждом из них может содержаться момент объективно-истинного знания.
В связи с этим принимаются такие типы объяснения и описания, которые в явном виде содержат ссылки на средства и операции познавательной деятельности. Наиболее ярким образцом такого подхода были идеалы и нормы объяснения, описания и доказательности знаний, утвердившиеся в квантово-релятивистской физике. В классической физике идеал объяснения и описания предполагал характеристику объекта "самого по себе", без указания на средства его исследования. В квантово-релятивистской физике в качестве необходимого условия объективности объяснения и описания выдвигается требование четкой фиксации особенностей средств наблюдения, которые взаимодействуют с объектом.
Новая система познавательных идеалов и норм обеспечивала значительное расширение поля исследуемых объектов, открывая пути к освоению сложных саморегулирующихся систем. В отличие от механических систем такие объекты характеризуются уровневой организацией, наличием относительно автономных и вариабельных подсистем, массовым стохастическим взаимодействием их элементов, существованием управляющего уровня и обратных связей, обеспечивающих целостность системы.
Именно включение таких объектов в процесс научного исследования вызвало резкие перестройки в картинах реальности ведущих областей естествознания. Процессы интеграции этих картин и развитие общенаучной картины мира стали осуществляться на базе представлений о природе как сложной динамической системе. Этому способствовало открытие специфики законов микро-, макро- и мега-мира в физике и космологии, интенсивное исследование механизмов наследственности в тесной связи с изучением надорганизменных уровней организации жизни, обнаружение кибернетикой общих законов управления и обратной связи. Тем самым создавались предпосылки для построения целостной картины природы, в которой прослеживалась иерархическая организованность Вселенной как сложного динамического единства. Картины реальности, вырабатываемые в отдельных науках, на этом этапе еще сохраняли свою самостоятельность, но каждая из них участвовала в формировании представлений, которые затем включались в общенаучную картину мира. Последняя, в свою очередь, рассматривалась не как точный и окончательный портрет природы, а как постоянно уточняемая и развивающаяся система относительно истинного знания о мире.
Все эти радикальные сдвиги в представлениях о мире и процедурах его исследования сопровождались формированием новых философских оснований науки. Идея исторической изменчивости научного знания, относительной истинности вырабатываемых в науке онтологических принципов соединялась с новыми представлениями об активности субъекта познания. Он рассматривался уже не как дистанцированный от изучаемого мира, а как находящийся внутри него, детерминированный им. Возникает понимание того обстоятельства, что ответы природы на наши вопросы определяются не только устройством самой природы, но и способом нашей постановки вопросов, способом, который зависит от исторического развития средств и методов познавательной деятельности. На этой основе вырастало новое понимание категорий истины, объективности, факта, теории, объяснения.
Радикально изменялись и философские основания науки. Развитие квантово-релятивистской физики, биологии и кибернетики было связано с включением новых смыслов в категории части и целого, причинности, случайности и необходимости, вещи, процесса, состояния и т. д. В принципе можно сказать, что эта "категориальная сетка" вводила новый образ объекта, который представал как сложная система. Представления о соотношении части и целого применительно к таким системам включают идеи несводимости состояний целого к сумме состояний его частей. Важную роль при описании динамики системы начинают играть категории случайности, потенциально возможного и действительного.
Причинность не может быть сведена только к ее лапласовской формулировке - возникает понятие "вероятностной причинности", которое расширяет смысл традиционного понимания данной категории. Новым содержанием наполняется категория объекта: он рассматривается уже не как себетождественная вещь (тело), а как процесс, воспроизводящий некоторые устойчивые состояния и изменчивый в ряде других характеристик.
2.4.4. Четвёртая научная революция (кон. XX века)
В современную эпоху мы являемся свидетелями новых радикальных изменений в основаниях науки. Эти изменения можно охарактеризовать как четвертую глобальную научную революцию.
Для этого этапа развития естествознания характерно интенсивное применение научных знаний во всех сферах социальной жизни. Изменяется характер научной деятельности. Он определяется революцией в средствах хранения и получения знаний (компьютеризация науки, появление сложных и дорогостоящих приборных комплексов, которые обслуживают исследовательские коллективы и функционируют аналогично средствам промышленного производства). Наряду с дисциплинарными исследованиями на передний план все более выдвигаются междисциплинарные и проблемно-ориентированные формы исследовательской деятельности.
В междисциплинарных исследованиях наука, как правило, сталкивается с такими сложными системными объектами, которые в отдельных дисциплинах зачастую изучаются лишь фрагментарно, поэтому эффекты их системности могут быть вообще не обнаружены при узкодисциплинарном подходе, а выявляются только при синтезе фундаментальных и прикладных задач в проблемно-ориентированном поиске.
Объектами современных междисциплинарных исследований все чаще становятся уникальные системы, характеризующиеся открытостью и саморазвитием. Такого типа объекты постепенно начинают определять и характер предметных областей фундаментальных наук, детерминируя облик современной, постнеклассической науки.
Исторически развивающиеся системы представляют собой более сложный тип объекта даже по сравнению с саморегулирующимися системами. Последние выступают особым состоянием динамики исторического объекта, своеобразным срезом, устойчивой стадией его эволюции. Сама же историческая эволюция характеризуется переходом от одной относительно устойчивой системы к другой системе с новой уровневой организацией элементов и самоорганизацией. Исторически развивающаяся система формирует с течением времени все новые уровни своей организации, причем возникновение каждого нового уровня оказывает воздействие на ранее сформировавшиеся, меняя связи и композицию их элементов.
Формирование каждого такого уровня сопровождается прохождением системы через состояния неустойчивости (точки бифуркации), и в эти моменты небольшие случайные воздействия могут привести к появлению новых структур. Деятельность с такими системами требует принципиально новых стратегий. Их преобразование уже не может осуществляться только за счет увеличения энергетического и силового воздействия на систему. Простое силовое давление часто приводит к тому, что система просто-напросто "сбивается" к прежним структурам, потенциально заложенным в определенных уровнях ее организации, но при этом может не возникнуть принципиально новых структур.
В естествознании первыми фундаментальными науками, столкнувшимися с необходимостью учитывать особенности исторически развивающихся систем, были биология, астрономия и науки о Земле. В них сформировались картины реальности, включающие идею историзма и представления об уникальных развивающихся объектах (биосфера, Метагалактика, Земля как система взаимодействия геологических, биологических и техногенных процессов). В последние десятилетия на этот путь вступила физика. Представление об исторической эволюции физических объектов постепенно входит в картину физической реальности, с одной стороны, через развитие современной космологии (идея "Большого взрыва" и становления различных видов физических объектов в процессе исторического развития Метагалактики), а с другой - благодаря разработке идей термодинамики неравновесных процессов и синергетики.
Именно идеи эволюции и историзма становятся основой того синтеза картин реальности, вырабатываемых в фундаментальных науках, которые сплавляют их в целостную картину исторического развития природы и человека и делают лишь относительно самостоятельными фрагментами общенаучной картины мира, пронизанной идеями глобального эволюционизма.
Ориентация современной науки на исследование сложных исторически развивающихся систем существенно перестраивает идеалы и нормы исследовательской деятельности. Историчность системного комплексного объекта и вариабельность его поведения предполагают широкое применение особых способов описания и предсказания его состояний. С идеалом строения теории как аксиоматически-дедуктивной системы все больше конкурируют теоретические описания, основанные на применении метода аппроксимации, теоретические схемы, использующие компьютерные программы и т. д.
В естествознание начинает шире внедряться идеал исторической реконструкции, которая выступает особым типом теоретического знания, ранее применявшимся преимущественно в гуманитарных науках (истории, археологии, историческом языкознании). Образцы такого подхода можно обнаружить не только в дисциплинах, традиционно изучающих эволюционные объекты (биология, геология), но и в современной космологии и астрофизике: современные модели, описывающие развитие Метагалактики, могут быть расценены как исторические реконструкции, посредством которых воспроизводятся основные этапы эволюции этого уникального исторически развивающегося объекта.
Изменяются представления и о стратегиях эмпирического исследования. Идеал воспроизводимости эксперимента применительно к развивающимся системам должен пониматься в особом смысле. Если эти системы типологизируются, то есть если можно поэкспериментировать над многими образцами, каждый из которых может быть выделен в качестве одного и того же начального состояния, то эксперимент даст один и тот же результат с учетом вероятностных линий эволюции системы.
Но кроме развивающихся систем, которые образуют определенные классы объектов, существуют еще и уникальные исторически развивающиеся системы. Эксперимент, основанный на энергетическом и силовом взаимодействии с такой системой, в принципе не позволит воспроизводить ее в одном и том же начальном состоянии. Сам акт первичного "приготовления" этого состояния меняет систему, направляя ее в новое русло развития, а необратимость процессов развития не позволяет вновь воссоздать начальное состояние. Поэтому для уникальных развивающихся систем требуется особая стратегия экспериментального исследования. Их эмпирический анализ осуществляется чаще всего методом вычислительного эксперимента на ЭВМ, что позволяет выявить разнообразие возможных структур, которые способна породить система.
Среди исторически развивающихся систем современной науки особое место занимают природные комплексы, в которые включен в качестве компонента сам человек. Примерами таких "человекоразмерных" комплексов могут служить медико-биологические объекты, объекты экологии, включая биосферу в целом (глобальная экология), объекты биотехнологии (в первую очередь генетической инженерии), системы "человек - машина" (включая сложные информационные комплексы и системы искусственного интеллекта). При изучении "человекоразмерных" объектов поиск истины оказывается связанным с определением стратегии и возможных направлений преобразования такого объекта, что непосредственно затрагивает гуманистические ценности. С системами такого типа нельзя свободно экспериментировать. В процессе их исследования и практического освоения особую роль начинает играть знание запретов на некоторые стратегии, потенциально содержащие в себе катастрофические последствия.
В этой связи трансформируется идеал ценностно-нейтрального исследования. Объективно истинное объяснение и описание применительно к "человекоразмерным" объектам не только допускает, но и предполагает включение аксиологических факторов в состав объясняющих положений. Возникает необходимость экспликации (выявления) связей фундаментальных внутринаучных ценностей (поиск истины, рост знаний) с вненаучными ценностями общесоциального характера. В современных программно-ориентированных исследованиях эта экспликация осуществляется при социальной экспертизе программ. Вместе с тем в ходе самой исследовательской деятельности с человекоразмерными объектами исследователю приходится решать ряд проблем этического характера, определяя границы возможного вмешательства в объект. Внутренняя этика науки, стимулирующая поиск истины и ориентацию на приращение нового знания, постоянно соотносится в этих условиях с общегуманистическими принципами и ценностями. Развитие всех этих новых методологических установок и представлений об исследуемых объектах приводит к существенной модернизации философских оснований науки.
Научное познание начинает рассматриваться в контексте социальных условий его бытия и его социальных последствий, как особая часть жизни общества, детерминируемая на каждом этапе своего развития общим состоянием культуры данной исторической эпохи, ее ценностными ориентациями и мировоззренческими установками. Осмысливается историческая изменчивость не только онтологических постулатов, но и самих идеалов и норм познания. Соответственно развивается и обогащается содержание категорий "теория", "метод", "факт", "обоснование", "объяснение".
В онтологической составляющей философских оснований науки начинает доминировать "категориальная матрица", обеспечивающая понимание и познание развивающихся объектов. Возникают новые понимания категорий пространства и времени (учет исторического времени системы, иерархии пространственно-временных форм), категорий возможности и действительности (идея множества потенциально возможных линий развития в точках бифуркации), категории детерминации (предшествующая история определяет избирательное реагирование системы на внешние воздействия).
2.5. Организация современного естествознания
Иерархия естественнонаучных законов: законы эмпирические, фундаментальные и предельно общие законы сохранения. ( Этические принципы науки: нормы исследования и получения научного результата, комплекс этических ценностей науки, проблема свободы исследований. ( Роль междисциплинарных исследований в естествознании: роль синергетики в интенсификации междисциплинарных исследований.

Становление научного естествознания сопровождается рядом преобразований, происходящих в интеллектуальной, этической и организационной сферах. Целью этих, часто стихийных процессов, является создание нормативной базы научного естествознания. Это означает, что создаётся традиция, составленная из писанных и неписанных правил, которых должен придерживаться каждый исследователь. Научное естествознание инновационно по своей сути, но любая инновация, в конечном счете, только следствие существования традиции. Поскольку научное естествознание творится людьми, то её развитие невозможно без применения соответствующих этических принципов.
2.5.1. Иерархия естественнонаучных законов
Количество законов природы, сформулированных в естественных науках к настоящему времени, весьма велико. Они неравнозначны. Наиболее многочисленным является класс эмпирических законов, формулируемых в результате обобщения результатов экспериментальных наблюдений и измерений. Часто эти законы записываются в виде аналитических выражений, носящих достаточно простой, но приближенный характер. Область применимости этих законов оказывается достаточно узкой. При желании увеличить точность или расширить область применимости математические формулы, описывающие такие законы, существенно усложняются.
Примерами эмпирических законов могут служить:
* закон Гука (при небольших деформациях тел возникают силы, примерно пропорциональные величине деформации);
* закон валентности (в большинстве случаев атомы объединяются в химические соединения согласно их валентности, определяемой положением в Периодической таблице элементов);
* некоторые частные законы наследственности (например, сибирские коты с голубыми глазами обычно от рождения глухи).
На ранних этапах развитие естественных наук, в основном, шло по пути накопления подобных законов. Со временем их количество возросло настолько, что возник вопрос о нахождении новых законов, позволяющих описать эмпирические в более сжатой форме.
Ими, прежде всего, стали фундаментальные законы, представляющие собой абстрактные формулировки, непосредственно не являющиеся следствием экспериментов. Обычно фундаментальные законы "угадываются", а не выводятся из законов эмпирических. Количество таких законов ограничено (например, классическая механика содержит в себе лишь четыре фундаментальных закона: законы Ньютона и закон Всемирного тяготения). Многочисленные эмпирические законы являются следствиями (иногда вовсе не очевидными) фундаментальных законов. Критерием истинности последних является соответствие конкретных следствий экспериментальным наблюдениям.
Все известные на сегодняшний день фундаментальные законы описываются достаточно простыми и изящными математическими выражениями, "не ухудшающимися" при уточнениях. Несмотря на кажущийся абсолютный характер, область применимости фундаментальных законов так же ограничена. Эта ограниченность не связана с математическими неточностями, а имеет более фундаментальный характер: при выходе из области применимости фундаментального закона начинают терять смысл сами понятия, используемые в формулировках (так для микрообъектов оказывается невозможным строгое определение понятий ускорения и силы, что ограничивает применимость законов Ньютона).
Ограниченность применимости фундаментальных законов, естественно, ставит вопрос о существовании предельно общих законов. Таковыми являются законы сохранения. Имеющийся опыт развития естествознания показывает, что законы сохранения не теряют своего смысла при замене одной системы фундаментальных законов другой. Это свойство теперь используется как эвристический принцип, позволяющий априорно отбирать "жизнеспособные" фундаментальные законы при построении новых теорий. В большинстве случаев законы сохранения не способны дать столь полного описания явлений, какое дают фундаментальные законы, а лишь накладывают определенные запреты на реализацию тех или иных состояний при эволюции системы.
Ответ на естественный вопрос почему справедливы законы сохранения в физике, был найден сравнительно недавно. Оказалось, что законы сохранения связаны с симметрией системы и возникают в системах при наличии у них определенных элементов симметрии. Элементом симметрии системы называется любое преобразование, переводящие систему в себя, то есть не изменяющее ее. Например, элементом симметрии квадрата является поворот на прямой угол вокруг оси, проходящей через его центр - "ось вращения четвертого порядка".
Глобальные законы сохранения связаны с существованием таких преобразований, которые оставляют неизменными любую систему. К ним относятся:
1. Закон сохранения энергии, являющийся следствием симметрии относительно сдвига во времени (однородности времени).
2. Закон сохранения импульса, являющийся следствием симметрии относительно параллельного переноса в пространстве (однородности пространства).
3. Закон сохранения момента импульса, являющийся следствием симметрии относительно поворотов в пространстве (изотропности пространства).
4. Закон сохранения заряда, являющийся следствием симметрии относительно замены описывающих систему комплексных параметров на их комплексно сопряженные значения.
5. Закон сохранения четности, являющийся следствием симметрии относительно операции инверсии ("отражения в зеркале", меняющего "право" на "лево").
6. Закон сохранения энтропии, являющийся следствием симметрии относительно обращения времени.
2.5.2. Этические принципы науки27
Получаемое ученым знание о мире изначально, внутренне ориентировано на то, чтобы быть воспринятым другими. При этом уже не существенно, насколько осознается такая ориентированность самим ученым, - ему не надо специально ставить перед собой такую цель, по крайней мере, до тех пор, пока он занят собственно исследованием, а не изложением полученных результатов.
Такие свойства научного знания порождаются тем, что сам процесс его получения регулируется методологическими нормами, которые каждый ученый не должен придумывать для себя заново, а может усваивать в ходе своей профессиональной подготовки. Если познание регулируется нормами, пусть даже нормами познавательными и методологическими, то следование им или пренебрежение ими выступает и как акт морального выбора, предполагающий ответственность ученого перед своими коллегами и перед научным сообществом, то есть его профессиональную ответственность.
Широко известно, например, изречение Аристотеля: "Платон мне друг, но истина дороже". Смысл его в том, что в стремлении к истине ученый не должен считаться ни со своими симпатиями и антипатиями, ни с какими бы то ни было иными привходящими обстоятельствами. В повседневной научной деятельности, однако, чаще всего бывает невозможно сразу же оценить полученное знание как истину либо заблуждение. Поэтому и нормы научной этики не требуют, чтобы результат каждого исследования непременно был истинным знанием. Они требуют лишь, чтобы этот результат был новым знанием и, притом, так или иначе, логически либо экспериментально обоснованным. Ответственность за соотношение такого рода требований лежит на самом ученом, и он не может переадресовать её никому другому. Невозможность сразу же однозначно оценить результат исследования обусловливает характерную взаимозависимость между членами научного сообщества. С одной стороны, коллеги должны исходить из того, что сообщаемый результат получен в ходе добросовестно проведенного исследования, то есть с соблюдением надлежащих технических норм экспериментирования и методологических норм.
Разумеется, в тех случаях, когда нарушение этих норм очевидно, результат попросту не будет заслуживать серьезного отношения. Нередко, однако, проверка требует как минимум повторения исследования, что немыслимо применительно к каждому результату. С этой точки зрения становится ясной контролирующая функция таких элементов научной статьи, как описание методики эксперимента или теоретико-методологическое обоснование исследования. Подготовленному специалисту этих сведений обычно бывает достаточно для того, чтобы судить о том, насколько серьезна статья. С другой стороны, и сам исследователь, адресуясь к коллегам, вправе претендовать на их беспристрастное и объективное мнение по поводу сообщаемого им результата.
Таким образом, эта взаимозависимость важна с точки зрения устойчивого воспроизводства научной деятельности и социального института науки. Она выступает в качестве такого механизма саморегуляции и самоорганизации научной деятельности, которая в широких пределах основывается на взаимном доверии ее участников.
Очевидно, что проблемы этики науки перекрещиваются с проблемами методологии науки. Одна из задач методологии - анализ и обоснование методов и процедур, применяемых в научной деятельности, а также выявление тех далеко не очевидных, предпосылок, которые лежат в основе той или иной теории, того или иного научного направления. В этой связи методологию интересуют и нормы научной деятельности, такие, как исторически изменяющиеся стандарты доказательности и обоснованности знания, образцы и идеалы, на которые ориентируются ученые.
Нормы научной этики редко формулируются в виде специфических перечней и кодексов. Однако известны попытки выявления, описания и анализа этих норм.
Наиболее популярна в этом отношении концепция Р. Мертона, представленная в работе "Нормативная структура науки" (1942 г.). В ней Р. Мертон дает описание этоса науки, который понимается им как комплекс ценностей и норм, воспроизводящихся от поколения к поколению ученых и являющихся обязательными для человека науки. С точки зрения Р. Мертона, нормы науки строятся вокруг четырех основополагающих ценностей.
1. Первая из них - универсализм, убеждение в том, что изучаемые наукой природные явления повсюду протекают одинаково и что истинность научных утверждений должна оцениваться независимо от возраста, пола, расы, авторитета, титулов и званий тех, кто их формулирует. Наука, стало быть, внутренне демократична.
2. Вторая ценность - общность, смысл которой в том, что научное знание должно свободно становится общим достоянием. Тот, кто его впервые получил, не вправе монопольно владеть им, хотя он и имеет право претендовать на достойную оценку коллегами собственного вклада.
3. Третья ценность - незаинтересованность. Первичным стимулом деятельности ученого является бескорыстный поиск истины, свободный от соображений личной выгоды - завоевания славы, получения денежного вознаграждения.
4. Четвертая ценность - конструктивный скептицизм. Каждый ученый несет ответственность за оценку доброкачественности того, что сделано его коллегами, и за то, чтобы эта оценка стала достоянием гласности. Равно необходимы как уважение к тому, что сделали предшественники, так и критическое - скептическое - отношение к их результатам. Более того, ученый должен не только настойчиво отстаивать свои научные убеждения, используя все доступные ему средства логической и эмпирической аргументации, но и иметь мужество отказаться от этих убеждений, коль скоро будет обнаружена их ошибочность.
Предпринятый Р. Мертоном анализ ценностей и норм науки неоднократно подвергался критике, не всегда, впрочем, обоснованной. Отмечалась, в частности, абстрактность предложенных Р. Мертоном ценностей, и то, что в своей реальной деятельности ученые нередко нарушают их, не подвергаясь при этом осуждению со стороны коллег. И, тем не менее, наличие норм и ценностей (пусть не именно этих, но в чем-то сходных с ними по смыслу и по способу действия) очень важно для самоорганизации научного сообщества.
Важнейшей проблемой этики и методологии в современной науке является вопрос о свободе исследования. Хорошо известно, что современные фундаментальные исследования требуют совместного труда больших научных коллективов и сопряжены со значительными материальными затратами. Уже одно это - хотим мы того или не хотим, - накладывает неизбежные ограничения на свободу исследования.
Но не менее существенно и то, что нынешняя наука - вполне сформировавшийся и достаточно зрелый социальный институт, оказывающий серьезное воздействие на жизнь общества. Поэтому идея неограниченной свободы исследования, некогда бывшая прогрессивной, ныне уже не может приниматься безоговорочно, без учета той социальной ответственности, с которой должна быть неразрывно связана эта свобода.
Например, вопрос о свободе исследований, о том, как она должна пониматься, был одним из центральных в ходе дискуссий вокруг экспериментов с рекомбинантной ДНК. Высказывались самые разные точки зрения. Наряду с защитой абсолютно ничем не ограничиваемой свободы исследований была представлена и диаметрально противоположная точка зрения - предлагалось регулировать науку так же, как регулируются железные дороги.
Между этими крайними позициями находится широкий диапазон мнений о возможности и желательности регулирования исследований, о том, кому должно принадлежать здесь решающее слово - самому исследователю, научному сообществу или обществу в целом.
Так, на взгляд американского биолога Р. Синшеймера, ныне существуют такие области исследований, которые обладают "сомнительными достоинствами", так что их вообще лучше было бы не развивать с точки зрения будущего человечества. К их числу Р. Синшеймер относит:
1. работы по лазерному разделению изотопов, способные сделать ядерное оружие легкодоступным для террористов;
2. попытки установить контакты с внеземными цивилизациями, поскольку контакт с более развитой цивилизацией, чем земная, может оказать разрушительное воздействие на наши системы ценностей;
3. исследования в области геронтологии, результатом которых может стать значительное постарение населения и вообще перенаселенность нашей планеты.
По мнению Р. Синшеймера, развитие науки до сих пор опиралось на скрытую предпосылку - веру в то, что природа достаточно эластична по отношению к нашим попыткам ее исследования и анатомирования, что мы не сможем разрушить некоторые ключевые элементы защищающей нас среды, нашу экологическую нишу. Ныне, считает он, эта предпосылка должна быть поставлена под сомнение и пересмотрена.
Многими, однако, точка зрения Р. Синшеймера встречается критически. Отмечается, например, что запрет исследований в названных им трех областях заставил бы отказаться от проведения чрезвычайно большого количества исследований, так или иначе связанных с ними.
Таким образом, вопрос о свободе исследований и о тех обязательствах, которые в этой связи налагаются на ученых - это вопрос, который далек от окончательного решения, и в настоящее время здесь едва ли уместны какие-либо категорические заключения.
Сегодня следует признать, что в науке действует немало внутренних и внешних ограничений, многие из которых неизбежны и, более того, существенны для ее развития.
Например, считается само собой разумеющимся, что
* количественные результаты, там, где их можно получить, предпочтительнее качественных;
* операциональные определения предпочтительнее определений метафизических;
* важные эксперименты требуют повторения;
* следует искать связи теории с практикой и т. д.
Существует немало и внешних ограничений, которые принимаются учеными как нечто вполне естественное, - например, те ограничения, которые связаны с экспериментированием на людях. Все это показывает, что само существование и развитие науки сегодня попросту невозможно без тех или иных форм и норм регулирования исследований и вообще научной деятельности.
2.5.3. Роль междисциплинарных исследований
в естествознании
Междисциплинарные научные исследования вызваны необходимостью интегрировать многообразные взгляды и перспективы, чтобы, связав их в единое целое, понять систему. Целесообразность такого подхода уже доказана на примере ряда научных дисциплин - биофизики, биотехнологии, биоинженерии, кибернетики, эргономики и т. д. Осуществление таких исследований в указанных областях становится сейчас жизненно важным делом для многих стран. Расширяется круг отраслей, предполагающих междисциплинарный подход. Их можно классифицировать следующим образом:
1. Традиционные (давно установившиеся) научные отрасли, например, медицина, биофизика, эргономика.
2. Дисциплины, находящиеся в состоянии развития и вызывающие в наши дни особое внимание и интерес (охрана среды, экология, социальная защита, проблемы мегаполисов, прогнозирование и т. д.).
3. Совсем новые области науки, её "передний край": биотехнология, биоинженерия, бионика, синергетика, искусственный интеллект и т. д28.
Необходимость и значимость междисциплинарных исследований, естественно, ставит вопрос о методологии или даже "технологии" организации этих исследований. Существуют достаточно веские основания полагать, что синергетика может служить основой для междисциплинарного синтеза знания. Синергетика междисциплинарна по своей собственной природе, поскольку она ориентирована на поиск универсальных паттернов* эволюции и самоорганизации открытых нелинейных систем любого рода, независимо от конкретной природы их элементов или подсистем. Понятия самоорганизации, хаоса и порядка, нелинейности начинают широко использоваться как в естественных, так и в гуманитарных науках. В настоящее время теория самоорганизации активно разрабатывается в различных странах в ряде научных школ (И. Пригожин, Г. Хакен, Ф. Варела, Э. Ласло, К. Майнцер, Б. Мандельброт, Э. Моран и др.).
Синергетика является одной из современных исследовательских программ, программой междисциплинарных, или трансдисциплинарных*, исследований. Судя по всему, именно эта область знания инициирует глубокие изменения в методологических основаниях современной науки, в философском взгляде на мир, в самом стиле научного мышления. Сегодня формируется некий новый нетрадиционный взгляд на мир - синергетическое видение мира.
В связи с интенсивным развитием синергетики происходит радикальная смена парадигмы*, "переключение гештальта*", изменения во всей концептуальной сетке мышления. Происходит переход от категорий бытия к со-бытию, от существования к сосуществованию в сложных эволюционирующих структурах; от представлений о стабильности и устойчивом развитии к представлениям о нестабильности и метастабильности, оберегаемом и самоподдерживаемом развитии. Происходит переход от образов порядка к образам хаоса, генерирующего новые упорядоченные структуры; от самоподдерживающихся систем к быстрой эволюции через нелинейную положительную обратную связь; от эволюции к коэволюции*, взаимосвязанной эволюции сложных систем; от независимости и обособленности к связности, когерентности* автономного; от размерности к соразмерности, фрактальному самоподобию образований и структур мира.
Разумеется, речь идет не об исчезновении прежних категорий, а о смещении фокуса внимания. В новой - синергетической - картине мира акцент падает на становление, коэволюцию, когерентность, кооперативность элементов мира. Синергетика как новая парадигма, таким образом, вызывает изменения в профессиональных эпистемологических средствах (способах постановки проблем и научного исследования), в концептуальном арсенале, в используемых моделях, в целях и установках научного поиска. Синергетика может служить основанием для принятия эффективных решений в условиях нестабильности, нелинейности и открытости будущего.
Благодаря своему междисциплинарному характеру, теория самоорганизации (синергетика) может рассматриваться также как исходное основание кросс*-дисциплинарной, кросс-профессиональной и кросс-культурной коммуникации. Обладание синергетическим знанием или, по крайней мере, синергетическим стилем мышления может быть некой платформой для открытого творческого диалога между учеными, мыслителями, деятелями искусства, имеющими различные творческие установки и взгляды на мир.

ГЛАВА 3. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ Концепции ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
3.1. Термодинамика
Роль тепловых явлений в природе (движение, излучение, расширение). ( Вещественная теория теплоты: теплород. ( Корпускулярная теория теплоты: теплота - вид внутреннего движения частиц тела. ( Теплота есть форма и способ передачи энергии (Р. Клаузиус, Л. Больцман). ( Термодинамика - наука о тепловых явлениях в макросистемах. ( Законы термодинамики.

Современные представления об универсальности термодинамических свойств макросистем* определяются фундаментальностью наших представлений об энергии. Хотя, говоря об энергии, мы в состоянии только констатировать её присутствие во всех процессах, как чего-то неизменного, составляющего конечное основание, тем не менее, нам доступно понимание многообразия форм существования и передачи энергии, связанной с разнообразием форм движения. Одним из наиболее универсальных форм передачи энергии является тепловая форма, которая, в конечном счете, связывает через законы термодинамики в единую сеть всё многообразие поведения самых различных макросистем, выводя их на один общий уровень, характеризуемый термодинамическими свойствами макросистем.
3.1.1. Роль тепловых явлений в природе
Теплота не вещество, а средство или способ. Сегодня мы знаем, что никакого материального объекта, называемого теплотой, вообще не существует. Мы не можем "перелить" теплоту в сосуд или "перелить" её из одного куска металла в другой. Термин "теплота" характеризует способ передачи энергии. Теплота есть количество энергии, получаемой или отдаваемой системой при теплообмене (при неизменных внешних параметрах системы). Наряду с работой количество теплоты является мерой изменения внутренней энергии системы. При теплообмене внутренняя энергия системы меняется в результате прямых взаимодействий молекул системы с молекулами окружающих тел. Сообщить какому-то телу количество теплоты, то есть нагреть его, означает передать ему энергию строго определённым образом (используя разность температур между более и менее нагретыми телами). Охладить объект - это значит произвести действие обратное нагреванию, то есть отвести от него энергию, используя разность температур между охлаждаемым и более холодными телами. Теплота не одна из форм энергии, а название одного из способов передачи энергии29.
Тепловые процессы в природе универсальны и проявляют себя через движение, излучение, расширение.
Тепловое движение представляет собой беспорядочное движение микрочастиц, из которых состоят все тела. Это особая форма движения, качественно отличная от обычного механического движения, при котором все части тела движутся упорядоченно. Наиболее убедительным экспериментальным доказательством теплового движения служит броуновское движение. Кинетическая* энергия теплового движения прямо пропорциональна абсолютной температуре30.
Тепловое излучение является электромагнитным излучением, испускаемым веществом и возникающим за счёт его внутренней энергии. Тепловое излучение имеет сплошной спектр*, положение максимума которого зависит от степени нагретости вещества, то есть от температуры. С её повышением - максимум спектра излучения перемещается в область коротких длин волн. Тепловое излучение возникает в условиях детального равновесия в веществе для всех безызлучательных процессов. Это означает, что любой микроскопический процесс в равновесной системе протекает с той же скоростью, что и обратный ему. В равновесной системе микрочастицы меняют своё состояние (столкновение частиц, химические реакции). Чтобы равновесие сохранялось, наряду с таким микропроцессом должен осуществляться и обратный ему (обратимый процесс).
Обратимый процесс в термодинамике, - это процесс, который возможно осуществить в обратном направлении, последовательно повторяя в обратном порядке все промежуточные состояния прямого процесса. Обратимым процессом может быть только равновесный процесс. Реальные процессы, строго говоря, являются необратимыми. Принцип детального равновесия связывает характеристики прямого и обратного процессов. В общем случае системы тел различные точки которой имеют различные температуры тепловое излучение не находится в равновесии с веществом. Горячие тела испускают больше чем поглощают, а холодные - наоборот. Происходит перенос излучения от более горячих тел к более холодным.
Для поддержания стационарного состояния, при котором сохраняется распределение температуры в системе, необходим подвод теплоты к более горячим телам и отвод от более холодных. При полном термодинамическом равновесии все части системы тел имеют одну температуру и энергия теплового излучения, испускаемого каждым телом, компенсируется энергией поглощаемого этим телом излучения других тел. В этом случае тепловое излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом и называется равновесным излучением.
Тепловое расширение связано с изменением размеров тела в процессе его нагревания. У газов оно обусловлено увеличением кинетической энергии частиц газа при его нагреве и совершением за счёт этой энергии работы против внешнего давления. У твёрдых тел и жидкостей тепловое расширение связано с несимметричностью тепловых колебаний атомов, благодаря чему межатомные расстояния с ростом температуры увеличиваются31.
3.1.2. Вещественная теория теплоты.
В XVIII веке Д. Блейк провёл четкую грань между количеством тепла и температурой. Он определил то, что мы теперь называем "удельной теплоёмкостью", и построил теорию теплоты как некой жидкости, которая без потерь может перетекать из горячих тел в холодные. Эта "жидкость" вскоре была названа флогистоном или "теплородом".
Д. Блейк, изучая природу теплоты, установил, что различные виды вещества одним и тем же количеством теплоты нагреваются в разной степени. Это позволило ему выявить теплоемкость различных веществ, то есть определить количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на один градус по Цельсию или Кельвину. Он установил, что при таянии льда и снега в течение определенного времени они поглощают тепло, не становясь при этом теплее. Это позволило ему обнаружить скрытое (латентное) состояние теплоты. Блейк понимал теплоту как некую материальную субстанцию ("субстанцию теплоты").
А. Лавуазье назвал ее теплородом. Попытки взвесить ее оказались неудачными, поэтому теплоту стали рассматривать как особого рода невесомую неуничтожаемую жидкость, способную перетекать от нагретых тел к холодным. Лавуазье считал, что подобная концепция была в полном соответствии с его идеей получения теплоты с помощью химических соединений. Увлечение этой концепцией оказалось столь велико, что кинетическая теория теплоты, в рамках которой теплота представлялась как определенный вид движения частиц, отступила на второй план, несмотря на то, что ее разделяли Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов.
Почему же концепция теплорода все-таки утвердилась? Для физического мышления XVIII века было характерно оперирование различными субстанциями - электрическими, магнитными, световыми, тепловыми. Свет, электричество, магнетизм, теплоту научились измерять. Это позволило уподобить невесомые феномены обычным массам и жидкостям, что способствовало развитию эксперимента и накоплению необходимых фактов. Иначе говоря, концепция невесомых жидкостей оказалась необходимым этапом в развитии физических концепций.
Нагревание тел означало наполнение пространства между атомами теплородом и увеличение его давления. Например, считалось, что между атомами воды, обладающей большой теплоёмкостью имеется много свободного места, а в свинце с его малой теплоёмкостью места для теплорода мало. Чтобы нагреть свинец нужно мало теплорода. Считалось, что теплород невесом, обладает наибольшей по сравнению с другими веществами упругостью, способностью проникать в мельчайшие поры тел и расширять их.
К 1800 г. теория теплорода казалась хорошо экспериментально обоснованной. Она позволяла легко разбираться в нагревании, охлаждении, плавлении, испарении. Но в XIX веке был открыт закон сохранения энергии. Была доказана эквивалентность количества теплоты и работы. Поэтому стало понятно, что теплота не вещество, именуемое теплородом, а форма энергии.
3.1.3. Корпускулярная теория теплоты
С 1840 г. теория теплорода подверглась ожесточённым нападкам. Появилось убеждение, что теплоту можно создавать за счёт механической энергии, хотя само понятие энергии было крайне неопределённым. В 40 годах Ю. Р. Майер, Д. Джоуль, Г. Гельмгольц независимо открыли закон сохранения и превращения энергии - основной закон теории тепловых явлений, известный как первое начало термодинамики. Исследования С. Карно, Р. Клаузиуса, У. Томсона привели к формированию представления о необратимости тепловых процессов в природе, так называемому второму началу термодинамики (закону энтропии).
В итоге в 1-й пол. XIX в. в связи с развитием теории тепловых машин (С. Карно) и установлением закона сохранения энергии возникла термодинамика: раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. (Неравновесные процессы изучает термодинамика неравновесных процессов.). Основные этапы развития термодинамики связаны с именами Р. Клаузиуса и У. Томсона (формулировка второго начала термодинамики), Дж. Гиббса (метод термодинамических потенциалов), В. Нернста (третье начало термодинамики). Различают химическую термодинамику, техническую термодинамику и термодинамику различных физических явлений.
Термодинамика рассматривает явления, обусловленные совокупным действием огромного числа непрерывно движущихся молекул* и других частиц, из которых состоят окружающие нас тела. Благодаря огромному количеству этих частиц беспорядочное их движение приводит к независимости макроскопических свойств от начального положения этих частиц. Термодинамика изучает тепловую форму движения материи, закономерности которого проявляются не только в атомно-молекулярных совокупностях, но и в таких системах, как электромагнитное излучение. Термодинамика изучает свойства равновесных физических систем, исходя из трех основных законов, называемых законами (началами) термодинамики, и не использует явно информации о молекулярном строении вещества.
Необходимость иметь дело с очень большими совокупностями частиц ставит вопрос об их количественной оценке. Оценить число частиц в них можно с помощью числа Авогадро, равного 6·1023,именно такое число атомов содержится в 12 г. углерода. Кажется странным, что наука научилась описывать свойства столь огромных систем, прежде чем смогла объяснить поведение отдельных атомов. Причина этого кроется в самой основе термодинамики: термодинамические свойства системы - это средние значения, соответствующие очень большим совокупностям частиц. С такими усреднёнными свойствами больших совокупностей частиц проще иметь дело, чем с отдельными частицами.
Энергия термодинамической системы равна сумме кинетических и потенциальных* энергий всех частиц. Отсюда ясно, что полная энергия сохраняется. Существует два вида движений частиц в сложных системах: движение может быть упорядоченным как, например, в летящем мяче, когда все частицы движутся "в ногу", или неупорядоченным, когда все частицы движутся хаотически. В термодинамике мы имеем дело с такими изменениями состояния, которые вызываются очень "мягкими" тепловыми воздействиями. Как правило, энергия, сообщаемая системе при нагревании, недостаточна для расщепления атома. Именно по этой причине термодинамика стала одной из первых областей научного исследования.
3.1.4. Законы термодинамики
Первое начало обычно кратко формулируется так: "Энергия сохраняется". Сохранение энергии, а не теплоты стало основным открытием 50 годов XIX века, совершённым во многом благодаря Кельвину (У Томсону) и Р. Клаузиусу. Оно пришло на смену понятию "силы". Можно принять, что энергия - это способность совершать работу.
Второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии*, то есть однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов. Это означает, что, хотя полное количество энергии должно сохраняться в любом процессе, распределение имеющейся энергии изменяется необратимым образом.
Раскроем смысл второго начала термодинамики, или так называемого закона энтропии. Любой пример, связанный с превращением энергии упорядоченного движения (электрических зарядов, кинетической энергии движения молота или автомобиля и т. д.) в тепло, то есть в энергию беспорядочного движения частиц вещества будет во всех случаях иметь дело с необратимыми процессами. Никто еще не видел, чтобы электрическая печь вдруг начала передавать в электросеть свою энергию, охлаждаясь при этом; охлаждая тормоза автомобиля, мы не приведем его в движение и т. д. Все это подтверждает, что очень легко создать беспорядок и очень трудно (или, во всяком случае, требует определенных затрат) создать порядок.
Энтропия, по существу, представляет собой меру этого беспорядка, и, следовательно, при необратимых процессах она всегда растет. При перемешивании горячей воды и холодной ее температура усредняется. Вся энергия распределяется равномерно между молекулами воды. При этом энтропия увеличивается, и мы получаем энергию, более равномерно распределенную и в форме, менее удобной для использования. То есть недостаточно иметь энергию, нужно, чтобы она была в форме, удобной для использования, и, следовательно, не "беспорядочная". Вода в море обладает огромными запасами энергии, которая, однако, соответствует беспорядочному движению и которую поэтому очень трудно использовать.
Существует способ обойти это непрерывное увеличение энтропии, и на нем основана почти вся наша современная техника. Второе начало термодинамики устанавливает общее возрастание энтропии, но вовсе не исключает ее локального уменьшения при еще большем увеличении в другом месте. В тепловой электростанции сжигается топливо и производится теплота, которая превращается затем в электрическую энергию, в высшей степени упорядоченную. На самом деле только третья или четвертая часть энергии горения превращается в электричество, в то время как остальная энергия по обыкновению идет на разогрев воды какой-нибудь реки.
Таким же образом в автомобильном двигателе внутреннего сгорания часть энергии бензина превращается в энергию движения, но гораздо больше ее рассеивается в окружающую среду через радиатор. Итак, общий беспорядок всегда усиливается. Достаточно оглядеться, чтобы понять, насколько активно человек занимается увеличением энтропии. Почти вся наша деятельность приводит к превращению энергии в формы, все менее приспособленные для использования, и к распределению все более низкой температуры среди возрастающего количества атомов.
Третье начало термодинамики характеризует свойства вещества при очень низких температурах. Оно утверждает невозможность охлаждения вещества до температуры абсолютного нуля. Это начало очевидным образом предполагает атомное строение вещества.
3.2. Молекулярно-кинетическая теория
(статистическая механика)
Основные положения молекулярно-кинетических представлений: хаотичное движение молекул, эмпирически подтверждаемое диффузией, броуновским движением, явлениями упругости и агрегатных состояний вещества. (. Дискретность вещества. (. Роль химии в исследовании вещества. Периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева ( Закон сохранения энергии: полная энергия тела, закон сохранения массы вещества, закон сохранения полной массы системы.

Динамические законы (например, законы термодинамики) представляют собой первый, низший этап в процессе познания окружающего нас мира; статистические законы обеспечивают более совершенное отображение объективных связей в природе: они выражают следующий, более высокий этап познания.
Статистическая механика исходит из микроскопической заданности систем тел, заданности, которая складывается из двух моментов:
1. Фиксация термодинамических параметров системы, определяющих её макросостояние.
2. Задание свойств системы на атомистическом уровне.
Считается, что на атомистическом уровне известны все микроскопические характеристики системы, то есть массы и строение молекул, заряды и спины частиц, потенциалы взаимодействия их с внешним миром и друг с другом.
Статистическая механика при рассмотрении свойств термодинамических систем с самого начала опирается на молекулярное представление о строении физических систем, широко применяя методы теории вероятностей*.
3.2.1. Основные положения молекулярно-кинетических представлений
Первый этап развития молекулярно-кинетической теории связан с исследованием наиболее простой среды - газа. Д. Джоуль, Р. Клаузиус и др. вычислили средние значения скорости молекул, числа их столкновений в секунду, длины свободного пробега. Была получена зависимость давления газа от числа молекул в единице объёма. Температура стала рассматриваться как мера средней кинетической энергии молекул.
Второй этап связан с работами Дж. К. Максвелла. В 1859 г. он впервые ввёл понятие вероятности и сформулировал закон распределения молекул по скоростям, что привело к созданию статистической механики. Чрезвычайно велика роль Максвелла в разработке и становлении молекулярно-кинетической теории (современное название - статистическая механика). Максвелл первым высказал утверждение о статистическом характере законов природы. В 1866 им был открыт первый статистический закон распределения молекул по скоростям (Максвелла распределение). Кроме того, он рассчитал значения вязкости газов в зависимости от скоростей и длины свободного пробега молекул, вывел ряд соотношений термодинамики.
На основе этих исследований Людвиг Больцман построил кинетическую теорию газов и дал статистическое обоснование законов термодинамики. Ему удалось согласовать обратимое во времени движение отдельных молекул с необратимым характером макроскопических процессов. Термодинамическому равновесию системы соответствует максимум вероятности данного состояния. Необратимость процессов связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию.
Обобщим, основные положения молекулярно-кинетической теории:
1. Все тела состоят из молекул.
2. Молекулы находятся в непрерывном тепловом (хаотическом) движении.
3. Между молекулами существуют силы притяжения и отталкивания.
Опытными подтверждениями этих положений служат такие явления как:
* Диффузия, которая представляет собой процесс проникновения молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества под действием теплового движения.
* Броуновское движение, представляющее хаотическое движение макроскопических частиц, взвешенных в газе или жидкости под действием тепловых ударов молекул жидкости или газа.
* Различные явления упругости и агрегатных состояний вещества.
3.2.2. Дискретность вещества
Вещество дискретно, то есть состоит из огромного количества мельчайших частиц. Таково общепринятое ныне следствие атомистического учения, возникшего ещё в античности, одним из современных аналогов которого является молекулярная теория. Она даёт ответ на вопрос о том, что происходит внутри тел, когда они плавятся, испаряются, меняется их температура и т. д. Молекула - общее название мельчайших частиц вещества, сохраняющих свои химические свойства. Молекулы отличаются друг от друга. Например, у паров металла и инертных газов они представляют собой отдельные атомы, у водорода, кислорода состоят из двух атомов и т. д. Молекулы сложных веществ состоят из различных атомов элементов, входящих в их состав.
Можно ли увидеть молекулу? Мы реагируем на свет, который представляет собой волны с очень малой длиной: несколько тысяч ангстрем (1 ангстрем "1А" равен 10-8см). Они и создают видимое изображение. Например, с помощью сильного микроскопа можно увидеть бактерии размером от 10000 до 1000 ангстрем. Далее непосредственное зрительное восприятие обрывается - его ограничивает длина волны видимого света. Волны могут сделать видимыми препятствия, которые по своим размерам больше или порядка их длины. Длины световых волн, то есть воспринимаемого нашим глазом электромагнитного излучения, лежат в пределах от 7000А для красного до 4000А - для фиолетового. Попытки преодолеть это препятствие в области коротковолнового ультрафиолета с помощью фотоплёнки вместо глаза не привели к успеху, так как волны поглощались. Рентгеновские лучи тоже оказались недостаточно короткими, чтобы высветить структуру молекулы. Они проходят через вещество, но плохо фокусируются и дают размытую теневую картину. В лучшем случае они выявляют расположение атомов и расстояние между слоями в кристаллах.
Но изобретение электронного микроскопа позволило получать на фотоплёнке сильно увеличенное изображение молекул. В нём вместо света через исследуемый тонкий образец проходит пучок электронов, который затем фокусируется электрическими и магнитными полями. Длины электронных волн настолько меньше световых, что позволяют различать даже форму молекул. Конечно, надо помнить, что, в конечном счете, мы можем видеть только их увеличенное изображение, но не сами молекулы. Молекулы оказались состоящими из ещё более мелких частиц - атомов. В свою очередь атомы оказались сложными системами, состоящими из электронов и ядер, а сами ядра - состоящими из различных частиц.
3.2.3. Химия. Периодическая таблица химических
элементов Д. И. Менделеева32
Вещества и их взаимные превращения являются предметом изучения химии. Химия - это наука о веществах и законах, которым подчиняются их превращения. Слово "химия" получило широкое распространение с начала XVIII века. На многих языках оно имеет сходное звучание: chemistry ('кемистри) - на английском, сhemie (хе'ми) - на немецком. Корни "хем" или "хим" содержатся в соответствующих терминах и на многих других языках. Однако до сих пор не удалось установить, когда возникло слово "химия" и какой смысл в него первоначально вкладывался. Многие исследователи склоняются к тому, что это слово происходит от "Кеми" - "Черная страна". Так в древней Греции называли Египет, где зародилось "священное искусство химии". Это же слово относилось к цвету почвы в долине Нила. Смысл такого названия - "египетская наука". Однако в древнегреческом языке были другие близкие по звучанию слова. "Химос" или "хюмос" означало "сок"; это понятие встречается в рукописях, содержащих сведения по медицине и способам приготовления лекарств. "Хима" или "хюма" переводится как литье и относится к искусству выплавки металлов. "Хемевсис" означает "смешивание", являющееся важнейшей операцией большинства химических процессов. Термин "химия" в смысле "настаивание", "наливание" первым употребил греческий философ и естествоиспытатель Зосима Панополитанский на рубеже IV и V веков.
Современная химия - это фундаментальная система знаний, основанная на богатом экспериментальном материале и теоретических положениях. Химия занимает особое место среди естественных наук. На сегодняшний день известно более 20 миллионов химических веществ. Часть из них встречается в природе. Однако большинство химических веществ ранее вообще не существовало. Они были получены человеком в химических лабораториях. В этом состоит уникальность химии: она не довольствуется тем, что дано природой, а постоянно создает для себя все новые и новые объекты исследований.
Каждое из химических веществ имеет свое внутреннее строение и может претерпевать разнообразные превращения, то есть вступать в химические реакции. Эти два аспекта взаимосвязаны. Внутреннее строение определяет химические свойства, а по химическим свойствам можно судить о строении вещества. В то же время невозможно одновременно исследовать и строение и химические свойства вещества, поскольку в ходе химической реакции структура вещества неизбежно изменяется. Изучение строения и реакционной способности химических веществ, создание веществ и материалов с заранее заданными свойствами - основные задачи химической науки.
Уже в XVIII веке начала формироваться так называемая минеральная химия. Сейчас этот раздел химии мы называем неорганической химией - в отличие от органической химии, которая первоначально исследовала вещества, образующиеся в живых организмах. Позднее были выделены в самостоятельные разделы еще две важнейшие области химии - аналитическая и физическая химия.
Дать точное определение каждому из этих разделов очень сложно, хотя в целом разница между ними вполне очевидна. Так, невозможно кратко ответить на вопрос: что такое неорганическая химия. Одно из наиболее удачных, хотя и не совсем полных определений звучит так: неорганическая химия - это экспериментальное исследование и теоретическая интерпретация свойств и реакций всех элементов и всех их соединений, кроме большинства углеводородов и их соединений.
Основные задачи современной неорганической химии - изучение строения, свойств и химических реакций простых веществ и соединений, взаимосвязи строения со свойствами и реакционной способностью веществ, разработка методов синтеза и глубокой очистки веществ, общих методов получения неорганических материалов.
Теоретическую основу неорганической химии составляет учение о Периодическом законе, созданное русским ученым - энциклопедистом Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907). Несмотря на то, что этому закону уже более 100 лет, он по-прежнему является важнейшим инструментом для объяснения свойств и реакций химических элементов и их соединений. Периодическая система химических элементов, получившая в бытовой речи название - таблица Менделеева, - изображена во всех учебниках химии и знакома практически каждому. Предпринималось много попыток создать новую, более совершенную форму таблицы. В научной литературе описано около 700 ее вариантов. Были найдены круговые, треугольные и спиральные варианты, а также трехмерные модификации в виде этажерки, цилиндра, платформы с двумя башнями, объемной спирали, взаимопересекающихся плоскостей и т. д. Но самый распространенный на сегодня вариант близок к тому, который в свое время предложил Д. И. Менделеев.
С точки зрения теории строения атома, элементы в периодической системе расположены в последовательности увеличения зарядов их ядер, Внутри каждого периода по мере возрастания зарядов ядер элементов последовательно изменяется структура внешних электронных уровней. С этим связан переход элементов от металлов к неметаллам. В периодах слева направо, с увеличением зарядов ядер элементов, усиливается притяжение электронов к ядру и происходит сжатие атома, т. е. уменьшение атомного радиуса элементов. Поэтому в начале каждого периода располагаются элементы, имеющие больший атомный радиус и меньшее число электронов на внешнем электронном слое. Чем больше атомный радиус, тем слабее притяжение электронов внешнего слоя и тем легче элементу отдавать электроны. Такая структура характерна для элементов - металлов, которые сравнительно легко отдают валентные электроны, но не могут принимать их дополнительно для достройки электронных оболочек внешнего уровня.
С увеличением атомного номера элементов увеличивается заряд ядра и число электронов во внешнем слое и уменьшается легкость отдачи электронов с этого слоя. Таким образом, внутри каждого периода с увеличением атомных номеров элементов наблюдается уменьшение металлических свойств элементов и возрастание неметаллических свойств (способность притягивать к себе электроны). Каждый период заканчивается инертным элементом, имеющим завершенную структуру внешнего электронного слоя (полный октет).
Устойчивость такого октета объясняет пассивность инертных элементов, что не позволяет причислить их к металлам или неметаллам. В группах расположены элементы, имеющие одинаковое строение внешнего электронного слоя, т. е. электронные аналоги. Номер группы указывает число электронов на внешней электронной оболочке атомов элементов данной группы. Элементы, находящиеся в одной группе проявляют близкие химические свойства. Однако и внутри группы свойства элементов изменяются. Это связано с тем, что внутри каждой группы сверху вниз у элементов увеличивается число электронных слоев, т. е. атомный радиус. Чем больше атомный радиус, тем дальше от ядра электроны внешнего слоя и тем слабее они удерживаются ядром.
Таким образом, в группах сверху вниз усиливаются металлические и уменьшаются неметаллические свойства. В периодической таблице группы делятся на два типа: 8 групп IA- VIIIA и 8 групп IB- VIIIB. Группа VIIIB состоит из триад. В группах IА и IIA находятся s-элементы, у них последним заполняется электронами s-подуровень внешнего уровня. Далее, согласно правилам Клечковского, для элементов с главным квантовым числом n= 2 и n= 3 (второй и третий период) происходит заполнение р- подуровня. Это р- элементы, они располагаются в группах IIIA- VIIIA. Для элементов IV и V периода после заполнения электронами s- подуровня энергетически более выгодно заполнение соответственно 3d- и 4d- поуровней, что и происходит у элементов групп IB- VIIIB.
Группы типа В расположены в порядке, указывающем число валентных электронов атомов элементов, так как у d- элементов валентными являются электроны не только внешнего уровня, но и заполняемого второго снаружи уровня. После полного заполнения d- электронами второго снаружи уровня, происходит заполнение р- подуровня последнего электронного уровня (группы IIIA- VIIIA).
У актиноидов и лантаноидов происходит заполнение электронами f- подуровня третьего снаружи энергетического уровня, что и обуславливает схожесть их химических свойств.
Как видно, с учетом заполнения электронами энергетических уровней, в периодической таблице с увеличением атомных номеров элементов наблюдается периодическое повторение строения внешних электронных слоев, что и обусловливает периодичность свойств химических элементов.
С электронной конфигурацией атома связаны такие его свойства, как энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степень окисления.
* Энергия ионизации- это энергия, необходимая для отрыва наиболее слабосвязанного электрона от атома. Она выражается в электронвольтах. При отрыве электрона от атома образуется заряженная частица- ион. В данном случае ион будет иметь положительный заряд. Такие ионы называются катионами. Для элементов одного периода энергия ионизации возрастает слева направо с увеличением неметаллических свойств у элементов. В группах энергия ионизации уменьшается сверху вниз с увеличением металлических свойств.
* Сродство к электрону- это энергия, которая выделяется при присоединении к атому одного электрона Она также выражается в электронвольтах. При присоединении электрона к атому образуется отрицательно заряженный ион - анион. В периодах слева направо сродство к электрону увеличивается. Наибольшим сродством к электрону обладают галогены.
* Электроотрицательность - это способность атома притягивать к себе электроны в соединении. Притягиваемые электроны являются валентными, т. е. это электроны, которые участвуют в химической связи. Инертные (благородные) элементы не обладают электроотрицательностью. Наиболее электроотрицательным из элементов является фтор.
* Степень окисления- это формальный заряд атома в соединении, который возник бы, если бы все атомы в этом соединении были бы в виде ионов, а электроны смещены к наиболее электроотрицательному элементу. Номер группы в периодической системе численно равен положительной высшей степени окисления любого элемента данной группы в соединениях с кислородом.
Предмет изучения органической химии некогда ограничивался соединениями углерода, имеющими растительное и животное происхождение. В наше время органическая химия - это наука, изучающая природные и синтетические соединения углерода с другими элементами.
Ежегодно число синтезированных органических соединений возрастает на 250-300 тысяч. Оно превышает число известных неорганических соединений в десятки раз. Многообразие органических соединений определяется уникальной способностью атомов углерода соединяться друг с другом простыми и кратными связями, образовывать соединения с практически неограниченным числом атомов, связанных в цепи, циклы, каркасы, образовывать прочные связи почти со всеми химическими элементами.
Основным методом органической химии является синтез. Теория химического строения органических веществ базируется на положениях, впервые сформулированных русским химиком Александром Михайловичем Бутлеровым (1828-1886). В органической химии можно выделить области исследований соединений, относящихся к различным классам и имеющих различное происхождение: химия ароматических соединений, химия природных соединений, нефтехимия.
До сих пор ведутся споры, можно считать самостоятельным разделом химии аналитическую химию. Вряд ли они состоятельны. Анализ - важнейший метод химии. До первой половины XIX века именно аналитическая химия была основным разделом химии. Аналитическая химия - это наука об определении химического состава веществ и, в некоторой степени, химического строения соединений.
Родоначальником научной аналитической химии считают английского физика и химика Роберта Бойля (1627-1691), который первым ввел понятие "химический анализ". Без тщательного, точного анализа развитие химии невозможно. Любой синтез обязательно сопровождается анализом. Для современных технологий необходимы особо чистые вещества, а содержание ничтожных долей примесей в них можно определить лишь аналитическими методами.
Основная цель аналитической химии - обеспечить точность, высокую чувствительность, быстроту, избирательность анализа. Развитие аналитической химии привело к возникновению химической диагностики, позволяющей непрерывно определять различные характеристики протекающих процессов и образующихся веществ.
В аналитической химии широко стали использоваться физико-химические и физические методы. Физические методы изучения веществ и воздействия на них получили применение и в других областях химии. Это привело к формированию новых важных направлений химии, например, радиационной химии, плазмохимии. Химия экстремальных воздействий играет большую роль в получении новых материалов, например для электроники, или давно известных ценных материалов, например алмазов, сравнительно дешевым синтетическим путем.
На грани исследований физических и химических явлений возникла физическая химия. Изучение тепловых эффектов химических реакций породило термохимию. Химические процессы, протекающие под действием электрического тока, стали основой электрохимии. В основу современной физической химии легли также учения о растворах, о скоростях и механизмах химических реакций, о строении молекул и многие другие. Физическая химия - это наука об общих законах, определяющих строение и химические превращения веществ в различных условиях. Термин "физическая химия" принадлежит М. В. Ломоносову (1711-1765), который в 1752 году впервые прочитал студентам Петербургского университета курс этой науки.
Она исследует химические явления с помощью теоретических и экспериментальных методов физики. Физическая химия является основным теоретическим фундаментом современной химии. В последние годы все большее внимание уделяется углубленному анализу общих закономерностей химических превращений на молекулярном уровне; широкому использованию математического моделирования; изучению воздействия на химические процессы сверхвысоких и сверхнизких температур и давлений, радиации и магнитного поля.
Все больше стираются границы и между химией и другими естественными науками. Биохимия - биологическая химия - изучает химический состав и структуру веществ, содержащихся в живых организмах; пути и способы регуляции их превращений; энергетическое обеспечение процессов, происходящих в клетке и в организме.
Становление биохимии как науки произошло на рубеже XIX и XX веков, хотя истоки биохимических знаний обнаружены еще в трудах ученых античного периода, а первые сведения о составе растительных и животных тканей начали появляться в средние века. В наши дни из биохимии уже выделились биоорганическая и бионеорганическая химия.
В начале XX века химик, минералог и кристаллограф Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) разработал основы геохимии - науки о распространенности и миграции химических элементов на Земле. С одной стороны, геохимия широко использует достижения физики и химии, новейшие методы анализа и представления о строении вещества, с другой - огромный материал, накопленный геологическими науками, в частности, минералогией.
Наряду с физической химией возникла химическая физика, изучающая физические законы, которые управляют строением и превращениями химических веществ.
Особенности развития химии в ХХ веке во многом обусловлены достижениями физики в конце XIX века. Открытие рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона и развитие квантовой теории привели к открытию радиоактивных элементов, новым представлениям о строении атома и природе химической связи. В ХХ веке было синтезировано 23 новых химических элемента, не найденных в природе, в том числе находящихся в Периодической системе после урана.
Дальнейшее развитие получил органический синтез. Во второй половине ХХ века искусственным путем были получены такие сложные природные вещества как хлорофилл и инсулин. Современная химия стала величайшей "производительной силой". Это выражается не только в многотоннажном производстве разнообразных химических продуктов. Стремительно растет число новых химических соединений, главным образом, органических.
Еженедельно в мире синтезируется не менее 10 тысяч новых веществ. Естественно, лишь немногие из них вызывают интерес и находят практическое применение, но ведь никто не знает, какое именно вещество понадобится завтра. Так что классическое определение химии может быть расширено: химики не только изучают вещества и их превращения, но и постоянное получают новые, ранее неизвестные. Постоянно разрабатываются новые химические материалы, необходимые для современной промышленности, техники, медицины и других сфер человеческой деятельности.
3.2.4. Закон сохранения энергии
Любая частица обладает энергией, обусловленной как её движением, так и положением в пространстве. Соответственно мы говорим о кинетической и потенциальной энергии. Частица, находящаяся в гравитационном поле Земли, обладает потенциальной энергией, зависящей от её высоты. Аналогично деформированная пружина обладает потенциальной энергией, зависящей от степени её сжатия и т. д.
Движущаяся частица обладает кинетической энергией, причем, чем быстрее она движется, тем больше энергия. Покоящаяся частица не имеет кинетической энергии.
Наиболее важное свойство полной энергии тела или частицы (суммы её потенциальной и кинетической энергии) - её сохраняемость и неизменность в отсутствие действия внешних сил. В этом сущность закона сохранения энергии33.
Закон сохранения энергии имеет всеобъемлющее значение. Он применим ко всем без исключения явлениям природы. Энергия тел зависит от их скоростей, положения, температуры, формы, химического состава и т. д. Изменение энергии тел происходит либо за счёт работы, совершаемой этими телами, либо за счёт передачи энергии другим телам. Если мы рассматриваем все тела, участвующие в процессе, то полная энергия их остаётся неизменной. Самым существенным в этом законе является необходимость учитывать все тела, участвующие в рассматриваемых процессах. Как правило, сделать это очень трудно. Кажущиеся отступления от этого закона объясняются недостаточно строгим учётом всех происшедших изменений34.
Всякий процесс, происходящий в природе, можно рассматривать как превращение отдельных видов энергии друг в друга. Установление закона сохранения и превращения энергии означает выработку представления о различных видах энергии, об их материальной сущности. Закон сохранения энергии связан с несотворимостью и неуничтожимостью движения. Между качественно различными видами движения существует количественное отношение, общей мерой которого является энергия - свойство качественно различных форм движения материи переходить друг в друга в строго эквивалентных количествах.
Энергия "вообще" не что иное, как абстракция, так как в действительности существуют различные виды движения и энергии, а не энергия сама по себе. Например, энергия потенциальная, кинетическая, тепловая, упругости, электрическая, химическая, излучения, ядерная и т. д. Сущность переноса энергии в переносе материального движения на основе закона сохранения и превращения. Перенос характеризуется импульсом mv. Французский философ и математик Анри Пуанкаре сказал об энергии следующее: "Так как мы не в силах дать общего определения энергии, принцип сохранения её попросту означает, что существует нечто, остающееся постоянным. Поэтому, к каким бы новым представлениям о мире не привели нас будущие эксперименты, мы заранее знаем: в них будет нечто остающееся постоянным, что можно назвать энергией".
Разновидностью закона сохранения энергии является закон сохранения массы вещества. Сохранение веществ в биосферных процессах, в географической оболочке означает, что число атомов не меняется и масса каждого атома как мера его инертных и гравитационных свойств постоянна. В химических, биологических, тепловых, механических, электрических, магнитных явлениях - там, где не происходит взаимопревращения элементарных частиц, действует закон сохранения массы.
В процессах ядерных превращений изменение в системе масса - поле действует вариант этого закона: закон сохранения полной массы системы. Закон всемирного тяготения привёл к понятию гравитационной массы. Механика Ньютона ввела понятие инертной массы. Кстати, одной из загадок природы является равенство гравитационной и инертной масс. В классической механике масса тела величина постоянная. В релятивистской механике любая масса зависит от скорости движения. В ней различают "массу покоя" и "массу движения". Все элементарные частицы по массе можно разбить на две группы: имеющие и не имеющие массу покоя. Частицы, не имеющие массы покоя, могут двигаться только со скоростью света. Определений понятия "масса" много, но общепризнанное отсутствует. В основе определения массы понятие веса: иметь массу означает быть тяжёлым и инертным.
3.3. Электромагнитная теория
История открытия электричества. ( М. Фарадей: исследования электромагнетизма, учение об электромагнитном поле, законы электролиза. ( Заряд и поле. Закон сохранения электрического заряда. ( Проводники, полупроводники и диэлектрики. Электрический ток. ( Электромагнитное взаимодействие. Электромагнитная теория поля (Дж. Максвелл).

Трудно даже перечислить все проявления электрических (точнее, электромагнитных) сил. Они определяют устойчивость атомов, объединяют атомы в молекулы, обусловливают взаимодействие между атомами и молекулами, приводящее к образованию конденсированных (жидких и твердых) тел. Все виды сил упругости и трения также имеют электромагнитную природу. Велика роль электрических сил в ядре атома. В ядерном реакторе и при взрыве атомной бомбы именно эти силы разгоняют осколки ядер и приводят к выделению огромной энергии. Наконец, взаимодействие между телами осуществляется посредством электромагнитных волн света, радиоволн, теплового излучения и т. д.
3.3.1. История открытия электричества
Открытие электрических явлений легенда приписывает мудрейшему из мыслителей древней Греции Фалесу, жившему более двух тысячелетий назад. Еще в те времена в окрестностях древнегреческого города Магнезия люди находили на берегу моря камешки, притягивавшие легкие железные предметы. По имени этого города их назвали магнитами (оттуда пришло к нам слово "магнит").
Фалес же находил и другие, не менее таинственные камешки, к тому же красивые и легкие. Эти привлекательные дары моря не притягивали, как магниты, железных предметов, но обладали не менее любопытным свойством: если их натирали шерстяной тряпочкой, то к ним прилипали пушинки, легкие кусочки дерева, травы. Такие камешки, выбрасываемые приливами и волнами морей, мы сейчас называем янтарем. Древние же греки янтарь называли "электроном". Отсюда и образовалось слово "электричество".
Но ни древнегреческие, ни другие мыслители и философы на протяжении многих столетий не могли объяснить эти свойства. В XVII веке немецкому ученому Отто Герике удалось создать электрическую машину, извлекавшую из натираемого шара отлитого из серы, значительные искры, уколы которых могли быть даже болезненными. Однако разгадка тайн "электрической жидкости", как в то время называли это электрическое явление, не была тогда найдена. В середине XVII в. в Голландии, в Лейденском университете, ученые под руководством Питера ван Мушенбрука нашли способ накопления электрических зарядов. Таким накопителем электричества была лейденская банка (по названию университета) - стеклянный сосуд, стенки которого снаружи и изнутри были оклеены свинцовой фольгой.
Лейденская банка, подключенная обкладками к электрической машине, могла накапливать и долго сохранять значительное количество электричества. Если ее обкладки соединяли отрезком толстой проволоки, то в месте замыкания проскакивала сильная искра, и накопленный электрический заряд мгновенно исчезал. Если же обкладки заряженного прибора соединяли тонкой проволокой, она быстро нагревалась, вспыхивала и плавилась, то есть перегорала, как мы часто говорим сейчас. Вывод мог быть один: по проволоке течет электрический ток, источником которого является электрически заряженная лейденская банка. Сейчас подобные приборы мы называем электрическими конденсаторами (слово конденсатор означает "сгуститель"), а их не соединяющиеся между собой полоски фольги - обкладками конденсаторов.
Более совершенный, а главное почти непрерывный источник электрического тока изобрел в конце XVIII века итальянский физик Александр Вольта. Между небольшими дисками из меди и цинка он помещал суконку, смоченную раствором кислоты. Пока прокладка влажная, между дисками и раствором происходит химическая реакция, создающая в проводнике, соединяющем диски, слабый электрический ток. Соединяя пары дисков в батарею, можно было получать уже значительный электрический ток. Такие батареи называли вольтовыми столбами. Они-то и положили начало электротехнике.
Первый электромагнит, основные черты которого сохранились во многих современных электрических приборах, например в электромагнитных реле, излучателях головных телефонов, изобрел английский ученый Стерджен в 1821 г. А спустя два десятилетия после этого события французский физик Андре Ампер сделал новое, исключительно важное по тому времени открытие. Он опытным путем установил, что два параллельно расположенных проводника, по которым течет ток, способны совершать механическую работу.
В первой половине прошлого столетия ценнейший вклад в науку внес английский физик-самоучка Майкл Фарадей. Изучая связь между электрическим током и магнетизмом, он открыл явление электромагнитной индукции. Опытным путем он обнаружил, что можно передавать переменный ток из катушки в катушку на расстояние без какой-либо прямой электрической связи между ними. Суть этого явления заключается в том, что переменный ток, текущий в одной из катушек, преобразуется в переменное магнитное поле, которое пересекает витки второй катушки и тем самым возбуждает в ней переменную ЭДС. На этой основе создан замечательный прибор - трансформатор, играющий очень важную роль в электротехнике и радиотехнике. В 1821 году Фарадей получил вращение проводника с током в магнитном поле, то есть создал прообраз электромотора. В 1834 г. русский академик Б. С. Якоби создал один из первых в мире электродвигателей.
Классическая теория электричества, возникшая на основе этих наблюдений и практических разработок, охватывает огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди четырех типов взаимодействий электромагнитных, гравитационных, сильных (ядерных) и слабых, существующих в природе, электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни, за исключением притяжения Земли и приливов в океане, человек встречается в основном только с проявлениями электромагнитных сил. В частности, упругая сила пара имеет электромагнитную природу. Поэтому смена "века пара" "веком электричества" означала лишь смену эпохи, когда не умели управлять электромагнитными силами, на эпоху, когда научились распоряжаться этими силами по своему усмотрению.
3.3.2. М. Фарадей: исследования электромагнетизма
Майкл Фарадей (1791-1867) - английский физик, член Лондонского королевского общества. Родился в Лондоне. Учился самостоятельно. В 1833-1862 был профессором кафедры химии в Королевском институте Лондона.
Фарадей в 1821 г. впервые осуществил вращения магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, создав тем самым лабораторную модель электродвигателя. В этом опыте наглядно проявилась связь между электрическими и магнитными явлениями. Не случайно, что в том же году он поставил себе целью "превратить магнетизм в электричество".
В 1831 г. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции. В последующие годы подробно изучил открытое им явление и установил законы электромагнитной индукции. Используя огромный экспериментальный материал, Фарадей доказал тождественность известных тогда видов электричества: "животного", магнитного, термоэлектричества. Стремление выяснить природу электрического тока привело его к экспериментам по прохождению тока через растворы кислот, щелочей, солей. Результатом этих исследований было открытие в 1833 г. законов электролиза (законы Фарадея). Кроме большого практического значения, эти законы стали также существенным аргументом в пользу дискретного характера электричества.
В 1837 Фарадей обнаружил влияние диэлектриков* на электрическое взаимодействие (поляризацию диэлектриков) и ввел понятие диэлектрической проницаемости. Высказал мысль о распространении электрического и магнитного взаимодействия через промежуточную среду. В 1843 г. экспериментально доказал закон сохранения электрического заряда. Был популяризатором физики, в частности широко известна его книга "История свечи", переведенная почти на все языки мира.
Он ввёл понятия подвижность, катод*, анод*, ионы*, электролиз*, электролиты*, электроды*. Изобрел вольтметр. В 1845 открыл диамагнетизм* и в 1847 - парамагнетизм*. Обнаружил в 1845 г. явление вращения плоскости поляризации* света в магнитном поле (эффект Фарадея). Последнее было первым доказательством связи между светом и магнетизмом и положило начало магнитооптике.
Одним из важнейших заслуг Фарадея является введение понятия поля и создание учения об электромагнитном поле. В 1846 он высказал идею об электромагнитной природе света. Решительный поворот к теории близкодействия был сделан М. Фарадеем в 30е годы XIX в. Согласно идеям Фарадея, электрический заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой, и наоборот. Взаимодействие токов осуществляется посредством магнитного поля. Распределение электрических и магнитных полей в пространстве Фарадей описывал с помощью силовых линий, которые по его представлению напоминают обычные упругие линии в гипотетической среде, в мировом эфире. Фарадей был первым, кто стал рассматривать силовые линии как наглядное отображение реальных процессов, происходящих в пространстве вблизи наэлектризованных тел или магнитов. Распределение силовых линий, по Фарадею, даёт картину электрического поля вблизи зарядов или магнитного поля вблизи магнитов и проводников.
3.3.3. Заряд и поле. Закон сохранения электрического
заряда
Заряд следует рассматривать как количественную меру способности тела к электромагнитным взаимодействиям. Электрический заряд - вторая (после массы) важнейшая характеристика элементарных частиц, определяющая их поведение в окружающем мире. Введение зарядов двух знаков означает, что заряженные частицы могут, как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга. Ни положительные, ни отрицательные заряды не создаются в телах, например, при трении. Они присутствуют в них всегда и обнаруживают себя только в процессе электризации, когда положительные и отрицательные заряды разделяются и начинают взаимодействовать. Процесс электризации представляет собой либо отделение, либо перенесение на тело электронов или ионов. Понятно, что при электризации одного тела должен всегда возникать заряд и на каком - либо другом теле, одинаковый по величине, но противоположный по знаку.
Закон сохранения электрического заряда утверждает о его неуничтожимости и несотворимости - алгебраическая сумма электрических зарядов в замкнутой системе остаётся постоянной при любых процессах, происходящих в ней.
Для более глубокого понимания электрических явлений необходимо знать количественный закон взаимодействия электрических зарядов, то есть понимать, как зависит величина силы, действующей между заряженными телами, от зарядов на них и от расстояния между ними. Это понимание даёт нам закон Кулона, который гласит: сила взаимодействия двух точечных зарядов направлена вдоль прямой линии, соединяющей заряды. Её величина прямо пропорциональна произведению обоих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
В зависимости от величины заряда и формы заряженного тела действие его в различных точках пространства будет различным. Поэтому для полной характеристики заряда надо знать, какое действие он производит во всевозможных точках окружающего пространства или надо знать электрическое поле, которое возникает вокруг заряда. Таким образом, понятием "электрическое поле" мы обозначаем пространство, в котором проявляются действия электрического заряда. Если имеется не один, а несколько расположенных в различных местах, то в любой точке окружающего пространства проявится совокупность действия этих зарядов, то есть создаваемое ими электрическое поле.
Заряженные частицы взаимодействуют друг с другом на расстоянии в пустом пространстве. Возникает вопрос о механизме возникновения этих сил. Достаточно естественной выглядит полевая концепция, согласно которой каждый заряд создает вокруг себя в пространстве "нечто", называемое электрическим полем, а действующая на другой заряд сила возникает вследствие его взаимодействия с полем в той точке пространства, где он находится. Таким образом, поле выступает в роли переносчика взаимодействия между заряженными частицами.
В пользу объективного существования поля свидетельствуют следующие факты:
1. Конечность скорости распространения изменения поля, вызванного изменением его источника.
2. Наличие энергии в "пустом" пространстве, заполненным полем, которое в принципе может быть зарегистрировано не только при помощи электростатических взаимодействий.
3. Возможность существования поля после исчезновения его источника.
Введенная для электромагнитных взаимодействий, полевая концепция оказалась весьма удобной. Она позволяет разбивать задачу о взаимодействии тел на две: расчет поля в точке расположения частицы и расчет силы, возникающей при ее взаимодействии с этим полем. В настоящее время понятие поля используется для описания всех типов фундаментальных взаимодействий.
3.3.4. Проводники, полупроводники и диэлектрики.
Электрический ток
Не в каждом теле есть условия для прохождения электрического тока. Дело в том, что атомы и молекулы различных веществ обладают неодинаковыми свойствами. В металлах, например, электроны легко покидают оболочки и беспорядочно, хаотично движутся между атомами. В металлах особенно много свободных электронов. По существу, металл состоит из положительных ионов, расположенных в определенном порядке, пространство между которыми заполнено свободными электронами. В металле невозможно различить, какой электрон к какому из атомов относится, они сливаются в единое электронное облако. Огромное количество свободных электронов в металлах создает в них наиболее благоприятные условия для электрического тока. Нужно только хаотическое движение электронов упорядочить, заставить их двигаться в одном направлении.
В некоторых телах и веществах почти нет свободных электронов, так как они прочно удерживаются ядрами. У молекул и атомов таких тел трудно "отобрать" или "навязать" им лишние электроны. В таких телах нельзя создавать электрический ток. В них отрицательно заряженные электроны крепко связаны электрическими силами с положительными ядрами, и внешнее поле не способно привести к значительному перераспределению зарядов. В таких веществах электрическое поле оказывается меньшим по сравнению с полем, которое создавали бы свободные заряды в вакууме.
Тела и вещества, в которых можно создавать электрический ток, называют проводниками. Те же тела и вещества, в которых его создать нельзя, называют диэлектриками или непроводниками тока.
К проводникам, кроме металлов, относятся также уголь, растворы солей, кислоты, щелочи, живые организмы и многие другие тела и вещества. Причем в растворах солей электрический ток создается не только электронами, но и положительными ионами.
Диэлектриками являются воздух, стекло, парафин, слюда, лаки, фарфор, резина, пластмассы, различные смолы, маслянистые жидкости, сухое дерево, сухая ткань, бумага и другие вещества. Фарфоровыми, например, делают изоляторы для электропроводки, лаки используют для покрытия проводов, чтобы изолировать провода друг от друга и от других предметов.
Но есть еще большая группа веществ, называемых полупроводниками. К полупроводникам, в частности, относятся германий и кремний. По электропроводности они занимают среднее место между проводниками и непроводниками. Считавшиеся когда-то непригодными для практических целей, сейчас они стали основным материалом для производства современных полупроводниковых приборов, например транзисторов.
Для того чтобы заставить упорядоченно двигаться в одном направлении свободные электроны в нити накала электрической лампочки, нужно создать в проводнике электрическое поле, подключив, например, проводник к гальваническому элементу. Элемент состоит из цинковой и медной пластинок, называемых электродами, которые помещены в электролит - раствор соли или кислоты, допустим, серной. В результате химической реакции, происходящей между электродами и электролитом, на цинковом электроде образуется избыток электронов, и он приобретает отрицательный электрический заряд, а на медном, наоборот недостаток электронов, и он приобретает положительный заряд. При этом между разноименными электрическими зарядами такого источника тока возникает электрическое поле, действует электродвижущая сила (сокращенно ЭДС), или напряжение. Как только проводник окажется подключенным к полюсам элемента или батареи, в нем возникнет электрическое поле, под действием которого электроны будут двигаться туда, где их недостаток, то есть от отрицательного полюса через проводник к положительному полюсу источника электрической энергии. Это и есть упорядоченное движение электронов в проводнике - электрический ток. Ток течет через проводник потому, что в получившейся цепи (положительный полюс элемента, проводники, отрицательный полюс элемента, электролит) действует электродвижущая сила.
Установлено, что электроны в проводнике движутся от отрицательного полюса (где избыток их) к положительному (где недостаток в них), однако и сейчас, как в прошлом веке, принято считать, что ток течет от плюса к минусу, т. е. в направлении, обратном движению электронов. Условное направление тока, кроме того, положено учеными в основу ряда правил, связанных с определением многих электрических явлений. В то же время такая условность никаких особых неудобств не создает, если твердо помнить, что направление тока в проводниках противоположно направлению движения электронов. В тех же случаях, когда ток создается положительными электрическими зарядами, например, в электролитах химических источников постоянного тока, таких противоречий вообще нет, потому что направление движения положительных зарядов совпадает с направлением тока.
Пока элемент или батарея действуют, во внешнем участке электрической цепи ток течет в одном и том же направлении. Такой ток называют постоянным. Если полюсы элемента поменять местами, то изменится только направление движения электронов, но ток и в этом случае будет постоянным. А если полюсы источника тока менять местами очень быстро и к тому же ритмично? В этом случае электроны во внешнем участке цепи тоже будут попеременно изменять направление своего движения. Сначала они потекут в одном направлении, затем, когда полюсы поменяют местами - в другом, обратном предыдущему и так далее. В цепи появится переменный ток.
При переменном токе электроны в проводнике как бы колеблются из стороны в сторону. Поэтому переменный ток называют также электрическими колебаниями. Переменный ток выгодно отличается от тока постоянного тем, что он легко поддается преобразованию. Так, например, при помощи трансформатора можно повысить напряжение переменного тока или, наоборот, понизить его. Переменный ток, кроме того, можно выпрямить, то есть преобразовать в постоянный ток.
3.3.5. Электромагнитное взаимодействие.
Электромагнитная теория поля
Непосредственную связь между электричеством и магнетизмом открыл в 1819 г. датский профессор физики Ганс Эрстед. Проводя опыты, ученый обнаружил, что всякий раз, когда он включал ток, магнитная стрелка, находящаяся поблизости от проводника с током, стремилась повернуться перпендикулярно проводнику, а когда выключал, магнитная стрелка возвращалась в исходное положение. Ученый сделал вывод: вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое воздействует на магнитную стрелку. Это свойство тока используется во множестве электрических приборов. Если магнитную стрелку поднести к проводу с переменным током, то она останется неподвижной. Однако это не значит, что вокруг проводника с переменным током нет магнитного поля. Магнитное поле есть, но оно тоже переменное. Магнитная же стрелка не будет отклоняться только вследствие своей инерционности, она не будет успевать следовать за изменениями магнитного поля.
Взаимодействие неподвижных электрических зарядов осуществляется посредством электростатического поля. Электростатическое поле создается заряженными частицами. В случае нескольких частиц выполняется принцип суперпозиции: полное поле равно сумме полей, создаваемых каждым из источников. Количественной характеристикой электростатического поля является вектор напряженности Е, равный по определению силе, действующей со стороны поля на единичный заряд, помещенный в рассматриваемую точку пространства.
Графически поле удобно изображать в виде силовых линий, кривых, в каждой точке которых вектор Е направлен по касательной. Величина напряженности определяется густотой линий. Линии вектора Е начинаются на положительных зарядах или на бесконечности, оканчиваются - на отрицательных или на бесконечности. Замкнутых линий электростатического поля не существует. Движение частиц в электростатических полях определяется тем, что электрические силы (F=QE), направленные вдоль поля (в случае положительно заряженных частиц) и против (в случае отрицательных), способны изменять скорость зарядов как по величине, так и по направлению. Это обуславливает широкое использование электростатических полей для разгона и управления движением заряженных частиц. Так в электронно-лучевых трубках телевизоров и осциллографов электроны создаются и разгоняются в заряженном до разности потенциалов около 30 кВ. конденсаторе - электронной пушке и посылаются в нужную точку флюоресцирующего при их ударах экрана при помощи изменяемых во времени полей в конденсаторах, образующих отклоняющую систему.
Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим полем возбуждают и магнитное поле, то есть порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляются электромагнитные взаимодействия. Таким образом, электричество неразрывно связано с магнетизмом. Магнитные поля создаются движущимися зарядами, подчиняются принципу суперпозиции и могут быть рассчитаны.
Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат уравнения Д. К. Максвелла. Он полностью воспринял идеи М. Фарадея о существовании электромагнитного поля, то есть о реальности процессов в пространстве возле зарядов и токов. Он считал, что тело не может действовать там, где его нет. Первое, что сделал Максвелл, - он придал идеям Фарадея строгую математическую форму, столь необходимую в физике. Выяснилось, что с введением понятия поля законы Кулона и Ампера стали выражаться наиболее полно, глубоко и изящно. В явлении электромагнитной индукции Максвелл усмотрел новое свойство полей: переменное магнитное поле порождает в пустом пространстве электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями (так называемое вихревое электрическое поле). Развивая идеи М. Фарадея, он создал теорию электромагнитного поля, ввел понятие о токе смещения, предсказал существование электромагнитных волн, выдвинул идею электромагнитной природы света.
Открытие основных свойств электромагнитного поля было сделано Максвеллом без какой-либо опоры на эксперимент. Им была высказана гениальная догадка о том, что переменное электрическое поле порождает магнитное поле, как и обычный электрический ток (гипотеза о токе смещения). К 1869 все основные закономерности поведения электромагнитного поля были установлены и сформулированы в виде системы четырех уравнений, получивших название уравнений Максвелла. Из уравнений Максвелла следовал фундаментальный вывод: конечность скорости распространения электромагнитных взаимодействий. Скорость оказалась равной скорости света в вакууме: около 300000 км/с. Отсюда Максвелл сделал заключение, что свет есть форма электромагнитных волн.
Электромагнитные силы не универсальны. Они действуют лишь между электрически заряженными частицами. Тем не менее, они определяют структуру материи и физические процессы в широком пространственном интервале масштабов от 10-13 до 10?7 см (на меньших расстояниях определяющими становятся ядерные взаимодействия, а на больших нужно учитывать и гравитационные силы). Главная причина в том, что вещество построено из электрически заряженных отрицательных электронов и положительных атомных ядер. Именно существование зарядов двух знаков обеспечивает действие как сил притяжения между разноименными зарядами, так и сил отталкивания между одноименными, и эти силы очень велики по сравнению с силами гравитации. С увеличением расстояния между заряженными частицами электромагнитные силы медленно (обратно пропорционально квадрату расстояния) убывают, подобно гравитационным силам. Но заряженные частицы образуют нейтральные системы атомы и молекулы, силы взаимодействия, между которыми проявляются лишь на очень малых расстояниях. Существенен также сложный характер электромагнитных взаимодействий: они зависят не только от расстояний между заряженными частицами, но и от их скоростей и даже ускорений.
По отношению к реакции на внешнее магнитное поле вещества подразделяются на диамагнетики (ослабляют магнитное поле), парамагнетики (поле в веществе незначительно увеличивается) и ферромагнетики (поле возрастает в десятки тысяч раз и не исчезает после выключения внешнего поля).
С прогрессом науки значение классического учения об электричестве не уменьшилось. Были определены лишь границы применения классической электродинамики. Эти границы устанавливаются квантовой теорией. Классическая электродинамика успешно описывает поведение электромагнитного поля при достаточно медленных колебаниях этого поля. Чем больше частота колебаний, тем отчетливее обнаруживаются квантовые (корпускулярные) свойства электромагнитного поля.
3.4. Квантовая теория
Хронология становления квантовой теории. ( Гипотеза М. Планка. Кванты. ( Постулаты Н. Бора. ( Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света. ( Квантовая теория атома Н. Бора. ( Вероятностный характер процессов в микромире. ( Гипотеза Луи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. ( Принцип неопределённости В. Гейзенберга. ( Волновая механика и уравнение Э. Шредингера. ( Принцип дополнительности Н. Бора.

Квантовая теория изменила жизнь цивилизованных народов больше, чем любое из прежних открытий. Квантовая теория - не просто ещё одна из бесчисленных ныне наук. Это именно та наука, которая стала основой технотронной эры, привела к пересмотру философии знания, повлияла на политику целых государств. По праву науку о квантах можно сравнить лишь с такими взлётами мысли, как система Коперника, законы Ньютона, учение об электричестве. Наверное, без преувеличения можно сказать, что квантовая теория является основой современного естествознания и технологического развития цивилизации.
3.4.1. Хронология становления квантовой теории
Попытаемся вначале хронологически представить этапы развития квантовой теории, начиная с момента её возникновения до наших дней.
* Дата рождения квантовой теории - это 1900 г. Макс Планк пришёл к заключению, что энергия осциллятора (механической системы) - частицы, колеблющейся около положения равновесия - изменяется дискретно. Классическая физика утверждала, что энергию любой механической системы (осциллятора) можно изменять только непрерывно.
* 1905 - А. Эйнштейн выдвинул гипотезу световых квантов и показал, что она объясняет феномен фотоэффекта, непонятный с позиций волновой теории распространения света. Он предположил, что свет есть набор частиц квантов с энергией, пропорциональной частоте, и массой, равной нулю. По сути дела он возродил уже забытую всеми корпускулярную теорию света. Благодаря этой гипотезе появилась возможность перенести идею Планка о дискретности энергии с механических систем на электромагнитное поле.
* 1913 - Н. Бор издал работу "О строении атомов и молекул". Он распространил идею о дискретности возможных значений энергии осциллятора на движение электронов в атоме. Им объяснялась дискретность спектральных линий*, испускаемых атомами. Энергия такой линии равнялась разности энергий двух возможных состояний электрона. Н. Бор фактически интуитивно сформулировал знаменитые "правила квантования", известные как постулаты Бора.
* 1923 - Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. С движением материальной частицы связан волновой процесс. Электрон проявляет себя и как частица и как волна. Не только фотоны, но и электроны, и любые другие частицы наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами. В 1927 г. была обнаружена дифракция электронов, подтвердившая эту гипотезу.
* 1926 - Эрвин Шредингер получил уравнение для волновой функции и применил его к атому водорода. Подтвердились правила квантования Бора. Были описаны волновые свойства электрона в атоме водорода. Появился способ, позволяющий рассчитывать все явления атомной физики. Было положено начало квантовой механике. Макс Борн уточнил, что волновая функция описывает вероятность нахождения частицы в той или иной точке и является волной информации.
* 1927 - В. Гейзенберг получает соотношение неопределённостей, согласно которому попытка измерения координаты частицы приводит к неопределённости в попытке определения её импульса и наоборот. Объект микромира невозможно одновременно с любой заранее заданной точностью характеризовать и координатой и импульсом. Понятие классической траектории неприменимо к микрочастицам. Н. Бор выдвигает общий принцип дополнительности, одним из конкретных выражений которого является соотношение неопределённостей.
* 1927 - П. Дирак применил квантовую механику к электромагнитному полю. Возникла квантовая теория поля. Поле как квантовый объект отличается от любой системы частиц тем, что имеет бесконечное число степеней свободы.
* 1928 - П. Дирак обобщил уравнение Шредингера для электронов, движущихся с произвольными скоростями. Было положено начало релятивистской квантовой механике и квантовой электродинамике, описывающей два взаимодействующих поля - электромагнитное и электрон-позитронное.
* Объектом исследования становится вакуум. Направление поисков: поиск симметрии полей, описывающих различные частицы и тенденция к объединению различных видов взаимодействия между частицами.
* В 1973 выдвигается гипотеза кварков, в соответствии с которой все известные сильновзаимодействующие частицы составлены из нескольких видов элементарных частиц - кварков, скреплённых глюонными полями. Так возникает квантовая хромодинамика. Поставлена задача теории Великого объединения - электрослабое и сильное взаимодействие, а также теория "Суперобъединения" - единая теория всех известных полей.
3.4.2. Гипотеза М. Планка. Кванты
Начало развитию квантовой теории положили относящиеся к 1900 г. работы Макса Планка по теории излучения "черного тела". Попытка построить теорию излучения черного тела на основе законов классической физики привела к серьезным трудностям. Объясним, прежде всего, в чем заключались эти трудности.
Рассмотрим замкнутую полость, поддерживаемую при постоянной температуре и содержащую какие-либо материальные тела, способные испускать и поглощать излучение. Если эти материальные тела имели в начальный момент какую-либо температуру, отличную от температуры полости, то с течением времени в результате процессов испускания и поглощения температура их будет стремиться к температуре полости. Иначе, система будет стремиться к состоянию термодинамического равновесия, характеризуемому равновесием между поглощаемой и излучаемой в единицу времени энергией.
Это означало бы, что обмен энергией внутри рассматриваемой полости должен приводить к передаче энергии от любой длины волны к более короткой до тех пор, пока практически вся энергия не окажется в ультрафиолете или ещё дальше. То есть в соответствии с существующим законом Рэлея спектральная плотность энергии излучения должна была монотонно возрастать с увеличением частоты. На графике это означало бы, что кривая, показывающая спектральную плотность энергии, стремилась бы к бесконечности в области ультрафиолета. В то же время было очевидно, что эта "ультрафиолетовая катастрофа" не наблюдается у реальных излучателей, от разогретого докрасна железа до ярко-белого Солнца. Они излучают тепло в виде оранжевого света, вместо того чтобы остывать из-за быстрой ультрафиолетовой вспышки.
Все эксперименты определенно указывали на то, что с увеличением частоты спектральная плотность вначале растет, а затем, начиная с некоторой частоты, соответствующей максимуму плотности, падает, стремясь к нулю, когда частота стремится к бесконечности. Иначе говоря, кривая спектральной плотности энергии имеет колоколообразный вид. Это явно противоречило теории, поскольку по закону Рэлея спектральная плотность оказывалась монотонно возрастающей функцией частоты, а значит, отсюда следовал абсолютный вывод: полная плотность энергии черного излучения при всех температурах должна быть бесконечной!
Положение, сложившееся в результате этого расхождения между теорией и экспериментом, было очень серьезным, так как оно свидетельствовало, и многие физики это сознавали, о каком-то существенном недостатке классических теорий, непосредственным следствием которых был закон Рэлея.
М. Планк, приступая к решению этой задачи, располагал только той самой экспериментальной колоколообразной кривой, о которой мы говорили выше. Он задался вопросом: как нужно минимально изменить (модифицировать) теорию, чтобы согласовать её с фактами? Он заметил, что необходимо некоторое правило, которое бы оставляло красный свет практически неизменным, но подавляло бы фиолетовое и ультрафиолетовое излучение.
Суть предположения Планка состояла в том, что энергия излучения упакована маленькими (атомных масштабов) порциями (квантами). Размер квантов не одинаков для разных цветов - они крошечные у инфракрасного, маленькие у зелёного и большие у ультрафиолетового излучения. Как повлияет такая упаковка энергии излучения на предсказываемый спектр излучения?
Предположим, что в полости есть отверстие, через которое происходит излучение, и рассмотрим обмен энергией между излучением и стенками полости. Квантовые ограничения будут наиболее заметны для ультрафиолетового конца спектра, где кванты велики. Инфракрасный свет будет непрерывно изливаться обильным потоком крошечных квантов, неспособных повлиять на обмен энергией. Но ультрафиолетовый свет должен либо излучаться большими квантами, либо вовсе не излучаться. Голубое, фиолетовое и ультрафиолетовое излучение будут существенно подавлены, и тем самым будет предотвращена "ультрафиолетовая катастрофа". Более детально правило Планка гласит:
1. Излучение упаковано порциями (кванты).
2. Каждый квант состоит из излучения единственной частоты (и, следовательно, единственной длины волны, то есть из света "одного цвета" - из монохроматического излучения).
3. Правило, определяющее размер квантов: энергия кванта пропорциональна частоте излучения в данном кванте, или энергия Е=h? (постоянная Планка на частоту излучения)35.
3.4.3. Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света
Открытие явления фотоэффекта и его дальнейшее изучение принесло физикам много неожиданного. Сущность фотоэффекта состоит в испускании веществом быстрых электронов под воздействием коротковолнового излучения, падающего на это вещество. При этом оказывается, и это очень существенно, что энергия испускаемых электронов совершенно не зависит от интенсивности поглощаемого излучения, а определяется только его частотой и свойствами самого вещества. От интенсивности излучения зависит только полное число испускаемых электронов. Этим простым эмпирическим законам, оказалось очень трудно дать удовлетворительное теоретическое объяснение. В частности, большие трудности встретили на своем пути попытки объяснить элементарный механизм высвобождения фотоэлектрического электрона, или, как сейчас принято говорить, фотоэлектрона.
Действительно, волновая теория света, которая к 1900 г. казалась совершенно безупречной и неоспоримой, приводила к представлению о равномерном распределении энергии излучения в световой волне. Падая на электрон, световая волна непрерывно передает ему энергию, причем количество энергии, полученной электроном в единицу времени, например в секунду, согласно волновой теории должно быть пропорционально интенсивности падающей на него волны. Поэтому объяснить законы фотоэффекта казалось очень трудно.
В 1905 г. Эйнштейн высказал замечательную мысль о том, что фотоэлектрический эффект указывает на дискретное строение света, связанное с существованием квантов. Первоначально гипотеза Планка в ее наиболее смелой форме состояла в предположении, что вещество может поглощать энергию излучения только конечными порциями, пропорциональными частоте. Успех планковой теории черного излучения подтвердил справедливость этой гипотезы. Но если эта гипотеза верна, то представляется вполне вероятным, что дискретная природа света, проявляющаяся в моменты поглощения и испускания, должна сохраняться также и в остальные промежуточные моменты времени, то есть тогда, когда излучение свободно распространяется в пространстве.
Эйнштейн допустил, что любое монохроматическое излучение состоит из совокупности квантов, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте, а коэффициент пропорциональности равен, разумеется, постоянной Планка. Это позволило легко объяснить законы фотоэффекта. В самом деле, электрон, находящийся внутри вещества, поглощая квант света, либо покинет вещество, либо останется внутри него. Все зависит от того, превышает ли энергия светового кванта работу, которую надо совершить электрону, чтобы покинуть вещество, т.е. как говорят, работу выхода. Следовательно, кинетическая энергия выбитого электрона будет равна энергии поглощенного светового кванта минус работа выхода.
3.4.4. Квантовая теория атома Н. Бора
Квантовая теория атома была развита Бором в 1913 году. В это время физики склонялись к планетарной модели атома. Согласно этой модели атом состоит из находящегося в центре тяжелого положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома и электронов-"планет", вращающихся вокруг ядра. Справедливость этой модели, предложенной впервые Перреном, была подтверждена опытами Резерфорда, который показал, что внутри атома действительно находится ядро, обладающее положительным зарядом и чрезвычайно малыми размерами. Однако эта планетарная модель находилась в противоречии с выводами классической электродинамики об излучении ускоренно движущихся заряженных частиц. Планетарная модель предполагала, что электроны вращаются, подобно планетам, по кеплеровым орбитам вокруг центрального ядра и имеют частоту обращения, зависящую от их кинетической энергии и изменяющуюся вместе с ней. Поэтому если классическая теория излучения применима к внутриатомным электронам, то электроны-планеты должны постепенно терять энергию, излучая волны непрерывно меняющейся частоты, и, в конце концов, упасть на ядро и нейтрализовать его. Таким образом, в рамках классической теории планетарная модель не позволяла объяснить ни монохроматический* характер спектральных линий, ни устойчивость атомной системы. Такими были трудности, с которыми столкнулся Нильс Бор в начале своих исследований.
Громадная заслуга Бора состоит именно в том, что он ясно понял, что нужно сохранить планетарную модель атома, введя в нее фундаментальные идеи квантовой теории. В соответствии с этой теорией среди бесконечного множества всевозможных движений, допускаемых классической механикой, только некоторые квантованные движения оказываются устойчивыми и обычно осуществляются в природе. Для систем, совершающих одномерное периодическое движение, это условие квантования было введено Планком. Обобщение же этого условия на случай периодического движения, определяемого более чем одним параметром, к тому времени, когда Бор написал свои первые работы, еще не было известно.
Бор предположил, что движение атомных систем должно быть квантованным, то есть должно подчиняться некоторым условиям или, как иногда говорят, правилам квантования. Следовательно, каждый атом должен обладать некоторой последовательностью квантованных, или стационарных состояний. Если атом изолирован и образует замкнутую систему, то каждое из этих стационарных состояний характеризуется некоторым квантованным значением энергии. Таким образом, каждый вид атома характеризуется последовательностью квантованных значений энергии, соответствующих возможным различным стационарным состояниям. Иначе говоря, атому каждого элемента соответствует последовательность чисел, определяющих энергию различных состояний, в которых этот атом может находиться. Вывод, очевидно, прямо противоположный выводу классической электродинамики, согласно которой электроны-планеты, движущиеся с ускорением, должны были бы непрерывно излучать электромагнитные волны.
Почему электрон не падает на ядро? Постулируя стационарные состояния, теория Бора не объяснила, почему все-таки электрон, двигаясь ускоренно, не излучает и не падает в результате на ядро. Это, очевидно, объясняется тем, что падение электрона на ядро существенно уменьшило бы неопределенность его координат: если до падения на ядро электрон был локализован в пределах атома, то есть в области пространства размерами порядка 10-8 см, то после падения на ядро электрон должен быть локализован в области с линейными размерами меньше 10-12 см. Более сильная локализация микрообъекта в пространстве связана с "размытием" его импульса, поэтому при падении на ядро среднее значение импульса электрона должно возрасти, для чего требуется затрата энергии. Получается, что нужно усилие отнюдь не для того, чтобы "удержать" электрон от падения на ядро, а совсем наоборот - нужно усилие, чтобы заставить электрон локализоваться в пределах ядра.
Если бы электрон упал на ядро, это должно было привести к его локализации в области с размерами от 10-8 до 10-12 см. При этом минимальная энергия должна возрасти - от 10 до 109 эВ (и больше). В результате минимальная энергия электрона оказывается на несколько порядков больше энергии связи нуклона в атомном ядре. Это значит, что в ядерной "потенциальной яме" электрон вообще не реализуется, так что никаким образом даже "насильно" нельзя его заставить локализоваться в пределах ядра. Тем самым не только снимается "проблема падения электрона на ядро", но и решается другой принципиальный вопрос: в состав атомного ядра электроны не входят.
Итак, только переход атома из одного стационарного состояния в другое с изменением энергии сопровождается излучением. Бор предположил, что каждая спектральная линия соответствует мгновенному переходу атома из одного квантового состояния в другое, характеризуемое меньшим значением энергии. Избыток энергии уносится излучением. При этом в квантовой теории вполне естественно считать, что энергия излучается в виде отдельных квантов, или фотонов. Таким образом, при переходе атома из одного стационарного состояния в другое он испускает фотон, энергия которого равна разности энергий начального и конечного состояний атома. Итак, Бор построил свою квантовую теорию атома на двух основных положениях:
1. атом обладает последовательностью стационарных состояний, соответствующих движениям, удовлетворяющим условиям квантования Планка, и только эти состояния могут быть физически реализованы;
2. спектральное излучение может испускаться лишь при переходе атома из одного стационарного состояния в другое, причем частота этого излучения определяется вышеуказанным правилом частот.
3.4.5. Вероятностный характер процессов
в микромире
Понятие вероятности играло важную роль в первых физических трактовках волновой механики. Чувствовалось, что возникла общая теория, в которой все законы новой механики имеют вероятностный характер. К этой теории, внешне очень новой и отвергающей многие классические идеи, постепенно приковывалось внимание всех физиков. Можно сказать, что сегодня ее приняли все, даже те, кто поверил в нее временно, и не оставляют надежды в один прекрасный день возвратиться к классическим представлениям.
Начнем с внешне почти банальной идеи о том, что для точного знания какой-либо физической величины нужно ее измерить. А для ее измерения всегда нужен некий прибор, который как-то воздействует на эту величину, в результате чего она становится известной с такой-то степенью точности. В классической физике a priori (до опыта) предполагалось, что, приняв соответствующие меры предосторожности, всегда можно так провести эти измерения, чтобы существенно не нарушить состояния, которое было до измерения. При этих условиях процесс измерения лишь устанавливает существование некоторого состояния, не внося ничего нового. В макроскопических масштабах этот постулат, неявно допускаемый классической физикой, правилен. В этой области способный экспериментатор всегда может количественно исследовать явление, не внося значительных искажений. Это следует из того, что возмущения, которые возникают в процессе измерения, можно всегда сделать пренебрежимо малыми по сравнению с измеряемыми величинами. Напротив, когда мы имеем дело с микроскопическими величинами, из существования кванта действия* следует, что возмущения, возникающие в процессе измерения, бесконечно уменьшать нельзя. Поэтому каждое измерение существенно искажает исследуемое явление.
Достаточно заметить, что ниоткуда не следует, что операция измерения является простым и хорошим способом получения сведений о существовавшем до этого измерения состоянии. Вполне возможно, что операция измерения сама участвует в создании нового состояния, извлекая из существовавшего до этого состояния одну из содержащихся в нем возможностей.
Вероятностный характер процессов в микромире во многом определяется феноменом корпускулярно-волнового дуализма. Классическая физика знакомит с двумя видами движения - корпускулярным и волновым. Для первого характерны локализация объекта в пространстве и существование определенной траектории его движения. Для второго, напротив, характерна делокализация в пространстве; с волновым движением не сопоставляется локализованный объект - это есть движение некоей среды. На уровне макроявлений корпускулярное и волновое движение четко разграничены: движение брошенного камня и движение волны, набегающей на прибрежный песок, отличаются друг от друга.
Эти привычные представления не могут быть перенесены в квантовую механику. На уровне микроявлений указанное выше четкое разграничение между двумя видами движения в существенной мере стирается - движение микрообъекта характеризуется одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами. Если схематически рассматривать классические корпускулы и классические волны как два предельных случая описания движения материи, то микрообъекты должны занять в этой схеме место где-то посередине. Они не являются ни "чистыми" (в классическом понимании) корпускулами, ни "чистыми" волнами - они являются чем-то качественно иным. Можно сказать, что микрообъект в какой-то мере похож на корпускулу, в какой-то мере - на волну, причем эта мера зависит, в частности, от условий, в которых рассматривается микрообъект. Если в классической физике корпускула и волна - две взаимоисключающие друг друга противоположности (либо частица, либо волна), то теперь, на уровне микроявлений, эти противоположности объединяются в рамках единого микрообъекта. Это обстоятельство и принято называть корпускулярно-волновым дуализмом ("дуализм" означает двойственность).
Микрообъект не является классической корпускулой, но к понятию микрообъекта приводит процесс "раздробления" окружающих нас тел на все более и более мелкие "частички". Поэтому вполне естественно, что микрообъекты ассоциируются, прежде всего, с корпускулами. Этому способствует и тот факт, что большинству микрообъектов характерна определенная масса покоя и определенные заряды. Бессмысленно говорить, например, о половине электрона, обладающей половинной массой и половинным электрическим зарядом целого электрона. В самих терминах "микрочастица", "элементарная частица" отражено представление о микрообъекте как о некоей частице (корпускуле).
Однако микрообъект весьма существенно отличается от классической корпускулы. Прежде всего, он не имеет траектории, являющейся неизменным атрибутом классической корпускулы. Использование при рассмотрении микрообъекта таких корпускулярных характеристик, как координата, импульс, момент, энергия, ограничивается рамками соотношений неопределенностей. Взаимопревращения микрообъектов, самопроизвольные распады, наличие специфического неуничтожаемого собственного момента (спина), способность проходить сквозь потенциальные барьеры - все это свидетельствует о том, что микрообъекты совершенно не похожи на классические корпускулы.
Корпускулярным представлениям противостоят волновые представления. Неудивительно поэтому, что разительное отличие микрообъектов от классических корпускул объясняют наличием у них волновых свойств, тем более что именно с волновыми свойствами микрообъектов связаны соотношения неопределенностей и все, вытекающие отсюда следствия. Весьма показательно в этом отношении следующее замечание де Бройля: "В оптике в течение столетия пренебрегали корпускулярным подходом в пользу подхода волнового. Не делалась ли в теории материи обратная ошибка? Не думали ли мы слишком много о картине "частиц" и не пренебрегали ли чрезмерно картиной волн?". Вопрос, поднятый де Бройлем, совершенно уместен. Однако следует опасаться чрезмерного увеличения волнового аспекта при рассмотрении микрообъектов. Необходимо помнить, что, если, с одной стороны, микрообъект не является классической корпускулой, то точно так же, с другой стороны, он не является и классической волной.
Если микрообъект не является ни корпускулой, ни волной, то, может быть, он представляет собой некий симбиоз корпускулы и волны? Предпринимались различные попытки модельно изобразить такой симбиоз и тем самым наглядно смоделировать корпускулярно-волновой дуализм. Одна из таких попыток связана с представлением микрообъекта как волнового образования, ограниченного в пространстве и во времени. Это может быть волновой пакет. Это может быть и просто "обрывок" волны, называемый обычно "волновым цугом". Другая попытка связана с использованием модели волны-пилота, согласно которой микрообъект есть некое "соединение" корпускулярной "сердцевины" с некоторой волной, управляющей движением "сердцевины".
Какова же окончательная трактовка корпускулярно-волнового дуализма? В настоящее время корпускулярно-волновой дуализм понимают, как потенциальную способность микрообъекта проявлять различные свои свойства в зависимости от тех или иных внешних условий, в частности, условий наблюдения. Как писал Фок, "у атомных объектов в одних условиях выступают на передний план волновые свойства, а в других - корпускулярные; возможны и такие условия, когда и те, и другие свойства выступают одновременно. Можно показать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как частица, либо как волна, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна-частица. Всякое иное, более буквальное понимание этого дуализма в виде какой-либо модели неправильно".
Приведем простейший пример. Пусть пучок электронов проходит сквозь экран со щелями и затем попадает на экран-детектор. При прохождении через щели электроны реализуют свои волновые свойства, что обуславливает характерное для интерференции* распределение электронов за щелями. При попадании же на экран-детектор электроны реализуют свои корпускулярные свойства - каждый из них регистрируется в некоторой точке экрана. Можно сказать, что электрон проходит сквозь щель как волна, а регистрируется на экране как частица.
В связи с этим говорят при одних обстоятельствах, что "микрообъект есть волна", а при других - "микрообъект есть частица". Такая трактовка корпускулярно-волнового дуализма неправильна. Независимо ни от каких обстоятельств микрообъект не является ни волной, ни частицей, ни даже симбиозом волны и частицы. Это есть некий весьма специфический объект, способный в зависимости от обстоятельств проявлять в той или иной мере корпускулярные и волновые свойства. Понимание корпускулярно-волнового дуализма как потенциальной способности микрообъекта проявлять в различных внешних условиях различные свойства есть единственно правильное понимание. Отсюда, в частности, следует вывод: наглядная модель микрообъекта принципиально невозможна.
3.4.6. Гипотеза Луи де Бройля об универсальности
корпускулярно-волнового дуализма
В 1924 Луи де Бройль предположил: не только луч света, но и все тела в природе должны обладать и волновыми и корпускулярными свойствами одновременно. Поэтому, кроме световых волн и частиц материи, в природе должны реально существовать и корпускулы света, и волны материи. Конкретно, он предложил с каждым микрообъектом связывать, с одной стороны, корпускулярные характеристики (энергию Е и импульс р.), а с другой стороны, волновые характеристики (частоту ? и длину волны ?).
Свет имеет два типа свойств, которые кажутся прямо противоположными: волновые свойства и свойства частиц. Довольно часто два типа свойств приводят к одинаковым результатам, но имеется и существенная разница. Её можно представить следующим образом:
Частицы:
* Переносят свою энергию (кинетическую) и импульс компактным пакетом.
* При наложении двух потоков их вклады прибавляются один к другому.
* Отбрасывают резкую тень
* Либо проходят через дырку в стенке, либо не проходят, частица не может частично пройти через одну, а частично через другую дырку в одной и той же стенке.
Волны:
* Переносят свою энергию, распределённую по всему "фронту волны".
* При наложении двух потоков (из одного источника) интерферируют
* Огибают препятствия.
* Могут переходить с одной стороны стенки на другую через любое количество дырок.
* Поперечные волны могут обладать поляризацией.
Идею дуализма "волна-частица" трудно воспринять для света, но ещё труднее для атомов, электронов и всех частиц. Свет, проходящий через пару щелей в стенке, образует на удалённом экране интерференционные полосы Юнга. Но его энергия, очевидно, переносится пулеподобными квантами, большая часть которых попадает на яркие и только малая часть квантов - на тёмные полосы36.
Первоначально идея дуализма была применена к электромагнитному излучению. Еще в 1917 г. Эйнштейн предложил рассматривать введенные Планком кванты излучения как своеобразные частицы, обладающие не только определенной энергией, но и определенным импульсом. Позднее (с 1923 г.) эти частицы стали называть фотонами.
Весьма ярко корпускулярные свойства излучения проявились в эффекте Комптона (1923 г.). Пусть пучок рентгеновских лучей рассеивается на атомах вещества. По классическим представлениям рассеянные лучи должны иметь ту же длину волны, что и падающие. Однако опыт показал, что длина волны рассеянных лучей больше начальной длины волны, причем разница в длинах волн зависит от угла рассеяния. Эффект Комптона получил объяснение в предположении, что пучок рентгеновских лучей ведет себя как поток фотонов, которые испытывают упругие столкновения с электронами атомов, и выполняют закон сохранения энергии и импульса для сталкивающихся частиц. При этом достигалось не только качественное, но и количественное согласие с экспериментом.
Гипотеза де Бройля получила в 1927 г. подтверждение: была обнаружена дифракция электронов. Исследуя прохождение электронов сквозь тонкие пластинки, Дэвисон и Джермер (а также Тартаковский) обнаружили на экране - детекторе характерные дифракционные кольца. Для "электронных" волн кристаллическая решетка мишени сыграла роль дифракционной решетки. Измерение расстояний между дифракционными кольцами для электронов заданной энергии подтвердили формулу де Бройля.
В 1949 г. Фабрикант с сотрудниками поставили интересный опыт. Они пропускали через дифракционное устройство крайне слабый электрический пучок - промежуток времени между последовательными актами пропускания (между двумя электронами) более чем в 10000 раз превышал время, необходимое для прохождения электрона через устройство. Это давало уверенность, что на поведение электрона не влияют другие электроны пучка. Опыт показал, что при длительной экспозиции, позволяющей зарегистрировать на экране-детекторе достаточно большое число электронов, возникала такая же дифракционная* картина, как и в случае обычных электронных пучков. Отсюда следовало, что волновые свойства электронов нельзя объяснить как некий эффект коллектива электронов; волновыми свойствами обладает каждый отдельно взятый электрон.
3.4.7. Принцип неопределённости В. Гейзенберга
Физическая интерпретация новой механики ведет к очень интересным и важным следствиям, на которые впервые обратил внимание Гейзенберг, Математически они выражаются неравенствами, известными сегодня под названием соотношений неопределенности. Гейзенберг вывел эти неравенства из некоммутативности* величин в своей новой квантовой механике. Гейзенберг и Бор провели строгий и глубокий анализ процесса измерения и показали, что ни одно измерение не может дать результатов, противоречащих соотношениям неопределенности. И это, как мы видим, обусловлено двумя причинами, очевидно, связанными между собой: существованием кванта действия, с одной стороны, и дискретной природой вещества и излучения, с другой.
Чтобы понять, почему эксперимент не может дать большей точности, чем позволяют соотношения неопределенности, предположим, что мы пытаемся точно определить положение частицы в пространстве. Самый точный способ исследовать пространство в пределах очень малых размеров, который имеется в нашем распоряжении, это коротковолновое излучение. Этот метод, гораздо более точный, чем любой механический метод, позволяет различить в пространстве две точки, расстояние между которыми порядка длины волны. Чтобы точнее определить координату частицы, нам нужно взять длину волны излучения тем короче, чем с большей точностью необходимо знать координату. Но здесь в виде кванта излучения проявляется существование кванта действия. Чем больше мы уменьшаем длину волны нашего излучения, тем больше увеличиваем его частоту, а, следовательно, энергию его фотонов. Увеличивается при этом и импульс, который эти фотоны могут передать исследуемой частице. Измерительный же прибор, приспособленный для точного определения координаты частицы, оставляет нас в полном неведении относительно значения ее импульса в процессе измерения.
Таким образом, конечное состояние движения частицы, полученное после измерения, будет тем более неопределенным, чем более точно измерено ее положение в пространстве. Выражая количественно проведенное рассуждение, мы снова получим соотношение неопределенности. С другой стороны, представим себе эксперимент, имеющий целью точное определение состояния движения: например, измерение скорости электрона можно провести, изучая эффект Доплера при рассеянии света. Мы опять придем к заключению, что чем точнее прибор определяет состояние движения частицы, тем более неопределенным будет ее положение. Соотношения неопределенности оказываются математическим выражением этого обстоятельства.
Иногда соотношение неопределенностей трактуют так: нельзя измерить координату и импульс микрообъекта с произвольно высокой точностью одновременно; чем точнее измерена координата, тем менее точно должен быть измерен импульс. Такая трактовка не очень удачна, так как из нее можно вывести ложное заключение, что смысл соотношения сводится к ограничениям, которые оно накладывает на процесс измерения. В этом случае можно предположить, что микрообъект сам по себе имеет, и какой-то импульс и какую-то координату, но соотношение неопределенностей не позволяет нам измерить их одновременно.
В действительности же здесь ситуация иная - просто сам микрообъект не может иметь одновременно и определенную координату, и определенную соответствующую проекцию импульса; если, например, он находится в состоянии с определенным значением координаты, то в этом состоянии соответствующая проекция его импульса оказывается менее определенной. Естественно, что отсюда вытекает естественная невозможность совместного измерения координат и импульсов микрообъектов. Это есть следствие специфики микрообъектов, а отнюдь не какой-либо каприз природы, в силу которого будто бы не все существующее познаваемо. Следовательно, смысл соотношений не в том, что оно создает какие-то препятствия на пути познания микроявлений, а в том, что оно отражает некоторые особенности объективных свойств микрообъектов.
Соотношения неопределенностей показывают, каким образом следует пользоваться понятиями энергии, импульса и момента импульса при переходе к микрообъектам. Здесь обнаруживается весьма важная особенность физики микрообъектов: энергия, импульс и момент микрообъекта имеют смысл, но с ограничениями, налагаемыми соотношениями неопределенностей. Как писал Гейзенберг, "мы не можем интерпретировать процессы в атомарной области так же, как процессы большого масштаба. Если же мы пользуемся обычными понятиями, то их применимость ограничивается так называемыми соотношениями неопределенностей".
Следует, однако, подчеркнуть, что соотношения неопределенностей отнюдь не сводятся к указанному ограничению применимости классических понятий координаты, импульса, энергии и т.д. было бы неправильно не замечать за "негативным" содержанием соотношений неопределенностей значительного "позитивного" содержания этих соотношений. Они являются рабочим инструментом квантовой теории. Отражая специфику физики микрообъектов, соотношения неопределенностей позволяют весьма простым путем получать важные оценки.
3.4.8. Волновая механика и уравнение Э. Шредингера
В 1926 г. Эрвин Шредингер, австрийский физик-теоретик, обобщил гениальную догадку де Бройля на случай, когда электрон движется не в свободном пространстве, а во внешнем поле, например в кулоновском поле* ядра; он получил уравнение для функции, описывающей волновые свойства частиц.
К созданию волновой механики Шредингер пришёл своим собственным путём, рассматривая атом как колебательную систему и отождествляя возможные собственные колебания этой системы с устойчивыми энергетическими состояниями в атоме. Шредингер решил распространить математическую аналогию между оптикой и механикой на волновые свойства света и материи. Преодолев на этом пути многочисленные математические трудности, он получил знаменитое волновое уравнение для атома водорода:
? ? +(2m/h2)(E+e2/r)?=0,
где ? - волновая функция, m - масса электрона, e - его заряд, r - расстояние между электроном и ядром, E - полная энергия системы, h - постоянная Планка, ? - математический символ (оператор Лапласа).
Это соотношение, выражающее обобщение гипотезы де Бройля о волновых свойствах вещества позволило рассматривать стационарные электронные орбиты в атоме Бора как собственные колебания - по аналогии с тем, как натянутая струна колеблется лишь с некоторыми дискретными частотами, зависящими от её длины и граничных условий.
С помощью полученного им волнового уравнения Шредингер рассчитал энергетические уровни такого гармонического осциллятора* и показал на примере атома водорода, что теоретически рассчитанные энергетические уровни либо совпадают со значениями, полученными в рамках матричной механики Гейзенберга, либо хорошо согласуются с экспериментами. Использование хорошо известных методов математической физики сделало теорию Шредингера более привлекательной для физиков, чем матричная механика Гейзенберга.
Следствием работ Шредингера стала дискуссия о природе волновой функции. По отношению к этой проблеме физики разделились на два лагеря. Сам Шредингер трактовал волновую функцию самым наглядным образом и говорил в этой связи о колебательном движении в трёхмерном пространстве. Квантовый скачок при переходе атома из одного состояния в другое интерпретировался как постепенный переход из состояния, соответствующего собственному колебанию с энергией Еm, в состояние с энергией Еn, при этом излишек энергии излучался в виде электромагнитной волны. Электрон представлялся электрически заряженным облаком, обволакивающим атом, и преобразовывался в пространственно распределённую электромагнитную волну, движущуюся непрерывно, без всякого квантового скачка. Квантовая механика, таким образом, естественно примыкала к классической механике, что импонировало как Шредингеру, так и де Бройлю, Эйнштейну, фон Лауэ, Планку.
Другой точки зрения придерживались Паули, Гейзенберг и Бор. Их работа показала, что построить квантовую теорию только на базе волновых представлений, отказавшись от концепции корпускулярно-волнового дуализма, невозможно.
Исследования М. Борна в 1926 г. раскрыли истинный смысл волновой функции Шредингера: квадрат её амплитуды соответствовал вероятности, с которой частица могла быть обнаружена в данной точке пространства. Это означало, что волновая функция описывала отдельные события (например, акт излучения кванта света) лишь с точки зрения вероятности их осуществления. Такая интерпретация поставила волновую механику на прочную физическую основу и вскоре получила относительно замкнутый и непротиворечивый вид. В настоящее время статистическое истолкование квантовой теории является общепризнанным.
3.4.9. Принцип дополнительности Н. Бора
Бор, роль которого в развитии современной физики огромна, в своих всегда глубоких и часто очень тонких исследованиях много сделал для уяснения довольно необычного смысла новой механики. В частности, именно он ввел понятие дополнительности, такое любопытное с философской точки зрения. Бор исходил из идеи, что электрон можно описать с помощью корпускулярной и волновой картины. Удивительно, каким образом два столь различных описания, можно сказать, столь противоречащих друг другу, можно использовать одновременно. Он показал, что это можно сделать только потому, что соотношения неопределенности - следствие существования кванта действия - не позволяют вступить этим двум образам в прямое противоречие. Чем более стремятся уточнить в процессе наблюдений одну картину, тем непонятней становится другая картина. Когда длина волны электрона такова, что существенную роль может играть явление интерференции, его нельзя больше считать локализованным и использовать корпускулярные представления. Наоборот, когда электрон строго локализован, его интерференционные свойства исчезают и его нельзя больше описывать с волновой точки зрения.
Волновые и корпускулярные свойства никогда не вступают в конфликт, ибо они никогда не существуют одновременно. Мы пребываем в постоянном ожидании борьбы между волной и частицей, но ее никогда не происходит, так как никогда оба противника не появляются вместе. Понятие электрон, так же как и другие элементарные физические понятия, имеет, таким образом, два противоречивых аспекта, к которым, однако, нужно обращаться по очереди, чтобы объяснить все его свойства. Они подобны двум сторонам одного предмета, которые никогда нельзя увидеть одновременно, но которые, однако, нужно осмотреть по очереди, чтобы полностью описать этот предмет. Эти два аспекта Бор и назвал дополнительными, понимая под этим, что они, с одной стороны, противоречат друг другу, с другой - друг друга дополняют.
Оказывается, что это понятие дополнительности играет важную роль в чисто философской доктрине. Действительно, совсем не очевидно, что мы можем описать физические явления с помощью одной единственной картины или одного единственного представления нашего ума. Наши картины и представления мы образуем, черпая вдохновение из нашего повседневного опыта. Из него мы извлекаем определенные понятия, а затем уже, исходя из них, придумываем путем упрощения и абстрагирования некоторые простые картины, некоторые, по-видимому, ясные понятия, которые, наконец, пытаемся использовать для объяснения явлений. Таковы понятия строго локализованной частицы, строго монохроматической волны. Однако вполне возможно, что эту идеализацию, чрезмерно упрощенный и весьма грубый, по выражению Бора, продукт нашего мозга, нельзя никогда строго применять к реальным процессам. Чтобы описать всю совокупность реального мира, возможно, необходимо применять последовательно две (или больше) идеализации для одного единственного понятия. То одна, то другая будет более подходящей: иногда (в случае, о котором мы говорили в предыдущем разделе) можно считать, что одна из двух точно описывает явление. Однако этот случай будет редким исключением. Вообще же говоря, мы не можем избежать привлечения двух идеальных образов. Если глубоко вникнуть в очень сложную мысль знаменитого физика, то это поистине одна из самых оригинальных идей, которые внушила Бору квантовая физика.
Можно попытаться распространить область приложения этих философских идей за пределы физики, например, исследовать, как это сделал сам Бор, не может ли понятие дополнительности найти важное применение в биологии, в понимании двойственности физико-химического и специфически жизненного аспекта в явлениях живой природы. Мы могли бы исследовать также вопрос о том, не окажутся ли все эти идеализации тем менее применимыми к реальной действительности, чем более они совершенны.
"Правила игры" квантовомеханического описания нерелятивистских макро- и микроскопических объектов не могут быть выведены, из "привычных" классических законов, поскольку являются более общими и включают в себя эти классические законы, как частный случай, получаемый в виде чисто математических следствий из постулируемых принципов квантовой механики.
Критерием истинности формулируемых принципов, как обычно, является эксперимент и, может быть, красота и изящность теории ("эта теория достаточно безумна, чтобы быть верной"). Следует ожидать, что после завершения разработки еще более общей теории (релятивистской квантовой механики), принципы нерелятивистской теории превратятся в прямые следствия новых, более фундаментальных принципов.
Одним из принципиальных отличий квантовомеханического описания явлений от принятого в классическом естествознании подхода является отказ от детерминированности и признание принципиальной роли случайности в процессах с участием микрообъектов. В классическом описании понятие случайности используется для описания поведения элементов статистических ансамблей и является осознанной жертвой полноты описания во имя простоты решаемых задач. В микромире же точный прогноз поведения объектов, дающий значения его традиционных для классического описания параметров, по-видимому, вообще невозможен.
По этому поводу до сих пор ведутся оживленные дискуссии: приверженцы классического детерминизма, не отрицая возможности использования уравнений квантовой механики для практических расчетов, видят в учитываемой ими случайности результат нашего неполного понимания законов ("внутренних механизмов"), управляющих пока непредсказуемым для нас поведением микрообъектов. Приверженцем такого подхода был А. Эйнштейн, сформулировавший свою позицию в знаменитом высказывании: "Я не могу предположить, чтобы господь Бог играл в кости". До настоящего времени не обнаружено никаких экспериментальных фактов, указывающих на существование внутренних механизмов, управляющих "случайным" поведением микрообъектов.
В квантовой механике отвергается постулируемая в классическом естествознании принципиальная возможность выполнения измерений и даже наблюдений объектов и происходящих с ними процессов, не влияющих на эволюцию изучаемой системы. Это приводит к существованию пар канонически сопряженных классических параметров, одновременное сколь угодно точное измерение которых оказывается невозможным (к ним относятся уже упоминавшаяся координата - импульс, время - энергия, и др.).
Законы классической физики получаются из квантовомеханических законов в пределе больших масс составляющих систему тел. При этом, например, даваемые соотношением неопределенности ограничения на точность оказываются малосущественными. Выходящий из имеющей две открытые двери комнаты человек, в принципе, "будет интерферировать" подобно электрону в опыте Юнга, из-за чего возникнут области в пространстве, где он не сможет появиться. Однако из-за большой массы человека размеры этих областей будут столь малы (реально много меньше размеров микрочастицы), что для реальных задач макроскопического описания указанное явление заведомо несущественно и даже не наблюдаемо.
3.5. Симметрия
Симметрия и законы сохранения. ( Принципы, организующие сходство. Принцип симметрии П. Кюри. ( Симметрия тела и симметрия среды. ( Роль симметрии в организации мира. ( Симметрия пространства и времени. Калибровочные симметрии.

Понятие симметрии хорошо знакомо и играет важную роль в повседневной жизни. Многим творениям человеческих рук умышленно придается симметричная форма, как из эстетических, так и практических соображений. Мяч симметричен, так как выглядит одинаково, как бы его ни поворачивали вокруг центра. Круглая печная труба сохраняет свой внешний вид при более ограниченном наборе вращений - поворотах вокруг вертикальной оси, проходящей через центр поперечного сечения.
В природе симметрия также встречается в изобилии. Снежинка обладает удивительнейшей гексагональной симметрией. Кристаллы также имеют характерные геометрические формы - вспомним хотя бы кубическую форму кристаллов соли, отражающую регулярность атомной структуры. Падающая дождевая капля имеет форму идеальной сферы и, замерзая, превращается в ледяной шарик - градину.
3.5.1. Симметрия и законы сохранения
Два вида симметрии с необычным упорством повторяются вокруг нас. Один отвечает зеркальной или билатеральной симметрии - "симметрии листка", другой соответствует радиально - лучевой симметрии.
Всё то, что растёт или движется по вертикали, то есть вверх или вниз относительно земной поверхности подчиняется радиально-лучевой симметрии в виде веера пересекающихся плоскостей симметрии. Всё то, что растёт и движется горизонтально или наклонно по отношению к земной поверхности подчиняется билатеральной симметрии - "симметрии листка" (одна плоскость симметрии), или так называемой зеркальной симметрии. Например, человеческое тело обладает (приближенно) зеркальной симметрией относительно вертикальной оси. В зеркале правая и левая руки и другие части тела меняются местами, но видимое нами зеркальное отражение узнаваемо. Многие архитектурные сооружения, например арки или соборы, обладают зеркальной симметрией.
Между геометрической симметрией и тем, что в физике принято называть законами сохранения, существует тесная связь. Законы сохранения говорят нам, что некоторые величины не изменяются со временем. В футболе число игроков на поле сохраняется. Игроки могут выходить на поле и уходить с поля, но общее число их остается постоянным. В физике существует закон, согласно которому в любой изолированной системе энергия, импульс и момент импульса должны сохраняться. Это не означает, что изолированная система не может изменяться, - просто любое изменение, происходящее в системе, должно быть таким, чтобы три названные величины оставались постоянными. В бильярде, где из-за гладкой текстуры поверхности бильярдного стола шары приближенно можно считать механически изолированными, законы сохранения энергии и импульса определяют направления движения и скорости шаров.
Законы сохранения энергии, импульса и момента импульса вытекают непосредственно из законов движения Ньютона, но более поздняя формулировка этих законов, данная Лагранжем и Гамильтоном, позволила гораздо четче выявить их значение. Механика Лагранжа и Гамильтона обнажила глубокую и мощную связь между сохранением той или иной величины и соответствующей симметрией рассматриваемой системы. Например, если система симметрична относительно вращений, то из уравнений Гамильтона и Лагранжа следует, что сохраняется момент импульса.
Хорошей иллюстрацией к сказанному может служить сила тяготения Солнца. Хотя сферическое Солнце вращается вокруг своего центра, это никак не сказывается на движении Земли по орбите. Гравитационное поле Солнца симметрично и поэтому не изменяется при простом вращении. Этой геометрической симметрии соответствует физический результат: момент импульса планеты, движущейся по орбите, всегда постоянен. Этот факт был открыт еще в ХVII в. Кеплером, который, однако, не оценил его истинный смысл. Аналогичные соображения применимы к импульсу и энергии. Симметрии, соответствующие вращению или отражению, наглядны и радуют глаз, но они не исчерпывают весь запас симметрий, существующих в природе.
В физике частиц явления симметрии зачастую связаны не только с процессами отражения и вращения, а последние могут происходить не только в обычном пространстве (и времени), но и в абстрактных математических пространствах.
Симметричными могут быть отдельные частицы или их группы, а поскольку свойства частиц определяются их способностью участвовать во взаимодействиях, или процессах, все операции, позволяющие достичь симметрии, связаны здесь с "законами сохранения". Если какой-либо субатомный процесс характеризуется симметрией, можно с уверенностью утверждать, что в нём принимает участие некая константа (постоянная величина). Константы являются маленькими островками стабильности в сложном танце субатомной материи и могут помочь нам в описании взаимодействий частиц. Некоторые величины остаются константами, или "сохраняются", во всех взаимодействиях, некоторые - только в их части. В результате в каждом процессе принимает участие определенное количество констант. Поэтому симметричность частиц и их взаимодействий воплощается в законах сохранения. Физики используют обе эти формулировки, говоря то о симметрии процесса, то о соответствующем законе сохранения.
Существуют четыре основные разновидности законов сохранения, связанных с соответствующими типами симметрии:
1. Все взаимодействия частиц характеризуются симметричностью в отношении пространственных перемещений: в Лондоне они происходят точно таким же образом, как и в Нью-Йорке. Эта симметрия связана с сохранением импульса и означает, что суммарная величина импульса, принимающего участие в каком-либо взаимодействии неизменна.
2. Взаимодействия частиц обладают симметричностью и в отношении перемещений во времени, протекая во вторник точно так же, как и в четверг. Эта симметрия связана с сохранением энергии и означает, что суммарное количество энергии частиц, включающей их массы, остаётся постоянным до начала реакции и после ее завершения.
3. Третий основополагающий тип симметрии связан с расположением в пространстве. Смысл этой симметрии заключается в том, что направление движения частиц, принимающих участие во взаимодействии (скажем, вдоль оси север-юг или запад-восток), не оказывает никакого влияния на результаты взаимодействия. Как следствие этой закономерности, суммарное количество вращения не должно изменяться во время процесса.
4. Наконец, четвертым законом является закон сохранения электрического заряда. Он связан с более сложной операцией симметрии. Однако его формулировка в качестве закона сохранения предельно проста: суммарный электрический заряд, присущий всем участвующим в столкновении частицам, остается неизменным.
3.5.2. Принципы, организующие сходство
Основываясь на принципе Кюри, можно выделить три случая наложения симметрии среды на симметрию формирующегося в ней тела:
* Все элементы собственной симметрии тела совпадают с элементами симметрии среды. В этом случае все элементы собственной симметрии тела сохраняются, а его формы получают идеальное развитие. Это явление полнее всего реализуется в средах с симметрией шара. Именно так возникают формы идеально образованных кристаллов или некоторых организмов (радиолярии), развивающихся во взвешенном состоянии при условиях всестороннего и равномерного питания. При резко преобладающем влиянии среды её симметрия полностью отпечатывается на подчинённом ей объекте.
* Элементы собственной симметрии тела лишь частично совпадают с элементами симметрии среды. В этом случае получаются ложные, искажённые формы с вынужденной внешней симметрией, сохраняющей обычно лишь часть элементов собственной симметрии. Для особо податливых форм среда как бы навязывает свои элементы симметрии, чуждые собственной симметрии тела. Это особенно часто осуществляется в поле земного тяготения. Получающиеся в этом случае формы чаще всего отвечают двум формам внешней симметрии - радиально-лучевой и билатеральной. В окружающей нас природе эти два типа симметрии встречаются повсеместно, проявляясь особенно наглядно в формах растительного мира.
* Ни один из элементов собственной симметрии тела не совпадает с элементами симметрии среды. Зная симметрию среды и собственную симметрию тела, можно всегда определить вынужденную симметрию этого тела. Перечисленные три случая охватывают все возможные ситуации формирования природных тел. В третьем случае собственная симметрия тела вовсе не согласуется с симметрией среды. Здесь получаются асимметричные фигуры, более или менее приближающиеся к ложным формам второго случая в зависимости от степени отклонения элементов собственной симметрии от элементов симметрии среды.
Приведённая последовательность трёх возможных случаев сочетания элементов среды с элементами симметрии тела согласуется с общим ходом эволюции форм органического мира. Простейшие формы, развивавшиеся во взвешенном состоянии внутри однородной среды, обладают наиболее высокой симметрией, вплоть до симметрии шара. Далее появляются растения (формы, прикреплённые к земле) и получившие в связи с этим симметрию радиально-лучевого типа. Ещё позже возникают формы, перемещающиеся по земле в определённом направлении и сохранившие вследствие этого единственную плоскость симметрии. За исключением первого случая собственная симметрия тела предстает, как правило, в искажённом ущербном виде под маской ложных форм. Тем самым особая геометрия, свойственная самой природе тела, основательно "засекречивается"37.
Исследуя математическое описание той или иной физической системы, физики открывают время от времени новые и неожиданные симметрии. Симметрии таинственно и тонко "запрятаны" в математическом аппарате и совсем не очевидны тому, кто наблюдает саму физическую систему. Манипулируя символами в уравнениях, физики пытаются раскрыть весь набор симметрий, в том числе и таких, которые не видны "невооруженным глазом".
Классический пример такого рода, возникший на рубеже нашего столетия, относится к законам электромагнитного поля. В своё время М. Фарадей и другие физики установили, что электричество и магнетизм тесно связаны между собой и что одно порождает другое. Действие электрических и магнитных сил удобнее всего было описать, пользуясь понятием поля - невидимого воздействия, создаваемого материей, простирающегося далеко в пространство и способного влиять на электрически заряженные частицы, электрические токи и магниты. Действие такого поля можно наблюдать, если попытаться сблизить два магнита: не соприкасаясь друг с другом, они будут отталкиваться или притягиваться.
Позднее, в 50-х годах ХIХ в., Дж. К. Максвелл, опираясь на эти факты, разработал теорию, связав электрическое и магнитное поля единой системой уравнений. Сначала Максвелл обнаружил, что эти уравнения "несбалансированны": члены, относящиеся к электрическому и магнитному полям, входят в них не вполне симметрично. Чтобы придать уравнениям более красивый и симметричный вид, он ввел дополнительный член. Его можно было бы интерпретировать как не замеченный ранее эффект - порождение магнетизма переменным электрическим полем, но оказалось, что такой эффект действительно существует. Природа, очевидно, одобрила эстетический вкус Максвелла!
Введение дополнительного члена в уравнения Максвелла повлекло за собой чрезвычайно глубокие последствия:
* Во-первых, это позволило соединить электрическое и магнитное поля в единое электромагнитное поле. Уравнения Максвелла можно считать первой единой теорией поля, первым шагом на долгом пути к суперсиле. Они показали, что две силы природы, кажущиеся на первый взгляд различными, в действительности могут оказаться двумя различными проявлениями объединяющей их силы.
* Во-вторых, среди решений уравнения Максвелла обнаружились неожиданные, но весьма многообещающие. Выяснилось, что уравнениям Максвелла удовлетворяют различные синусоидальные функции (опять симметрия!), которые описывают периодические колебания, или волны. Эти электромагнитные волны, заключил Максвелл, самостоятельно распространяются в поле, то есть в том, что кажется пустым пространством. Из своих уравнений он вывел формулу, выражающую скорость электромагнитных волн через электрические и магнитные величины. Подставляя численные значения, Максвелл получил, что скорость электромагнитных волн составляет около 300 000 км/с, то есть, совпадает со скоростью света. Отсюда последовал неизбежный вывод: свет должен представлять собой электромагнитную волну. Он действительно может распространяться в пустом пространстве, именно поэтому мы, и видим Солнце.
Пойдя дальше, Максвелл предсказал также существование электромагнитных волн другой длины, и через несколько лет его предсказание подтвердилось: Генрих Герц открыл в лабораторных условиях радиоволны. Сегодня мы знаем, что гамма, рентгеновское, инфракрасное, ультрафиолетовое и СВЧ-излучения также представляют собой электромагнитные волны. Небольшая добавка, внесенная Максвеллом в уравнения (носящие ныне его имя) из соображений симметрии, дала большие результаты.
Это великолепный пример, наглядно демонстрирующий не только гигантские возможности математики в описании мира и расширении нашего знания о нем, но и роль симметрии и красоты как путеводного принципа.
3.5.3. Роль симметрии в организации мира
На рубеже ХХ в. А. Пуанкаре и Г. А. Лоренц исследовали математическую структуру уравнений Максвелла. Их особенно интересовали симметрии, скрытые в математических выражениях, - симметрии, которые тогда еще не были известны.
Оказалась, что знаменитый "дополнительный член", введенный Максвеллом в уравнения для восстановления равноправия электрического и магнитного полей, соответствует электромагнитному полю, обладающему богатой, но тонкой симметрией, выявляемой лишь при тщательном математическом анализе.
Симметрия Лоренца-Пуанкаре аналогична по своему духу таким геометрическим симметриям, как вращение и отражение, но отличается от них в одном важном отношении: никому до этого не приходило в голову физически смешивать пространство и время. Всегда считалось, что пространство - это пространство, а время - это время. То, что в симметрию Лоренца-Пуанкаре входят оба компонента этой пары, было странно и неожиданно.
По существу новую симметрию можно рассматривать наподобие вращения, но не только в одном пространстве. Это вращение затрагивает и время. Если к трем пространственным измерениям добавить одно временное, то получится четырехмерное пространство-время. Симметрия Лоренца-Пуанкаре - это своего рода вращение в пространстве-времени. В результате такого вращения часть пространственного интервала проектируется на время и наоборот. То, что уравнения Максвелла симметричны относительно операции, связывающей воедино пространство и время, наводит на размышления.
Понадобился гений Эйнштейна, чтобы полностью осознать все следствия такой симметрии. Пространство и время не существуют независимо друг от друга, они неразрывно связаны. Хитроумные "вращения" Лоренца и Пуанкаре - не просто абстрактная математика, они могут происходить в реальном мире, осуществляясь через движение. Ключ к причудливым пространственно-временным "проекциям", или преобразованиям, лежит в скорости света и других электромагнитных волн, и величина этой скорости также следует непосредственно из уравнений Максвелла.
Таким образом, существует глубокая взаимосвязь между распространением электромагнитных волн и структурой пространства и времени. Когда наблюдатель движется со скоростью, близкой к скорости света, пространство и время сильно изменяются, причем симметрично, и это отражено в математических соотношениях, полученных Лоренцем и Пуанкаре. Постижение столь тонкой и ранее не известной симметрии природы послужило толчком к созданию теории относительности Эйнштейна, а та в свою очередь ознаменовала рождение новой физики, потрясшей научный мир и изменившей лицо двадцатого столетия.
Урок, преподнесенный работами Лоренца и Пуанкаре, состоит в том, что математическое исследование симметрии, может стать источником выдающихся достижений в физике. Даже если заложенные в математическом описании симметрии трудно или невозможно представить наглядно, они могут указать путь к выявлению новых фундаментальных принципов природы. Поиск новых симметрий стал главным средством, помогающим физику в наши дни продвигаться к пониманию мира.
Все симметрии, о которых говорилось до сих пор, являются симметриями пространства или пространства-времени. Но представление о симметрии можно расширить, включив в него более абстрактные понятия. Как уже отмечалось, между симметрией и законами сохранения существует тесная связь. Один из наиболее твердо установленных законов сохранения - закон сохранения электрического заряда. Заряд может быть положительным и отрицательным, и закон сохранения заряда утверждает, что сумма положительного и отрицательного зарядов остается неизменной величиной. Если положительный заряд встречается с равным по абсолютной величине отрицательным зарядом, они нейтрализуют друг друга, создавая в сумме нулевой заряд. Аналогично положительный заряд может возникать, если одновременно возникает равный по абсолютной величине отрицательный заряд. Но возникновение или исчезновение результирующего заряда абсолютно исключено.
Но коль скоро электрический заряд сохраняется, естественно возникает вопрос о том, какова природа симметрии, связанной с этим законом сохранения. Тщетно стали бы мы искать геометрическую симметрию, лежащую в основе закона сохранения электрического заряда. Но в природе далеко не все симметрии имеют геометрический характер.
Рассмотрим, например, явление инфляции в экономике. Когда реальная стоимость доллара падает, падает и благосостояние лиц с фиксированным доходом. Но если чей-то доход следует индексу цен, то реальная покупательная способность этого лица не будет зависеть от стоимости доллара. Можно сказать, что доход, "привязанный" к уровню цен, симметричен относительно инфляционных процессов.
В физике также существует много симметрий негеометрического характера. Одна из них связана с работой, совершаемой при подъеме тела. Затрачиваемая энергия зависит от разности высот, которую требуется преодолеть при этом и не зависит от траектории подъема. Также энергия не зависит от абсолютной высоты: безразлично, измеряются высоты от уровня моря или от уровня суши, - важна только разность высот. Следовательно, существует симметрия относительно выбора начала отсчета высот.
Аналогичная симметрия существует и для электрических полей. Роль высоты в этом случае играет напряжение (электрический потенциал). Если электрический заряд движется в электрическом поле от одной точки к другой, то затрачиваемая энергия зависит только от разности потенциалов между конечной и начальной точками. Если к системе приложить дополнительное постоянное напряжение, то энергия, затрачиваемая на перемещение электрического заряда в поле, не изменится. Это еще одна скрытая симметрия уравнений Максвелла для электромагнитного поля.
Все три приведенных выше примера могут служить иллюстрациями того, что физики называют калибровочными симметриями. Все три указанные симметрии включают в себя "калибровку", то есть изменение масштаба, соответственно - денег, высоты и напряжения. Все три симметрии - абстрактные в том смысле, что они по своему характеру не геометрические. Мы не сможем, взглянув на соответствующие явления, увидеть симметрию. Однако все три скрытые симметрии являются важными характеристиками рассматриваемой системы. Именно калибровочная симметрия напряжений обеспечивает сохранение электрического заряда.
Следующий пример абстрактной симметрии демонстрирует сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами. Эксперименты показывают, что величина и другие свойства этого взаимодействия не зависят от того, о каких частицах идет речь - протонах или нейтронах. Действительно, протоны и нейтроны удивительно похожи друг на друга. Их массы отличаются всего лишь на 0,1%. У них одинаковые спины и на них одинаково действуют ядерные силы. Единственно, чем они отличаются, - это наличием у протона электрического заряда, но поскольку при ядерных взаимодействиях электрический заряд не имеет значения, он служит лишь меткой протона. Заряд позволяет распознавать протон и отличать его от нейтрона, но никак не сказывается на ядерном взаимодействии, связывающем протоны и нейтроны. Если протон лишить электрического заряда, то он утратит свою индивидуальность. Тесное сходство протона и нейтрона наводит на мысль, что здесь существует симметрия. Действительно, на ядерных процессах никак не отразится, если бы мы каким-то образом смогли заменить все протоны нейтронами и наоборот.
Как же на практике получается, что симметрия Вселенной скрыта от нас? Вообразим обыкновенный круглый таз, в котором находится бильярдный шар. Шар, помещенный в середине таза и предоставленный самому себе, скорее всего, скатится к стенке таза, туда, где дно ниже всего. Так что хоть сам таз обладает идеальной цилиндрической симметрией, но в целом общая конфигурация с шаром вне середины вовсе не симметрична. Мы привели пример, где под тазом нужно понимать природу вообще: даже если она подчиняется в высшей степени симметричным законам, это вовсе не значит, что она должна обязательно оказаться в симметричной конфигурации.
Однако если шар толкнуть как следует, то он начнет двигаться по всему тазу и почувствует его цилиндрическую форму. Такой толчок напоминает резкие столкновения, испытываемые частицами на наших ускорителях; на очень короткий промежуток времени вещество вновь обретает свою симметрию, и узнать об этом можно, выполняя серию очень тонких экспериментов.

ГЛАВА 4. КОНЦЕПЦИИ ДВИЖЕНИЯ,
ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ
4.1. Генезис представлений о пространстве и времени
Биологические предпосылки времени. ( Пространство реальное, концептуальное и перцептуальное. ( Время в архаичном сознании. Циклическая модель времени. ( Пространство и время мифа и натурфилософии. Социоморфная картина мира. Пространственно-временная упорядоченность Космоса. ( Теоцентрическая модель пространства и времени средневековья: господство аристотелевских взглядов, специфика исламских представлений о пространстве и времени.

Наши представления о пространстве и времени определяют картину мира. Они упорядочивают вещи и явления, окружающие нас и являются фундаментальными понятиями при попытках науки и философии объяснить мир. Нет такого закона физики, который можно было бы сформулировать без понятий пространства и времени. Именно поэтому значительное изменение содержания этих понятий благодаря теории относительности стало одной из величайших революций в истории науки.
Классическая физика исходила из представлений об абсолютном, трехмерном пространстве, существующем независимо от содержащихся в нем материальных объектов и подчиняющемся законам евклидовой геометрии. Время рассматривалось как самостоятельное измерение, которое носит абсолютный характер и течет с одинаковой скоростью, независимо от материального мира. На Западе эти представления стали такой неотъемлемой частью всего мировоззрения философов и ученых, что в них видели истинные и несомненные свойства природы.
4.1.1.Биологические предпосылки времени и виды
пространства.
Биологические предпосылки понятия времени связаны, прежде всего, с ритмикой человеческого организма. Чем глубже исследователи знакомятся, с этой ритмикой, тем поразительнее становится картина. Температура тела, оказывается, максимальна примерно в шесть вечера, а падает до минимума между пятью - семью утра. Костный мозг вырабатывает красные кровяные тельца активнее всего утром. Способность желудка переваривать пищу ночью практически равна нулю, зато максимальной становится к середине дня. Различных ритмических процессов насчитывается в нашем теле до сорока. Наши ритмы не даны нам от рождения. Мы приобретаем их с возрастом. Время, олицетворенное сменой дня и ночи, постепенно настраивает "внутренние часы" организма.
Время для организма определяется последовательностью событий. "Способность фиксировать последовательность процессов, - пишет Е. К. Сепп в своей "Истории развития нервной системы позвоночных", - является основной способностью мозговой коры. В основе ее лежит динамическая поляризация нейронов. По цепям нейронов импульсы протекают в одном направлении, и в таком порядке фиксируются следы бывших возбуждений".
Опыты, проделанные, в ФРГ и Японии на живых клетках, подтвердили, что ритмичность процессов опирается на такое фундаментальное свойство организма, как запасание и расходование энергии. Ничего таинственного нет в суточных циклах. Они сложились еще на заре зарождения жизни на планете, когда, так же как и сейчас, день сменялся ночью и живые организмы с суточной ритмичностью запасали энергию солнечного света. Иная частота попросту невыгодна.
Для правильного понимания проблемы универсальности основных свойств пространства необходимо различать пространство реальное, существующее "на самом деле", пространство концептуальное, то есть некоторое научное представление о реальном пространстве (в основном это физические и абстрактные математические пространства) и пространство перцептуальное (от лат. perceptio - восприятие, непосредственное отражение объективной действительности органами чувств), то есть пространство, воспринимаемое человеком своими органами чувств, и прежде всего зрением и осязанием, иными словами, кажущееся пространство, которое, следовательно, может быть сугубо индивидуальным.
В известной степени перцептуальное пространство связывает реальное и концептуальное пространства. В начальный период познания мира эти три вида пространства могут сливаться в один, отождествляемый с реальным пространством, что и проявляется в мифологии. С развитием первых философских систем и геометрии происходит интуитивное осознание различий между реальным, концептуальным и перцептуальным пространствами. Причем если для философии характерным было отождествление преимущественно реального и концептуального ("мыслимого") пространства, то в науке того времени чаще всего отождествлялись концептуальное и перцептуальное пространства.
Впрочем, отождествление разных видов пространства (в их различном сочетании) характерно и для многих современных исследователей, как философов, так и естествоиспытателей и обществоведов. И поскольку реальность познается человеком в процессе теоретической и чувственно-практической деятельности, постольку больше всего "страдает" представление о реальном пространстве. Как правило, реальному пространству приписываются свойства концептуального и перцептуального пространств, то есть на него переносятся наши теоретические представления о пространстве и (или) чувственное восприятие пространства.
Такая экспансия "мыслимых" свойств пространства на реальные приводит к искажению содержания самих представлений о пространстве, так как мы отождествляем эти свойства без коррекции*, без учета относительности познания. Поэтому в истории познания существуют разные представления о пространстве.
Констатируя различия между реальным, концептуальным и перцептуальным пространствами, мы должны выделить и общее между ними. Строго говоря, общее между этими видами пространства - в их соответствии, так как последние два, отражая, моделируют первое. Видимо, одним из основных свойств является их топологическое сходство: между точками реального и перцептуального пространств существует взаимооднозначное соответствие и порядок точек в реальном пространстве определяет порядок точек в перцептуальном. В свою очередь, непрерывному движению тела в перцептуальном пространстве соответствует непрерывное движение тела в пространстве реальном.
Установление топологического* сходства между реальным и концептуальным пространствами значительно сложнее. Эта сложность обусловлена тем, что концептуальное пространство создается только в уме человека для научного познания реального пространства. Оно носит порой предельно абстрактный характер и выражается в виде символов - математических, физических и других.
Перцептуальное же пространство, будучи непосредственным отражением реального пространства, есть отражение чувственное. Оно является нам в процессе обыденного, повседневного опыта, который постоянно соотносит это пространство с пространством реальным, что и позволяет нам ориентироваться в нем. Здесь нет символов, есть лишь непосредственное восприятие: даже стол, например, не стол вообще, а данный конкретный стол. Но как только мы вводим символическое представление о пространстве, так сразу же переходим на уровень концептуального пространства, независимо от того, каковы эти символы.
В виде символов можно представлять и реальное, и перцептуальное пространство: физическое пространство, пространство художественное (представление реального или перцептуального пространства на художественном полотне, например, или на сцене), математическое и т. д. Поэтому концептуальных пространств может быть, видимо, сколько угодно, и все они будут представлением двух других видов пространства. Мало того, именно благодаря концептуальному пространству мы порой отождествляем реальное и перцептуальное пространства, утверждая, что при описании наших ощущений пространства мы описываем реальное пространство (это, в частности, характерно для вульгарно-материалистических философских систем). Но, к сожалению, тем самым перцептуальное пространство, накладываясь своеобразной "матрицей" на наше мышление, что, вполне естественно, затрудняет понимание концептуального пространства. Последнее мы стремимся представить в виде очевидной, понятной картины, а это, в свою очередь, затрудняет исследование реального пространства.
Чисто психологически мы порой не воспринимаем и не принимаем концептуальное пространство, потому что оно якобы не соответствует реально "мыслимому" пространству. Этому способствует и наша логика обыденного восприятия, которая носит однозначный характер и требует, явно или неявно, отождествления абстракций (все чаще - неклассических) с реальностью и однозначного восприятия этой реальности. Концептуальное же пространство все чаще и чаще выходит за пределы "чувствований", давая возможность все глубже познавать реальное пространство. Мало того, существуют такие концептуальные пространства, которые вообще не отражают никаких свойств реального пространства. Пространства такого рода относятся либо к чистой геометрии, либо к описательным формализмам физики. Концептуальные пространства, описывающие структуру и свойства пространства реального, строятся в рамках физической геометрии.
4.1.2. Пространство и время мифа и натурфилософии
О том, как понимался феномен времени в период существования мифов и натурфилософии, можно сказать немногое. Трактовка времени в этот период не вызывала каких-либо затруднений. Древние мыслители исходили из универсальных натуралистических представлений о цикличности времени и фактически анализ феномена времени или исключался из мифологических и натурфилософских конструкций, или сводился к констатации цикличности. Пространству как явному вместилищу всего существующего уделялось гораздо больше внимания. Пространство было очевидно, вмещало в себя все вещи, и, естественно, что именно оно выступало тем предметом, прояснения которого добивались и мифы, и натурфилософские концепции.
Для интуитивных* (мифологических) воззрений древних народов была характерна однозначная связь материального (вещественного) мира и пространства: в процессе рождения мира происходит борьба с "Хаосом", одним из результатов которой становится пространственное упорядочение мира; "Хаос" - это воплощение порождающего пространства; пространство, разворачиваясь из некоего "первояйца", не заполняется, а создается вещами, не существуя вне вещей. Таковы характерные положения космологических мифов - своеобразных моделей мира, сочетающих чувственное восприятие окружающего с попыткой логически объяснить это окружающее.
Впоследствии подобные воззрения приняли в древних философских традициях характерную дуалистическую форму. Например, согласно даосизму (Лао-Цзы, Чжуан-цзы), Дао - абсолютная пустота, источник происхождения мира и всеобщий мировой закон. Пространство пронизано Дао и образовано им. Но "...великая пустота не может не содержать изначальное Ци..." (единое материальное начало); "...великая пустота и есть существование изначального Ци..."; "...хотя великая пустота лишена формы, но она заполнена мельчайшими частицами изначального Ци...". Вместе с тем пространство определяется как часть пустоты, образованная Ци (материей).
Например, существующий в древнеиндийских философских текстах (Упанишадах) термин "акаша" имеет значение эфира как первого элемента мироздания, пустоты, мирового пространства, носителя звука и божества. При этом четкого различия между этими значениями данного термина в древнейший период, по-видимому, еще не существовало. Пытаясь установить субординацию между субстанциями и объяснить возникновение мироздания, представители системы веданта считали, что в основе всего находится универсальный дух - брахман, порождающий пространство, из последнего рождается воздух, который, в свою очередь, порождает огонь, из огня возникает вода, а из воды - земля. В дальнейшем развитии философской мысли, когда последняя получила большую систематизацию и философская терминология более или менее дифференцировалась, различные философские школы отчетливее выразили свое понимание сущности пространства.
Дуализм понимания соотношения пространства и материи характерен и для античной греческой философии в целом. Согласно учению Демокрита, в мире все состоит из пространства - бесконечной, "великой пустоты", наполненной непроницаемыми атомами. Демокрит трактовал пространство как нечто абсолютное, существующее независимо от материи, причем являющееся специфическим видом реальности, своего рода вместилищем для непрерывно движущихся атомов. Данная трактовка пространства была подвергнута критике Аристотелем, утверждавшим, что пространство сплошь заполнено и что природа "боится пустоты". Пространство, по Аристотелю, - совокупность всех мест реальных объектов. В создании классической механики нашел воплощение один из вариантов подхода к проблеме дуализма в соотношении пространства и материи, а именно - их механистическое разделение на независимые сосуществующие компоненты мира.
В целом различные натурфилософские системы древности формировались в процессе критики мифологической картины мира, сохраняя одновременно основные идеи последней, но уже демифологизированные, и в меньшей степени - под влиянием формирующегося научного познания. Данные особенности и определили специфические черты:
1. континуальность пространства и его конечность в большинстве философских систем;
2. дуалистический характер пространства (своеобразные мега- и микропространства);
3. обусловленность структуры пространства материальными телами и процессами, с одной стороны, и обусловленность самых материальных тел и процессов пространством - с другой.
В рамках философских систем, имеющих материалистический характер, появляются представления о бесконечном, пустом абсолютном пространстве, изотропном* и однородном.
Таким образом, сформировались две противоположные тенденции в развитии представлений о пространстве, которые в отдельных моментах были синтезированы в представлениях атомистов. Интересно то, что все представления о пространстве в древности были социализированными. Этот момент мы специально не выделяли, но из сказанного можно видеть, что социальные представления вносят свою лепту в представления о пространстве: структура пространства определяется и социальными процессами, социальной структурой общества. В свою очередь, сами эти процессы и их структура определяются пространством. Социализированное пространство - это пространство, наполненное и упорядоченное богами, героями и людьми, человеческими общинами и государствами, городами, планировка которых отражает еще мифологические взгляды на пространство с выделенностью его центра и кругами постижения мира и совершения поступков.
4.1.3. Теоцентрическая модель пространства
и времени
В средние века представления о пространстве подчинялись эсхатологическим критериям. Пространство описывалось, прежде всего, религиозными и моральными характеристиками: низ - ад, верх - обитель бога, восток - рай, запад - место светопреставления и страшного суда. Такие представления связаны с идеями божественного творения мира и создания пространства в акте этого творения, а также с идеей активной роли непространственной субстанции в генезисе пространства. Так, в XIII веке сочинения Фомы Аквинского изменили направленность христианской теологии: отказавшись от идей Платона, претерпевших значительное изменение за прошедшее тысячелетие, религия нашла опору в философии Аристотеля, которая приобрела религиозный характер. Это же произошло и с аристотелевой космологией. "Божественная комедия" Данте дает нам наиболее развернутое и поэтизированное изложение христианской космологии, безраздельно господствовавшей вплоть до XV века. Но в космологии Данте в равной степени смешиваются и религиозные библейские традиции, и натурфилософские традиции Аристотеля и неоплатоников.
Структура пространства у Данте (девять кругов ада, два уступа предчистилища, долина перед чистилищем и семь кругов чистилища, земной рай, девять кругов-небес рая небесного и его десятый, высший, уровень - эмпирей) определяется не активностью непротяженной сущности бытия, а необходимостью расстановки душ-образов людей в соответствии с их поступками в земном бытии. Эта структура чувственно познаваема и многомерна. Тем самым Данте в определенной степени фиксирует начало перехода от представлений о пространстве как эсхатологическом двумерии с избранными направлениями (верх - низ как рай - ад) к многомерию, имеющему фазовый характер и чувственно познаваемому.
Вплоть до конца средневековья и начала эпохи Возрождения в европейских философских системах закрепились (с некоторыми вариациями) эти аристотелевские представления о пространстве. Представления же о локальном пространстве были геометризированы и детально разработаны в системах древних геометров и механиков, и, прежде всего в геометрии Евклида.
В средневековой Европе господствовали аристотелевские взгляды на пространство, которые начали разрушаться благодаря развитию философии и науки в эпоху Возрождения. На Востоке, в индокитайском регионе, в средние века сохранялись и практически не развивались те представления, которые сложились в древности. Появление на Ближнем Востоке ислама вначале привело к распространению представлений о пространстве, характерных для греческой науки, но затем в науке ислама были развиты свои оригинальные идеи, внесшие значительные изменения в аристотелевскую картину мира.
В начальный период космогония ислама бедна и в основном заимствована из Библии. Согласно Корану, мир был сотворен Аллахом за шесть дней. Были созданы семь небесных сводов, небесные светила и земля, разложенная ковром и укрепленная горами. Земля соединяется с небесами невидимой лестницей, служащей для передвижения ангелов. Под землей находится преисподняя.
С развитием ислама происходит усложнение картины мира, в которой пространство уже социализируется: если вначале его описание носит натурфилософский характер, то в более поздних интерпретациях оно наполняется людьми на земле, ангелами на небесных сводах, душами праведников и душами грешников в преисподней. При этом рай, бесконечный, но ограниченный, помещается под океаном, расположенным, в свою очередь, над седьмым небесным сводом, и делится на восемь ярусов. Земля делится на семь этажей, включающих и разные этажи преисподней, причем, чем ниже этаж, тем больше он похож на ад, который также представляется бесконечным, но ограниченным.
В окончательном варианте исламская космогония делит весь мир на 29 ярусов-этажей. Каждый ярус-этаж выполняет свои социальные функции, связанные с распределением людей и их душ в соответствии с их действиями и поступками. Зафиксированное в Коране квазирациональное объяснение происхождения структурированного пространства мира из материи, которая под взглядом Аллаха превратилась в воду, вода - в пар, а сгустившийся пар - в ярусы-этажи, отошло, в конечном счете, далеко на задний план. Пространство исламского мира было полностью мистифицировано и социализировано.
В целом развитие теологии привело к понятию бесконечности пространства, но бесконечность эта была отказом от протяженности пространства и его реальности. Реальность была приписана лишь непротяженным сущностям.
В эпоху Возрождения происходит секуляризация* представлений о пространстве: перевод его из "сотворенных" свойств мира в субстанциональные свойства. Появляется понятие абстрактного пространства, лишенного тел и креационистской* теоцентрической* системы отсчета. Оно представляется однородным и потому позволяющим наблюдателям создавать равноправные системы отсчета. Научная революция XVII века, подготовленная развитием культуры и науки в эпоху Возрождения, привела к тому, что абстрактное абсолютное пространство "наполняется" материальными процессами и телами, а соответствующее понятие включается в механистическую картину мира, формирование которой в явном виде началось с исследований Галилея. Но сами эти исследования были подготовлены философскими системами Ренессанса и постренессанса, выросшими из критики аристотелизма и классической теологии.
4.2. Классические концепции пространства и времени
Проблема континуальности и дискретности пространства и времени. ( Классические интерпретации пространства и времени: И. Ньютон. Пространство и время как абсолютные субстанции. Сфера применения субстанциональных представлений о пространстве и времени. Релятивные интерпретации пространства и времени. ( Идеи Р. Декарта и Г. Лейбница об обусловленности пространства и времени взаимодействиями явлений и тел. ( Проблемы реального пространства.

Под классическим следует понимать отношение к пространству и времени, основанное, прежде всего, на "здравом смысле", наглядности и очевидности. Сами по себе эти бесхитростные предпосылки не исключают сложной формализации, основанных на них представлений. Подтверждением чего и являются классические "субстанциальная" и "реляционная" концепции пространства и времени. В то же время в классической формализации этих феноменов постоянно чувствуется эхо традиции, берущей начало ещё в мифологии. Это стремление представить мир в дуалистической форме противопоставления его фундаментальных начал (пространства и времени) и одновременно попытка представить всё существующее (сущее) независимым от этих начал.
4.2.1. Проблема континуальности и дискретности
пространства и времени
В процессе анализа апорий* Зенона Аристотелем было логически строго показано, что включение в концепцию пространства представления о его непрерывности исключает возможность принятия представлений о неделимости времени (и наоборот: из бесконечной делимости времени следует непрерывность пространства). Следовательно, существуют две альтернативные возможности: либо и пространство, и время бесконечно делимы на части (то есть континуальны, непрерывны), либо и то, и другое дискретно, что традиционно понимается как наличие для них принципиального предела (конечности) процесса деления на составные части.
С позиций классической (аристотелевской) логики непрерывность и дискретность существуют как противоположности, взаимно исключающие одна другую. В этой ситуации любой исследователь изначально вынужден сделать выбор, с тем, чтобы в дальнейшем строго придерживаться определенных и "неподвижных" рамок выбранной парадигмы* (континуального или дискретного пространства-времени). Сам Аристотель на основе анализа механического движения в пространстве и времени сделал и обосновал свой выбор в пользу континуальности последних. При этом Аристотелем были даны ответы на знаменитые возражения (апории) Зенона, приведены веские аргументы против атомистических взглядов. В результате гипотеза о континуальности, бесконечной делимости вошла в натурфилософские и физические представления о пространстве и времени, оставаясь господствующей до сегодняшнего дня.
Лишь к середине ХХ в. в физике начала складываться атмосфера неудовлетворенности традиционными континуальными представлениями, что выразилось в стремлении признать универсальность предельного характера планковских величин длины (l pl) и времени (t pl). Планковская длина приобретает смысл не только предельного размера объекта, но и "кванта" пространства, обеспечивая онтологические основания для попыток создания концептуальных моделей пространства-времени, включающих представления об их дискретности. По-видимому, до последнего времени естественнонаучная основа для включения момента дискретности в концепцию структуры пространства-времени была объективно недостаточно подготовленной, вследствие чего, физика сегодня, по-прежнему, использует континуальные представления, которые в некоторых случаях приводят к некорректным решениям.
В 1930 г. советские физики В. А. Амбарцумян и Д. Д. Иваненко высказали мысль, что все эти некорректные решения проистекают от молчаливого предположения о бесконечной делимости пространства. На самом же деле, где-то надо остановиться. Где же? Восемь лет спустя В. Гейзенберг предположил, что радиус электрона, равный 10??? сантиметра, и есть "квант", дальше которого дробить пространство бессмысленно. Физики вспомнили о работе англичанина Дж. Брейта, который в 1928 г. решал уравнение движения электрона и получил, по его словам, "результат, понять который весьма трудно": скорость электрона всегда равна скорости света.
Отсюда, взяв за исходную точку гейзенберговский квант пространства, можно определить и квант времени: 10??? секунды. Впрочем, дальнейшие успехи науки ни ту, ни другую цифру не подтвердили. Тогда в качестве новых кандидатов всплыли величины, в десять тысяч раз меньшие: длина 10-17 сантиметра и время 10-27 секунды.
Но это не будет наименьшим квантом пространства-времени. Пространство-время там только будет вести себя по-иному. Наименьший же возможный размер - это приблизительно 10-33 сантиметра и соответственно квант времени 10-43 секунды, если, конечно, можно на таких расстояниях говорить о времени в нашем смысле.
Выходит, полностью оправдываются слова Вернадского, что "для мгновения, для точки времени вскрывается реальное содержание не менее богатое, чем то, которое осознается нами в безбрежности пространства-времени космоса"? Конечно, размер 10-33 сантиметра получается из так называемых мировых констант: гравитационной постоянной, постоянной Планка и скорости света. То есть он объединяет кванты и гравитацию.
Наверное, это не бессмысленная длина, не просто упражнение в арифметике. Если прав П. Дирак, красивое с математической точки зрения уравнение рано или поздно непременно найдет "свой" реальный опыт. На этих малых расстояниях как бы смыкаются микрофизика элементарных частиц и мегафизика звезд, звездных и галактических систем.


4.2.2. Классические интерпретации пространства
и времени
Наиболее полную и последовательную попытку оторвать время от материи сделал Ньютон. Он назвал его абсолютное, истинное, математическое время, которое "...по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью". И пространство у него было точно таким же: абсолютным, истинным и пустым, не связанным ни с предметами, в нем находящимися, ни с их изменениями, ни со временем. Оно было как бы рамкой для мира реальных вещей, и в этом абсолютном пространстве царило абсолютное движение, измеряемое уже известным нам абсолютным временем. Зачем понадобилось творцу теории всемирного тяготения это пространство? Затем, что без него никак не удавалось справиться с движением.
Еще в древности было подмечено, что в спокойно плывущем по глади реки корабле путешественник не может сказать, движется он или стоит на месте, если не видит берега. Галилей распространил эти наблюдения и на физические опыты. Он писал, что столь же безразличным к движению окажется и камень, "падающий с высоты корабельной мачты; этот камень всегда окончит свое падение, ударив в одно и то же место как в том случае, когда корабль неподвижен, так и в том, когда он идет быстрым ходом... Я... произвел этот опыт; но еще перед тем естественное рассуждение привело меня к твердому убеждению в том, что из него должно получиться именно то, что действительно и получилось". Следовательно, никакими опытами нельзя установить, движемся мы или нет, если движение происходит без ускорения. В этом - суть "принципа относительности" Галилея. Ньютон был согласен с этим принципом. И все-таки ему казалось, что должно быть нечто незыблемое (человек религиозный, он называл пространство "бесконечным чувствилищем бога"), некая основа, опираясь на которую, наблюдатель может ощутить движение без ускорения. Абсолютное пространство и было для Ньютона неподвижной системой отсчета.
Физика XVIII столетия приняла принципы Ньютона и пользовалась ими весьма плодотворно. Единственной деталью, портившей фасад стройного здания, была скорость света. Приходилось считать ее бесконечно большой, так как в пустом пространстве только такой она и могла быть, а наблюдения этого не подтверждали. Ещё в 1675 г. датский астроном Олаус Ремер представил в Парижскую академию наук мемуар "Относительно доказательства движения света". В работе описывались наблюдения за Юпитером и его спутником Ио. Оказывается, в январе Ио появлялась из-за Юпитера на целых 16 минут 36 секунд раньше, чем в июне. Поскольку в июне Земля и Юпитер находились по разные стороны от Солнца, а в январе - по одну сторону, оставалось предположить, что все дело в конечной скорости света. Ему требовалось в каждом случае проходить до Земли иное расстояние. Несложное деление - и Ремер получает первую в истории науки величину скорости света: около 280 тыс. километров в секунду, - превосходный результат, особенно если принять во внимание неточность часов того времени и другие ошибки.
Ньютон знал о работе Ремера. Он, безусловно, понимал, что конечная величина скорости света неизбежно влечет за собой некую среду, передающую движение. Пространство, следовательно, связано с предметами, в нем находящимися? Это противоречие Ньютон разрешить не мог, а гипотез он, по собственному выражению, "не измышлял".
Следуя линии Демокрита, Ньютон, абсолютизировал пространство и приписал ему внетелесную самостоятельную сущность. Он создал логически завершенную концепцию пространства как пустого вместилища. Тем не менее, дуализм в эту эпоху сохранялся в форме сосуществования параллельно развивавшихся философских направлений, по-разному трактовавших понятие пространства.
Пространству механики Ньютона противостояли концепции релятивного пространства (например, Лейбница, характеризовавшего пространство как рядоположенность явлений или отношение их сосуществования). Отрицая субстанциальность пространства, присущую его пониманию в рамках механики Ньютона, Лейбниц отрицал отделение пространства от материи: "если бы не было созданных вещей, то не было бы пространства и времени, следовательно, не было бы действительного пространства". "Я неоднократно подчеркивал, что считаю пространство, так же как и время, чем-то чисто относительным: пространство - порядком сосуществований, а время - порядком последовательностей".
Успехи классической механики позволяли физикам XVII-XIX вв. не учитывать доводы критиков ньютоновской концепции абсолютного пространства. Лишь создание специальной и общей теорий относительности внесло существенные коррективы в классическую теорию физического пространства и времени, указав, в частности, на аспект их относительности, на влияние массы, считающейся характеристикой вещественных объектов.
Тем не менее, неверным было бы утверждать, что посленьютоновская эра является свидетелем окончательного элиминирования* (устранения) понятия абсолютного пространства из теоретической схемы современной физики эйнштейновской общей теорией относительности, и что позиция Лейбница и Гюйгенса в полемике против Ньютона и Кларка полностью восторжествовала. По собственному свидетельству Эйнштейна, преодоление понятия абсолютного пространства представляет собой "процесс, который, по-видимому, не закончился еще и поныне".
Действительно, несмотря на "заклинания" общей теории относительности о том, что метрическое поле исчерпывающим образом определяется свойствами и отношениями тяготеющей материи и энергии, дух ньютонова абсолютного пространства остается неистребимым. Проблема граничных условий в уравнениях поля общей теории относительности приводит к тому, что "материя уже не является источником всеобщей структуры пространства-времени, а только видоизменяет структуру последнего". Как отметил А. М. Мостепаненко: "Делая ретроспективную оценку, можно сказать, что два высказывания: "пространство относительно" и "пространство абсолютно" - представляли собой лишь антиномию, ибо каждое из них могло быть доказано независимо. Ее можно развернуть следующим образом:
1. А. Пространство относительно, обусловлено миром явлений. Мир явлений - необходимое условие существования пространства.
2. Б. Пространство абсолютно. Оно есть необходимое условие существования мира явлений".
Ярким примером проявления дуализма современных научных представлений о пространстве является введенное в физику высоких энергий понятие физического вакуума как своеобразной "материализованной" (опредмеченной, овеществленной) пустоты. Вакуум, вмещающий материальные объекты, ничем не отличается от пустого классического пространства, и в то же время ему приписывается ряд чисто субстанциальных свойств (как то: способность быть неограниченным резервуаром различного рода виртуальных микрообъектов). Выражением противоположной точки зрения является геометродинамика Дж. А. Уилера, согласно которой все взаимодействия в природе представляют собой некоторое состояние или аспект пространства и времени, но чем тогда обусловлена природа этого пространства-времени, и каковы причины взаимодействий?
4.2.3. Проблемы реального пространства
В перечень наиболее фундаментальных физических свойств реального пространства следует включить трехмерность, однородность, изотропность. Оно способно играть роль пассивного вместилища для вещества и поля, не оказывающего сопротивления при инерционном движении объектов. Заметим, что с точки зрения современной физики все или почти все из перечисленных метрических свойств носят характер идеализаций: инерционное движение возможно лишь при отсутствии (или при полной компенсации) силовых взаимодействий, изотропность предполагает отсутствие гравитации, а однородность - отсутствие изменяющихся полей и конечных объектов.
Получается, что данный набор метрических свойств характеризует пространство "в чистом виде", то есть без существования вещества и поля. Если содержание понятия материи традиционно ограничивать двумя известными видами (веществом и полем), то указанные свойства физического пространства оказываются по отношению к материи внешними. Но такое пространство, оторванное от материи, должно стать голой абстракцией, - чем же в этом случае будут определяться его свойства?
"Внематериальное" пространство не должно обладать объективными свойствами, иначе их существование носило бы сверхъестественный характер. Мы в этом случае должны были бы отказаться от попыток обоснования объективности метрических свойств реального пространства. Может быть, действительно, следует заявить, что этих свойств в реальности нет? Но тогда на чем будет основана, например, наша уверенность в истинности законов сохранения, тесно связанных с изотропностью и однородностью пространства (и времени)? Универсальные законы сохранения не могут быть лишь следствиями усреднения воздействий со стороны хаотически распределенных во Вселенной вещества и поля, поскольку они нарушались бы на длинах и временах меньших, чем характерные масштабы осреднения. Вопрос тем самым сводится к дилемме: являются ли перечисленные свойства пространства объективными или они чисто иллюзорны?
Прежде всего, необходимо констатировать, что понятия пространства и времени являются философскими категориями и не определяются в естествознании. Для естественных наук важно уметь определять численные характеристики - расстояния между объектами и длительность процессов, а так же - описывать свойства, доступные экспериментальному изучению. Поэтому дальнейшее исследование этого вопроса будем основывать не на философском, а на естественнонаучном подходе.
Рассмотрим проблему измерения расстояний и как производную от неё проблему ограниченности Вселенной. Измерить расстояние между двумя объектами - значит сравнить его с эталонным образцом. До недавнего времени в качестве эталона использовалось тело, сделанное из твердого сплава, геометрическая форма которого слабо изменялась при изменении внешних условий. В качестве единицы длины был выбран метр, отрезок, сравнимый с характерными размерами человеческого тела. Очевидно, что в большинстве случаев эталон не укладывался целое число раз на длине измеряемого отрезка. Оставшаяся часть измерялась при помощи 1/10, 1/100 и т. д. эталона.
В принципе считалось, что такую процедуру можно продолжать до бесконечности, в результате чего получалось бы точное значение длины, выражаемое бесконечной десятичной дробью, т. е. вещественным числом. На практике многократное деление исходного эталона было невозможно. Для повышения точности измерения и измерения малых отрезков потребовался эталон существенно меньших размеров, в качестве которого по настоящее время используются стоячие электромагнитные волны оптического диапазона.
В природе существуют объекты, значительно меньшие длин волн оптического излучения (молекулы, атомы, элементарные частицы). При их измерениях помимо неудобства сравнения с эталоном больших размеров возникает более принципиальная проблема: объекты, размеры которых меньше длины волны электромагнитного излучения, перестают его отражать и, следовательно, оказываются невидимыми. Для оценки размеров таких мелких объектов свет заменяют потоком каких-либо элементарных частиц (электронов, нейтронов и т. д.). Величина объектов оценивается по так называемым сечениям рассеяния, определяемым отношением числа частиц, изменивших направления своего движения, к плотности падающего потока. Наименьшим расстоянием, известным в настоящее время, является характерный размер элементарной частицы. Говорить о меньших размерах, по-видимому, бессмысленно.
При измерении расстояний, значительно превышающих 1м, пользоваться эталоном длины вновь оказывается неудобно. Для измерения расстояний, сравнимых с размерами Земли, применяют методы триангуляции (определение большей стороны треугольника по точно измеренной меньшей стороне и двум углам) и радиолокации (измерение времени задержки отраженного сигнала, скорость распространения которого известна, относительно момента передачи). Для расстояний до удаленных звезд и соседних галактик указанные методы оказываются неприменимыми (отраженный радиосигнал оказывается слишком слабым, углы треугольника отличаются на слишком малую величину). На столь больших расстояниях наблюдаемыми оказываются только самосветящиеся объекты (звезды и галактики), расстояния до них оценивается исходя из наблюдаемой яркости.
Известно, насколько трудно представимы размеры наблюдаемой части Вселенной. Вопрос о том, имеют ли смысл большие расстояния, сводится к проблемам конечности и ограниченности Вселенной, до сих пор окончательно не решенным космологией. Со времен Ньютона считалось, что окружающий нас мир однороден и не может иметь границ (в противном случае возникал вопрос об их физической природе и о том, "что находится по другую сторону"). Однако, предположение о бесконечности Вселенной, совместно с естественным допущением о равномерном распределении звезд по объему и беспрепятственном распространении света в пространстве, приводил к заведомо абсурдному выводу о бесконечно ярком свечении ночного неба (так называемый парадокс ночного неба, или "парадокс Олберса"). Позднее пришло понимание того, что понятия бесконечности и неограниченности не эквивалентны друг другу (например, шар не имеет границ, но площадь его конечна).
Теперь обратимся к проблеме измерения интервалов времени и, соответственно к вопросу о возрасте Вселенной. Измерить длительность процесса - значит сравнить его с эталонным образцом. В качестве последнего удобно выбрать какой-либо периодически повторяющийся процесс (суточное вращение Земли, биение человеческого сердца, колебание маятника, движение электрона вокруг ядра атома). Долгое время в качестве эталонного процесса использовались колебания маятника. За единицу измерения времени выбрали секунду (интервал, примерно равный периоду сокращения сердечной мышцы человека).
Для измерения значительно более коротких времен возникла необходимость в новых эталонах. В их роли выступили колебания кристаллической решетки и движение электронов в атоме (атомные часы). Еще меньшие времена можно измерять, сравнивая их со временем прохождения света через заданный промежуток. По-видимому, наименьшим осмысленным интервалом является время прохождения света через минимально возможное расстояние.
При помощи маятниковых часов возможно измерение временных интервалов, значительно превосходящих 1сек. (человеческая жизнь длится около 100 лет), но и здесь возможности метода не беспредельны. Времена, сравнимые с возрастом Земли (около 5 млрд. лет) возможно оценивать лишь по полураспаду* атомов радиоактивных элементов. Максимальным промежутком времени, о котором имеет смысл говорить в нашем мире, по-видимому, является возраст Вселенной, оцениваемый периодом в 20 млрд. лет. Началом существования нашего мира принято считать "Большой взрыв", произошедший в весьма малой области пространства, в результате которого возник наблюдаемый сейчас мир. События, произошедшие до "Большого взрыва" никак не влияют на настоящее и, следовательно, могут не рассматриваться.
В классическом естествознании, занимающимся главным образом описанием макроскопических (сравнимых с размерами человеческого тела) объектов, предполагается, что процедура измерения основных пространственно-временных характеристик (расстояний и длительностей) в принципе может быть выполнена сколь угодно точно и при этом может практически не влиять на измеряемый объект и происходящие с ним процессы.
4.3. Предпосылки неклассических интерпретаций
пространства и времени
Галилеевский принцип относительности и инерциальные системы. ( Движение: абсолютно или относительно? Эфир как абсолютная система отсчёта. Опыт Майкельсона - Морли. Отсутствие эфирного ветра. ( Принцип относительности и электродинамика Максвелла.

Если отвлечься от всех прочих характеристик, то главным в классической интерпретации пространства и времени является абсолютность размеров тел и интервалов времени. Сам по себе этот факт, конечно, не мог стать причиной фундаментального пересмотра характера пространства и времени. Как это было всегда в науке, необходимость пересмотра возникла, во-первых, из-за несовпадения существующих концепций с экспериментальными данными, что проявилось в эксперименте Майкельсона - Морли а, во-вторых, из-за невозможности применения уравнений электродинамики Максвелла и, следовательно, электромагнитных законов в соответствии с нормами галилеевского принципа относительности. То есть оказалось невозможным механически применить законы электродинамики. Возникла необходимость теоретически обосновать мир, в котором законы электродинамики были бы столь же абсолютны, как и законы механики в предыдущем описании мира. Пересмотр характера пространства и времени стал "лишь" следствием решения этой задачи.
4.3.1. Принцип относительности и инерциальные
системы (Г. Галилей)
В середине XYII века Галилео Галилей в своем знаменитом "Диалоге о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниканской" для всех известных в его время физических процессов сформулировал фундаментальный принцип - "принцип относительности".
Он установил, что, даже используя все известные физические законы, невозможно определить, находимся ли мы в состоянии покоя или в состоянии равномерного прямолинейного движения, то есть движения без толчков, остановок или виражей. Самое большее, на что мы способны - это определить состояние только относительного движения двух объектов (поезда и станции, например). Так происходит потому, что законы физики одинаковы при любой скорости движения поезда; более того, мы проносимся вместе со всей Солнечной системой несколько сотен километров в секунду в космическом пространстве, даже не замечая этого. Принимая указанную точку зрения и относительность движения, мы принимаем так называемый "принцип относительности Галилея".
Всякая система отсчета, в которой свободное материальное тело, то есть тело не испытывающее воздействия внешних сил, может находиться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения называется инерциальной. Если две системы отсчета движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно и если одна из них - инерциальная, то, очевидно, что и вторая будет инерциальной.
Таким образом, имеется сколько угодно инерциальных систем отсчета, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно. Принцип относительности Галилея утверждает равноправие инерциальных систем отсчета, которое выражается в том, что:
* а) законы механики в инерциальных системах отсчета одинаковы. Это значит, что уравнение, описывающее некоторый закон механики, будучи выражено через координаты и время любой другой инерциальной системы отсчета, будет иметь один и тот же вид;
* б) по результатам механических опытов невозможно установить, покоится ли данная система отсчета или движется равномерно и прямолинейно. В силу этого, ни одна из них не может быть выделена как преимущественная, скорости движения которой мог бы быть придан абсолютный смысл. Физический смысл имеет лишь понятие относительной скорости движения систем, так что любую систему можно признать условно неподвижной, а другую - движущейся относительно нее с определенной скоростью;
* в) уравнения механики инвариантны* (неизменны) по отношению к преобразованиям координат при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. То есть одно и тоже явление можно описать в двух разных системах отсчета внешне по-разному, но физическая природа явления остается при этом неизменной.
Неверно, однако, имеющее место расширительное толкование принципа относительности Галилея, в частности:
1. Равноправие инерциальных систем не означает их тождественности. Равноправие имеет смысл эквивалентности и порождает правоспособность преобразований Галилея и, впоследствии, Лоренца. Этот факт имеет исключительное значение при анализе выводов специальной теории относительности.
2. Пункт б) не утверждает отсутствие вообще покоящейся системы отсчета.
Провозглашение Галилеем принципа относительности ознаменовало начало новой эпохи, эпохи полного разрыва физической науки и натуральной философии. Начинают создаваться большие научные общества для обмена знаниями, и получает свободное развитие наука, основанная на экспериментах. Сущность этого разрыва предельно точно выразил Б. Франклин: "для нас наиболее важным является не знание способа, которым природа осуществляет свои законы, достаточно знать сами эти законы".
4.3.2. Эфир как абсолютная система отсчёта.
Опыт Майкельсона - Морли
Гипотезу эфира в научной форме выдвинул Х. Гюйгенс. Он предположил, что пространство наполнено неким веществом - эфиром, и построил, опираясь на эфир, волновую теорию света. Она отлично объяснила множество разных оптических явлений и даже предсказала такие, которые потом были открыты, - словом, оказалась хорошей гипотезой. За одним исключением: эфир пришлось снабдить столь противоречивыми свойствами, что разум отказывался верить. С одной стороны, совершенная бесплотность (дабы не мешать движению планет), а с другой - упругость, в тысячи раз превышающая упругость самой лучшей стали (иначе не будет распространяться с нужной скоростью свет).
До поры до времени на эти противоречия закрывали глаза. В конце концов, разве природа обязана быть непременно такой, какой нам хотелось бы её видеть, основываясь на "здравом смысле"? Мало ли открытий, противоречащих этому смыслу, начиная с шарообразности Земли, было сделано наукой? Стоит ли пугаться даже таких взаимоисключающих свойств? Джеймс Клерк Максвелл, например, именно на основе "эфирной" гипотезы создал теорию электромагнитного поля, столь фундаментальную, что ей подчиняются тысячи ранее непонятных явлений, - так почему бы не предположить, что эфир все-таки существует? Почему бы не предположить, что эфир и есть ньютоновское "абсолютное пространство" и оттого так странен?
Принятие этого положения означало бы, что эфир должен быть абсолютно неподвижным, и скорость света сможет стать тем "спидометром", который даст наблюдателю ответ на вопрос, движется он без ускорения или стоит на месте. В самом деле: поскольку свет - колебание частиц эфира, любое механическое движение обязано складываться с ним и вычитаться, подчиняясь законам механики. Остается лишь поставить точный опыт и ответить, наконец, на "проклятый вопрос".
Классическая физика была уверена, что эфир должен вести себя подобно воздуху, дующему, например, на движущейся открытой платформе. Как может быть иначе? Если эфир неподвижен, то любой движущийся в нём предмет должен встретить эфирный ветер, дующий в противоположном направлении. Свет - волновое движение в неподвижном эфире. На скорость света, измеренную с движущегося предмета, эфирный ветер должен, конечно, влиять.
Земля несётся по орбите со скоростью около 30 км/сек. Чтобы измерить абсолютное движение Земли (то есть её движение относительно неподвижного эфира), необходимо лишь измерить скорость, с которой свет проходит некоторое определённое расстояние на земной поверхности туда и обратно. Из-за эфирного ветра свет будет двигаться быстрее в одном направлении, чем в другом. Сравнив скорости света, испущенного по разным направлениям, можно было бы вычислить абсолютное направление и скорость движения Земли в любой заданный момент.
В 1887 американские учёные Альберт Майкельсон и Эдуард Морли провели тщательно выполненный эксперимент по определению эфирного ветра, но ничего не обнаружили. Позже этот эксперимент повторялся и другими экспериментаторами с применением всё более совершенных приборов, но результат всегда был отрицательным.
Ученый мир встретил сообщение без восторга. Гипотеза эфира была слишком хорошо разработана, слишком многое объясняла, чтобы от нее так легко отказаться. Не лучше ли как-то её подремонтировать? Наиболее убежденные сторонники эфира сделали попытку придать ему невероятные свойства, чтобы увязать их с результатами опытов, проделанных американскими исследователями.
"Я думал об этих опытах долго и безуспешно, - писал в 1892 г. один из замечательнейших физиков конца столетия Г. А. Лоренц, - и, наконец, представил только одну возможность для выхода из создавшегося положения". Ученый рассмотрел следующую гипотезу:
* если во время движения через эфир все тела, в том числе и установка, на которой проводил свои эксперименты Майкельсон, несколько сокращаются в направлении движения, то уловить сложение скоростей будет невозможно.
Аналогичную мысль высказал и англичанин Д. Ф. Фицджеральд. Французский математик А. Пуанкаре заметил по этому поводу, что если для объяснения одного опыта Майкельсона нужно прибегать к столь искусственным приемам, то что же несут физике новые опыты? Не свидетельствует ли все это о внутренней неустойчивости сооружения, называемого "мировой эфир"?
В 1904 году Г. А. Лоренц выступил с основополагающей статьёй "Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света". В ней он сделал попытку распространить действие принципа относительности на электродинамические процессы. Он исходил из тех соображений, что законы электродинамики должны иметь один и тот же вид во всех равноправных инерциальных системах отсчета. Однако уравнения электродинамики меняют свою форму при галилеевых преобразованиях координат. Г. А. Лоренц искал такие преобразования координат, которые сохраняли бы неизменными уравнения электродинамики. Полученные им формулы удовлетворяли поставленным требованиям, но содержали преобразования не только координат, но и времени, и массы заряженной микрочастицы:
* масса движущейся частицы и темп течения времени в инерциальных системах отсчета получали зависимость от скорости движения системы относительно скорости света.
Парадокс возрастания массы Лоренц пытался преодолеть, приписывая электромагнитному полю двигающегося заряда свойство возрастания инерции, но устоявшийся догмат однородности времени психологически преодолеть не смог. Поэтому преобразование времени он счел фиктивным, а следовательно, все преобразования лишенными физического смысла, утверждая, тем самым, неприменимость принципа относительности к электродинамическим процессам.
4.3.3. Принцип относительности и электродинамика
Максвелла
Итак, к концу XIX века принцип относительности считался твердо установленным для всех механических процессов, но распространение действия этого принципа на процессы электродинамические встретило определенные затруднения.
В классической механике имеет место общеизвестный закон сложения скоростей, согласно которому скорость сложного движения равна сумме (векторной) скоростей, составляющих это движение. Электромагнитная природа света была уже установлена, поэтому оправдано было ожидание, что скорость света будет различна в различных инерциальных системах отсчета. Однако, измерения, произведенные впервые А. Майкельсоном в 1881 году, обнаружили полную независимость скорости света от направления его распространения по отношению к наблюдателю. Последующие проверки носили скорее уточняющий характер величины скорости света, но не изменили вывод А. Майкельсона: скорость света в вакууме постоянна и не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя, что, несомненно, означало, с одной стороны, экспериментальное обнаружение фундаментального свойства природы, с другой - неприменимость галилеевого принципа относительности к электродинамическим процессам.
Само собой, разумеется, было сделано немало попыток согласовать отрицательный результат опыта Майкельсона с существующими теориями. В частности, Фицджеральд и Лоренц, как говорилось выше, выдвинули гипотезу о сокращении материальных тел при их движении относительно эфира. Это сокращение, не меняя поперечных размеров, должно приводить к сокращению линейных размеров тел в направлении их движения относительно эфира и, таким образом, точно компенсировать влияние относительного движения на скорость распространения света. Но эта остроумная гипотеза носила, очевидно, весьма искусственный характер и, казалось, была выдвинута с единственной целью, скрыть неудачу. И, как известно, лишь Альберт Эйнштейн нашел истинное решение этого вопроса.
Становление теории относительности началось с изучения некоторых вопросов, связанных с оптическими явлениями, происходящими в движущихся средах. Распространённое представление о свете предполагало существование эфира, заполняющего всю Вселенную и проникающего во все тела. Такой эфир играл роль среды, в которой распространялись световые волны. Электромагнитная теория Максвелла несколько ослабила значение роли эфира, так как эта теория не требует, чтобы световые колебания были колебаниями какой-либо среды. В теории Максвелла световые колебания полностью определяются заданием векторов электромагнитного поля.
После того как все попытки механической интерпретации законов электродинамики потерпели неудачу, поля в максвелловой теории, в конце концов, стали рассматривать, как исходные понятия, которые бесполезно пытаться перевести на язык механики. С этого момента исчезла какая бы то ни была необходимость предполагать существование упругой среды, передающей электромагнитные колебания, и можно было подумать, что понятие эфира становится бесполезным. В действительности же это было не совсем так, и последователи Максвелла, в частности Лоренц, вынуждены были снова поднять вопрос об эфире.
В чем же было дело? Почему пришлось продолжить разговор об эфире? Потому, что уравнения электродинамики Максвелла не удовлетворяли принципу относительности классической механики. Иными словами, будучи справедливыми в какой-либо одной системе координат, они становились неверными в другой системе координат, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой. По крайней мере, если допустить (что представлялось тогда само собой разумеющимся), что при переходе от одной системы к другой координаты заменяются так, как это обычно делается в аналогичных случаях в классической механике.
Действительно, классическая механика исходит из существования некоего абсолютного времени, единого для всех наблюдателей и для всех систем отсчета. В ней предполагается также, что расстояние между двумя точками пространства является инвариантом, то есть должно иметь одно и то же значение во всех системах координат, которые можно использовать для определения положения точек в пространстве. Из этих двух принципов, которые казались вполне естественными, непосредственно следовали простые классические формулы преобразования координат при переходе от одной системы отсчета к другой, которая движется относительно первой прямолинейно и равномерно. Эти формулы определяют так называемое "преобразование Галилея". Одним из основных положений классической механики является требование, чтобы все ее уравнения были инвариантны относительно преобразования Галилея. И действительно, пользуясь формулами преобразования Галилея, легко убедиться, что если уравнения Ньютона справедливы в системе координат, связанной с неподвижными звездами, то они будут справедливы также и во всех других системах отсчета, движущихся прямолинейно и равномерно относительно этих неподвижных звезд.
Напротив, уравнения Максвелла и Лоренца, существенно отличающиеся по своей форме от уравнений классической механики, не инвариантны относительно преобразования Галилея. Следовательно, если уравнения Максвелла справедливы в какой-либо одной системе координат, то они становятся несправедливыми при переходе к другой, движущейся относительно первой прямолинейно и равномерно. Дело обстоит так, как если бы существовала некая среда, заполняющая всю Вселенную, такая, что уравнения Максвелла справедливы только в одной, связанной с этой средой системе отсчета. Именно с этой средой отсчета ассоциировали последователи Максвелла понятие эфира. Эфир не был для них уже упругой средой с особыми свойствами, способной передавать световые колебания. Он стал абстрактной, весьма условной средой, служащей лишь для фиксации систем отсчета, в которых справедливы уравнения электродинамики Максвелла. Действительно, согласно теории Максвелла - Лоренца, для наблюдателя, движущегося относительно эфира, световые явления должны были бы протекать иначе, чем неподвижного наблюдателя. Следовательно, изучение этих явлений в движущейся системе координат должно было позволить определить скорость этой системы координат относительно эфира, который таким образом приобретает уже некоторое более конкретное содержание.
Таким образом, с помощью нескольких, проведенных последовательно друг за другом экспериментов, можно было бы весьма точно определить скорость Земли относительно эфира. Однако ни один из многочисленных экспериментов, как уже говорилось, поставленных учеными XIX в. с целью определения движения Земли относительно эфира, не позволил "почувствовать" движения Земли. Тем не менее в течение долгого времени это отсутствие результата можно было увязать с теорией, поскольку предсказываемый эффект был весьма мал, а точность поставленных оптических экспериментов была недостаточно высока и не позволяла сделать вполне определенных выводов.
Действительно, можно показать, что движение наблюдателя по отношению к эфиру приводит к поправкам, пропорциональным квадрату отношения скорости движения наблюдателя к скорости света в пустоте. Поскольку же это отношение всегда очень мало, то и ожидаемый эффект также очень мал. Но физики, постоянно совершенствуя технику эксперимента, получили, наконец, возможность измерять столь слабые эффекты. Теперь уже с помощью опытов по интерференции с полной уверенностью можно было сказать, зависят результаты экспериментов от скорости Земли относительно эфира или нет.
И опыт снова дал, на этот раз уже определенно, отрицательный ответ: ожидаемый эффект, хотя и очень малый, но все же лежащий в пределах точности наблюдений, который предсказывала теория, обнаружить не удалось. Эфир продолжал оставаться неуловимым, что теперь уже явно противоречило классической теории. Этот чрезвычайно важный вывод позволил сделать знаменитый опыт Майкельсона - Морли. Другие опыты, которые тоже должны были обнаружить движение Земли относительно эфира с помощью уже не оптических, но электромагнитных явлений, были не более успешны, чем опыт Майкельсона - Морли.
4.4. Специальная теория относительности (СТО)
( А. Эйнштейн. Единство пространства и времени. Связь массы и энергии. ( Пространство и время в инерциальных системах. Зависимость длины и времени от скорости.(. Неоднозначность геометрии физического пространства. Неевклидовы геометрии. Риманова геометрия.

Среди всех, когда - либо существовавших физических теорий теория относительности Эйнштейна по степени противоречия "здравому смыслу" может быть отнесена к самым парадоксальным. В этой связи, академик Я. Б. Зельдович верно заметил, что название "теория относительности" - не очень удачное. По существу речь идет об изменении взглядов на мир, в котором разыгрываются все физические и не физические явления и процессы. Речь идет об изменении взглядов на фундаментальные категории материального мира - массу, пространство, время, доселе казавшиеся незыблемыми.
4.4.1. А. Эйнштейн. Единство пространства и времени. Связь массы и энергии38
Веками казалось очевидным, что существует трехмерное пространство, в котором царствуют законы геометрии, установленные еще древними греками. И это пространство, неизменно однородное, являясь вместилищем всего существующего само в себе, не содержит каких либо иных свойств.
Пространство считалось бесконечным, и в силу его однородности был очевиден принцип относительности: относительными становились положения вещей в пространстве и, следовательно, - системы отсчета, понимаемые как определенные системы независимых координат, служащие для задания положения объектов относительно принятой точки отсчета.
Было время - один общий для всего и всех режиссер событий. Всякое движение происходит во времени. За многовековую историю человечество так привыкло к понятию времени, что на вопрос: что это такое? ответить оказалось весьма затруднительно. Обычно этим вопросом не задаются, а считают время фундаментальной категорией физического мира (независимой первопричиной). Время однородно. Оно течет одинаково во все времена, в любой точке пространства, независимо от системы отсчета, в которой эта точка определена.
Считалось очевидным, что понятие одновременности процессов, протекающих в различных точках пространства, не нуждается в определении, так что интервал между двумя одинаковыми событиями неизменен, в каких бы областях пространства эти события не происходили. Время приобретало некое абсолютное значение, что хорошо соотносилось с религиозным мировоззрением людей. Понимая время как нечто невещественное, метафизическое, люди, тем не менее, установили определенные единицы его измерения, принимая в качестве таковых протяжение по длительности определенных циклических процессов, и тем самым, интуитивно выразили физическую сущность времени вообще.
Наконец, масса - мера вещества, содержащегося в теле. Всякое вещество проявляет свои качества физическими свойствами, но и мера, количество вещества, также проявляется определенными свойствами - тяготением и инертностью, и только этими свойствами в физике и определяется, так что всякая дискуссия о равенстве или неравенстве массы, тяготеющей и инертной, казалась не более чем пустым наукословием. Изменить массу можно было только добавлением к ней или отнятием от нее какого-то количества вещества. Мир был логичен и линеен.
Эту идиллическую картину природы было суждено разрушить Эйнштейну. В 1905 г. он опубликовал свою первую работу по теории относительности. Все странные факты, накопившиеся к тому времени в физике, от удивительного постоянства скорости света до не менее удивительного изменения массы электрона, получили простое и изящное объяснение. Прежде всего, скорость света объявлялась неизменной величиной, не зависящей от того, движется наблюдатель или находится в покое:
в любом случае, даже если лаборатория в ракете будет лететь со скоростью света, прибор Майкельсона неизбежно покажет одну и ту же величину - около 300000 километров в секунду. "Догоняя свет со скоростью с (скорость света в вакууме), я должен был бы наблюдать этот луч как неподвижное электромагнитное поле, лишь колеблющееся в пространстве, - писал Эйнштейн. - Но, по-видимому, такой картины не бывает. Интуитивно мне с самого начала казалось ясным, что с точки зрения летящего наблюдателя все должно было бы происходить по тем же законам, что и для наблюдателя, покоящегося относительно Земли".
Из этого вытекало, что пространство и время (поэтому мы и говорим теперь о пространстве-времени), масса, энергия, движение взаимосвязаны. Понятия абсолютного пространства, времени и движения устранялись. Все движущиеся тела становились равноправными с точки зрения находящихся на них наблюдателей. Абсолютно никакими опытами, проведенными внутри равномерно и прямолинейно движущейся системы, нельзя определить, движется она или находится в покое. Любой экспериментатор может в этом случае считать себя покоящимся, а всех остальных - движущимися. Результаты решений уравнений, описывающих любые процессы, от этого не изменятся. Но как обстоит дело с практическим подтверждением следствий специальной теории относительности?
Одной из практических реализаций положений этой теории являются колоссальные ускорители элементарных частиц: размеры и огромная мощность, которая нужна, чтобы привести их в действие, - вот следствия, прямо вытекающие из теории относительности. Чем быстрее летит частица, тем она становится массивнее, а чтобы изменить массу, приходится расходовать соответствующую энергию. Ну, а время? Формулы Эйнштейна говорят, что сторонний наблюдатель увидит, как время, в котором живет быстро движущаяся частица или экипаж ракетного корабля, протекает медленнее, чем в лаборатории, откуда ведется наблюдение. Этот вывод для многих кажется еще более фантастическим, нежели изменение массы. Но опыты упрямо говорят свое: да, время может изменяться.
В верхних слоях атмосферы, на высоте 10...30 километров, космические лучи сталкиваются с атомами кислорода и азота. При этом образуются элементарные частицы пи-мезоны. Время их жизни в неподвижном относительно лаборатории состоянии - 2,6 10-8 секунды. После этого они распадаются. Это очень хорошо видно, когда искусственно полученный пи-мезон останавливают в поглотителе: от момента остановки до распада проходит именно столько времени. В силу этого родившийся в атмосфере пи-мезон может пролететь (даже со скоростью света!) не более 0,66 километра. Но вдруг эта элементарная частица становится долгожителем. Мы видим, как она пролетает целых 16 километров и живет соответственно в десятки раз дольше. Между тем, с точки зрения внутренних свойств пи-мезона, он существует по-прежнему 2,6 10-8 секунды.
4.4.3. Пространство и время в инерциальных
системах
Г. А. Лоренц показал, что хотя уравнения электродинамики не инвариантны относительно преобразования Галилея, они инвариантны относительно некоторого другого линейного преобразования координат. Оно имело несколько более сложный вид, чем преобразование Галилея, и ныне носит название преобразований Лоренца.
Вначале этот факт казался просто математическим курьезом, а преобразования Лоренца, казалось, не имели никакого физического смысла. Но Эйнштейн исходил из обратного. Он предположил, что преобразование Лоренца отражает действительную физическую реальность и связывает координаты, измеренные двумя наблюдателями, движущимися равномерно и прямолинейно друг относительно друга (если, конечно, оба они движутся прямолинейно и равномерно относительно системы координат, связанной с неподвижными звездами). И как раз не преобразование Галилея, а именно преобразование Лоренца имеет точный физический смысл. Тогда из инвариантности уравнений электродинамики относительно преобразования Лоренца следует, что они имеют одинаковый вид во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно относительно неподвижных звезд. А значит, все электромагнитные и оптические явления будут протекать совершенно одинаково, независимо от того, в какой системе координат они наблюдаются, и обнаружить по этим явлениям абсолютное движение по отношению к эфиру оказывается невозможно.
Таким образом, отрицательный результат опыта Майкельсона и других опытов, поставленных с целью обнаружить движение Земли относительно эфира, становится совершенно естественным. Принятие относительности всех оптических и электромагнитных явлений (в том же смысле, в каком классическая механика понимает относительность всех механических явлений), с необходимостью будет означать, что не преобразование Галилея, а именно преобразование Лоренца выражает точную связь между двумя различными наблюдателями, движущимися прямолинейно и равномерно друг относительно друга.
Важно было понять причины, по которым преобразования Галилея необходимо заменить преобразованиями Лоренца, и выяснить физические следствия этой замены. Это сделал Эйнштейн при помощи тонкой и глубокой критики понятий пространства и времени. Такая критика была совершенно необходима, поскольку преобразование Лоренца влекло за собой целый ряд следствий, казавшихся тогда совершенно парадоксальными.
Действительно, из преобразования Лоренца следовало, что, с одной стороны, не существует абсолютного времени, то есть два наблюдателя, движущихся друг относительно друга, пользуются различным временем, а с другой стороны, что расстояние между двумя материальными точками также не имеет абсолютного характера и различно для различных наблюдателей. Из постулата об абсолютности времени и пространства следует преобразование Галилея. Если же принять преобразования Лоренца, то нужно отказаться от этих, казавшихся столь естественными постулатов.
Чтобы прояснить этот трудный вопрос, Эйнштейн провел глубокий критический анализ экспериментальных методов измерения пространства и времени. При этом в качестве основного положения он принял постулат, согласно которому никакая энергия, никакой сигнал не может распространяться, со скоростью, превышающей скорость света в пустоте, а скорость распространения света в пустоте постоянна и не зависит от направления распространения. Существование этой верхней границы для скорости распространения сигналов позволило вывести формулы преобразования Лоренца и понять их физический смысл.
Прежде всего, Эйнштейн поставил перед собой вопрос, каким образом должны быть синхронизированы в некоторой данной системе отсчета различные часы, по которым измеряется время в различных точках этой системы. Поскольку невозможно непосредственно сравнить между собой часы, расположенные в различных точках пространства, то для их синхронизации необходимо использовать тот или иной метод сигнализации. Синхронизируя часы в какой-либо системе координат, мы определяем собственное время этой системы. Но синхронизованные таким образом часы оказываются таковыми только в одной системе координат, именно в той, в которой проводилась синхронизация (а также, разумеется, во всех системах координат, покоящихся относительно этой). При этом, что очень существенно, оказывается, невозможно ввести никакое абсолютное время, справедливое для всех систем координат.
Поясним это более подробно. Пусть имеется две системы отсчета А и В, движущиеся друг относительно друга прямолинейно и равномерно. Будем исходить из того, что в той и другой системе координат часы синхронизированы между собой. В процессе движения часы, установленные в А, будут проходить мимо часов, установленных в В. Пусть теперь наблюдатели, находящиеся в системе А, в какой-то момент времени отметят время, показываемое проходящими в этот момент мимо них часами системы координат В. Тогда окажется, что время, определенное различными наблюдателями по движущимся часам, также различно. Иначе говоря, время, определенное в один и тот же момент собственного времени системы А по различным часам системы В, оказывается различным. Так как с тем же основанием можно считать, что система А движется относительно системы В, то время, определяемое в один и тот же момент собственного времени В наблюдателями, находящимися в системе В, по различным часам системы А, также будет различным.
Таким образом, в теории относительности понятие одновременности теряет свой абсолютный смысл: два события, происходящие в один и тот же момент времени в некоторой системе координат, будут не одновременными в другой системе координат, движущейся относительно первой. И этот, на первый взгляд столь парадоксальный вывод, как ясно показал Эйнштейн, является непосредственным следствием невозможности синхронизировать часы с помощью сигналов, распространяющихся со скоростью, превышающей скорость распространения света в пустоте.
Продолжая тем же путем физическую интерпретацию преобразования Лоренца, Эйнштейн показал, что любое материальное тело, движущееся относительно наблюдателя, будет ему казаться короче (в направлении движения), чем наблюдателю, относительно которого это тело покоится, т.е. наблюдателю, движущемуся вместе с этим телом.
Поясним это утверждение также несколько более подробно. Пусть два наблюдателя движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно в некотором направлении D. Предположим, что один из наблюдателей несет с собой линейку, ориентированную параллельно D. Пусть ее длина, измеренная этим наблюдателем, равна, например, одному метру. Тогда для другого наблюдателя длина этой же линейки будет меньше метра, причем это отличие будет тем значительнее, чем больше будет скорость относительного движения. Величина этого "сокращения" движущейся линейки, вообще говоря, чрезвычайно мала и становится заметной лишь при приближении скорости относительного движения к скорости света в пустоте. Именно по этой причине такое сокращение не удавалось измерить с помощью прямого эксперимента. Однако это сокращение, имеющее практически ничтожную величину, оказалось в точности равным тому, которое предполагали Фицджеральд и Лоренц, и было как раз таким, чтобы строго объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона.
И, тем не менее, несмотря на это совпадение, имеется существенная разница между сокращением по Фицджеральду-Лоренцу и сокращением по Эйнштейну. Действительно, первые рассматривали его как действительное сокращение тел, находящихся в абсолютном движении по отношению к неподвижному эфиру, тогда как Эйнштейн - лишь как кажущееся движущемуся наблюдателю сокращение. Сокращение, связанное только с процессами измерений, которыми пользуются различные наблюдатели для измерения расстояний и промежутков времени.
Кажущееся сокращение размеров сопровождается кажущимся замедлением хода часов. Наблюдатели, находящиеся, например, в системе координат А, изучая ход часов, движущихся вместе с системой В, обнаружат, что они отстают от их собственных часов, покоящихся в системе А. Иначе говоря, можно утверждать, что движущиеся часы идут медленнее неподвижных. Как показал Эйнштейн, это тоже одно из следствий преобразования Лоренца. Итак, кажущееся сокращение длин и замедление хода часов однозначно следует из новых определений пространства и времени, с которыми и связано преобразование Лоренца. И обратно, постулируя сокращение размеров и замедление хода часов, можно получить формулы преобразования Лоренца.
Рассуждения, при помощи которых Эйнштейн вводит свои новые представления, порою очень хитроумны и их сложно изложить корректно. Но они совершенно безупречны, и с логической точки зрения им не может быть предъявлено ни одно серьезное возражение. В частности, теория объясняет такой на первый взгляд парадоксальный факт, что сокращение масштабов и замедление хода часов имеют взаимный характер. Если каждый из двух наблюдателей, движущихся друг относительно друга прямолинейно и равномерно, обладает одинаковыми часами и линейками, то, произведя измерения, каждый из них обнаружит, что линейка другого короче его собственной, а часы другого отстают от его часов. Эта взаимность, которая на первый взгляд кажется такой удивительной, становится легко понятной при более внимательном изучении теории, чего мы здесь, конечно, не можем сделать.
В теории же относительности, как это ясно уже из самого вида преобразования Лоренца, пространственные координаты и время (т.е. временная координата) больше не могут рассматриваться независимо. Для геометрического объяснения соотношений между пространственными координатами и временем различных наблюдателей нужно ввести некоторое абстрактное четырехмерное пространство, позволяющее очень изящно отразить внутреннюю связь между пространственными координатами и временем, которая содержится в преобразованиях Лоренца.
Это геометрическое толкование предложено и развито Г. Минковским, а четырехмерное пространство получило название четырехмерного мира, или пространства-времени. Преобразование Лоренца оставляет неизменным взаимное расстояние между двумя точками в четырехмерном мире, то есть, как говорят, расстояние между двумя мировыми точками. Поэтому преобразование Лоренца можно рассматривать просто как поворот системы координат в четырехмерном пространстве и все физические законы записать в виде некоторых уравнений для четырехмерных тензоров. Каждый наблюдатель по-своему выкраивает из четырехмерного мира свое пространство и свое время, и формулы преобразований Лоренца немедленно следуют из того, что два по-разному равномерно движущихся наблюдателя разными способами отделяют пространство от времени.
Таким образом, мы видим, что теория относительности позволяет в каком-то смысле объединить временную координату и пространственные координаты в единое четырехмерное многообразие. Однако из этого, разумеется, вовсе не следует делать вывод, что в теории относительности полностью стирается физическое различие между временем и пространством и они становятся совершенно равноправными. Они целиком сохраняют там свой различный физический смысл. Более того, различие их находит свое отражение также в математической записи уравнения, в которое время входит иным образом, чем координаты.
Так, если потребовать, чтобы указанное четырехмерное пространство было евклидовым (в геометрическом смысле), то в качестве четвертой координаты необходимо выбрать, не само время, а произведение его на мнимую единицу. В этом и проявляется существенное различие между временем и пространством. 0дно из основных свойств времени - это его способность изменяться только в одном направлении. Отсюда вытекает своего рода неизотропность четырехмерного пространства: выделенный характер положительного направления вдоль оси времени. Каждому положению материальной точки в некоторый момент времени будет соответствовать точка в четырехмерном пространстве.
Совокупность таких мировых точек, соответствующих различным положениям материальной точки для различных моментов времени, определяет некоторую кривую в четырехмерном пространстве, называемую мировой линией этой материальной точки. В каждой мировой линии имеется выделенное направление от прошедшего к будущему, то есть существует временная и пространственная неравнозначность. И, тем не менее, несмотря на столь различный физический смысл, время и пространство в теории относительности оказываются тесно связанными, и введение четырехмерного мира является математическим отражением этой связи.
4.4.4. Неоднозначность геометрии физического
пространства. Неевклидовы геометрии
Одним из важных следствий специальной теории относительности является то, что пространство переплетено со временем, поэтому в действительности следует говорить не об одном только пространстве, а о пространстве-времени. В то же время пространство, доступное нашему непосредственному восприятию, с полной очевидностью и неизменностью остаётся трёхмерным. Если четвёртое измерение пространства существует, то где же оно? Наглядно представить мир, имеющий четыре измерения, можно попытаться, представив плоский мир с двумя измерениями. Будучи трёхмерными существами, мы видим, что этот плоский мир как бы вложен в третье измерение, но для двумерных существ представить это так же невозможно, как нам представить четвёртое.
Развивая этот ход мысли дальше, можно предположить, что четыре измерения пространства-времени "вложены" во Вселенную, имеющую пять и более число измерений. Математики уже давно обобщили законы геометрии на случай пространства с произвольным числом измерений. Почему природа выбрала и, можно сказать, выделила именно число три? Оказывается, можно найти этому объяснение, но, разумеется, не следует забывать, что это объяснение принадлежит нам - трёхмерным существам.
Математические решения показывают, что в пространстве с n измерениями мы приходим к универсальным законам обратной степени n-1. То есть в трёхмерном пространстве n-1=2 и справедлив закон "обратных квадратов". Если бы, например, гравитационное поле Солнца действовало на планеты по закону "обратных кубов", то планеты, двигаясь по спиральным траекториям, быстро упали бы на Солнце. В атомном мире у электронов не было бы устойчивых орбит, если бы пространство имело больше трёх измерений. Распространение волн также невозможно в пространстве с чётным числом измерений, например, двумерном. Сказанное не означает, что невозможно пространство с другим числом измерений, но физические законы в этих мирах принципиально отличались бы от законов нашего мира39.
В XIX веке Н. И. Лобачевский, изучая проблему пятого постулата в геометрии Евклида, пришел к выводу о том, что при определённых условиях прямые, которые кажутся нам параллельными, могут пересекаться. Цель его состояла в том, чтобы построить геометрию на основе новой системы аксиом и постулатов. Реализация этой программы привела Лобачевского к открытию неевклидовой геометрии. Лобачевский сделал величайшее открытие, но современники, даже крупные ученые, его не только не поняли, но заняли враждебную позицию. Позднее исследование Лобачевского явилось толчком к построению неевклидовых геометрий.
Стало ясно, что геометрий как логических систем может быть построено много и только опыт способен решить, какая из них реализуется в окружающем нас мире. На современном математическом языке структура геометрии полностью задается выражением квадрата расстояния между соседними бесконечно близкими точками. В декартовых координатах евклидова пространства квадрат такого расстояния имеет вид:
dl2 = dx2 + dy2 + dz2,
где dx, dy, dz - дифференциалы координат.
По сути дела, это не что иное, как теорема Пифагора для случая трехмерного пространства, если бы мы исходили из аксиом и постулатов Евклида. Это равенство можно положить в основу определения евклидовой геометрии.
Евклидова геометрия обладает важнейшим свойством: в ней всегда можно ввести во всем пространстве глобальные декартовы координаты. Это означает, что евклидово пространство "плоское", или, иными словами, кривизна в каждой его точке равна нулю.
Неевклидовы геометрии - это такие геометрии, в которых постулат о параллельных прямых заменён другим постулатом. При этом возможны два различных случая.
В первом случае, называемом эллиптической геометрией, говорится, что на поверхности через данную точку, расположенную вне заданной линии, не может быть проведено ни одной параллельной ей линии. Поверхность сферы представляет собой грубую неточную модель неевклидовой поверхности такого типа. "Наиболее прямой" линией на сфере является круг с диаметром, равным диаметру сферы. Все большие круги пересекаются друг с другом, и поэтому невозможно, чтобы два больших круга были параллельны. Говорят, что неевклидовая поверхность этого типа имеет положительную кривизну. Такая кривизна приводит к тому, что поверхность замыкается сама на себя. Она имеет конечную, а не бесконечную площадь.
Неевклидова геометрия, называемая гиперболической - это такая геометрия, в которой постулат о параллельных прямых заменён постулатом о бесконечном множестве параллельных, которые можно провести через точку на поверхности, расположенную вне данной линии. Грубой моделью поверхности такого типа является седловидная поверхность. Говорят, что такая поверхность имеет отрицательную кривизну. Она не замыкается сама на себя. Подобно евклидовой плоскости она тянется до бесконечности во всех направлениях.
И эллиптическая и гиперболическая геометрии представляют собой геометрии поверхностей постоянной кривизны. Это означает, что кривизна везде одна и та же, объекты не претерпевают искажений при переходе из одной точки в другую.
Существует неевклидова геометрия общего типа, обычно называемая римановой геометрией, это такая геометрия, в которой кривизна может меняться от точки к точке любым заданным способом40.
Она была получена Б. Риманом, который, развивая идею Н. И. Лобачевского и К. Ф. Гаусса, ввёл особый класс геометрий, получивший название "римановых", которые только в бесконечно малой области совпадают с евклидовыми геометриями. Б. Риман обобщил также фундаментальное понятие кривизны пространства. В пространстве римановой геометрии не существует единых декартовых координат. Это означает, что кривизна в римановом пространстве всегда отлична от нуля, а её значение зависит от точки пространства.
Какая же геометрия имеет место в природе? Ответ на этот вопрос можно получить лишь на основании опыта, то есть путем изучения явлений природы. Пока мы имели дело с относительно малыми скоростями, опыт подтверждал что геометрия нашего пространства евклидова. А такие понятия, как "длина" и "время", абсолютны и не зависят от системы отсчета.
Изучение электромагнитных явлений, а также движения частиц со скоростями, близкими к скорости света, привело к удивительному открытию:
* пространство и время образуют единый континуум; роль расстояния между двумя близкими точками (событиями) играет величина, называемая интервалом.
Квадрат интервала в декартовых координатах определяется равенством:
ds2 = c2dT2 - dx2 - dy2 - dz2,
где c - скорость света; T - время.
Геометрия, определяемая таким интервалом, называется псевдоевклидовой, а четырехмерное пространство с такой геометрией - "пространством Минковского". Квадрат интервала ds2 может быть величиной положительной, отрицательной или равной нулю.
Время и координаты входят в интервал почти равноправно (в квадрате) с той лишь принципиальной разницей, что у них разные знаки. В этом находит отражение глубокое различие таких физических понятий, как "длина" и "время". Величина интервала не зависит от системы отсчета, тогда как время и длина уже не являются абсолютными понятиями, они относительны и зависят от выбора системы отсчета.
Интервал ds2 имеет одинаковый вид в бесконечном классе систем отсчета, движущихся одна относительно другой с постоянной скоростью, меньшей скорости света. Такие системы отсчета являются инерциальными, ибо в них выполняется закон инерции. Преобразования от одной инерциальной системы к другой, сохраняющие вид интервала, называются преобразованиями Лоренца. Теорию, сформулированную в классе инерциальных систем отсчета на основе интервала ds2, А. Эйнштейн назвал специальной теорией относительности.
4.5. Общая теория относительности (ОТО)
Инерция и гравитация. ( Принцип эквивалентности. Силовое поле. ( Теория гравитации А. Эйнштейна. Гравитационные массы и искривление пространства - времени. ( Тяготение как следствие изменения законов геометрии около тяжёлых тел.

Вначале теория относительности была создана Эйнштейном лишь для инерциальных систем координат, то есть для систем координат, движущихся прямолинейно и равномерно относительно системы неподвижных звезд, и так же, как и в старой классической механике, принцип относительности был провозглашен только для прямолинейного и равномерного движения.
Поэтому под теорией относительности понимают обычно совокупность наиболее существенных результатов, относящихся к инерциальным системам координат. Чтобы подчеркнуть это, её иногда называют частной или специальной теорией относительности. Но А. Эйнштейн полагал, что необходимо попытаться обобщить эти результаты на случай ускоренного движения и в результате построил теорию, справедливую для предельно общего случая.
4.5.1. Инерция и гравитация
Весьма слабые гравитационные силы на современном этапе развития Вселенной играют определяющую роль в процессах космического масштаба, где электромагнитные взаимодействия оказываются в значительной степени скомпенсированными за счет существования равного количества разноименных зарядов, а коротко действующие ядерные силы проявляются только в областях сосредоточения плотного и горячего вещества. Современное понимание механизма возникновения гравитационных сил стало возможным лишь после создания теории относительности, то есть почти через три столетия после открытия Ньютоном закона Всемирного тяготения.
Созданию современной теории гравитации предшествовало осознание глубокой связи, существующей между силами тяготения и "псевдосилами" инерции. Последние с классической точки зрения не являются мерой реального взаимодействия между телами, а вводятся в неинерциальных системах отсчета чисто формально для обеспечения возможности записи в них уравнений движения, совпадающих по форме со вторым законом Ньютона.
Так все пассажиры внутри равноускоренно движущегося автобуса относительно связанной с ним неинерциальной системы отсчета "летят к стенке" с одинаковым ускорением (равным ускорению автобуса), оставаясь "на самом деле" неподвижными относительно "хорошей" инерциальной системы отсчета, связанной с Землей. Для объяснения этого явления с точки зрения находящегося в автобусе наблюдателя приходится предположить, что при ускорении на все объекты действуют силы инерции, пропорциональные их массе и приводящие к одинаковым ускорениям.
При вращательном движении неинерциальных систем отсчета выражение для силы инерции приобретает более сложный вид, в частности, появляется слагаемое, зависящее от скорости движения тела - "Кориолисова сила*", наличие которой "объясняет" асимметрию размывания берегов рек, текущих в перпендикулярном вращению Земли направлении и вращение плоскости колебаний маятника Фуко*.
Пропорциональность гравитационной силы инертной массе делает ее весьма схожей с силой инерции. В частности при поступательном движении неинерциальной системы отсчета с ускорением, равным ускорению свободного падения, вдоль направления гравитационных сил наступает полная компенсация сил тяготения и инерции - явление невесомости. Помещенный в закрытый лифт наблюдатель, ощущая исчезновение веса, не может решить, что произошло в действительности: либо лифт начал падать вниз с ускорением свободного падения, либо исчезло гравитационное поле Земли.
Обобщая описанный мысленный эксперимент, А. Эйнштейн вывел принцип эквивалентности:
* никаким опытом наблюдатель, помещенный в замкнутую систему отсчета, не может установить, движется ли эта система отсчета с ускорением в пустом пространстве или покоится во внешнем гравитационном поле.
Принцип эквивалентности в значительной степени устраняет "выделенность" инерциальных систем отсчета и позволяет исключить из теории само понятие гравитационных взаимодействий, факт наличия или отсутствия которых установить опытным путем, вообще говоря, оказывается невозможным. Наблюдаемые же на опыте отклонения траектории тел, перемещающихся вблизи массивных объектов, трактуются не как результат взаимодействия, а как следствие искривления пространства.
Для непрямолинейного или ускоренного движения, вообще говоря, принцип относительности в его прежней формулировке оказывается уже несправедливым, поскольку в системе координат, движущейся ускоренно (например, вращающейся), механические, оптические или электромагнитные явления протекают иначе, чем в инерциальных системах отсчета. В частности, для правильного описания механических явлений, протекающих в ускоренной системе координат, необходимо вводить некие фиктивные дополнительные силы, называемые центробежными и силами Кориолиса. А необходимость введения этих сил дает наблюдателю возможность определить наличие ускорения системы координат, с которой он связан. Тем не менее, и в этом случае можно все же сохранить принцип относительности в его более общей форме, если допустить, что все законы природы выражаются в виде тензорных соотношений в четырехмерном пространстве и попытаться учесть влияние ускорения на физические явления введением ускоренно движущихся систем координат.
4.5.2. Теория гравитации
В 1916 году развитие вышеуказанных идей А. Эйнштейном привело к представлению, что законы геометрии меняются около тяжелых тел и в этом состоит объяснение тяготения - объяснение движения планет и падения яблока на землю. Новая теория получила название релятивистской теории гравитации. Согласно этой теории, все тела движутся по инерции, но динамика их движения определяется кривизной пространства-времени в области движения. Взаимодействия сил заменяются геометрией пространства-времени, являющейся функцией гравитирующих масс. Течение времени в конкретной точке такой криволинейной Вселенной не зависит от системы отсчета, а абсолютно определяется гравитационным потенциалом в этой точке: чем больше его абсолютная величина, тем медленнее течет время. Если из двух одинаковых часов одни находились некоторое время в гравитационном поле, то после этого часы бывшие в поле, окажутся отставшими. Коренным образом меняется и само понятие системы отсчета.
Если ранее под системой отсчета понимали совокупность покоящихся друг относительно друга, неизменным образом взаимно расположенных тел, то при наличии переменного гравитационного поля (а только такие поля и существуют во Вселенной) таких систем тел не существует и для точного определения положения тела в пространстве необходимо иметь совокупность бесконечного числа тел, заполняющее все пространство наподобие некоторой среды. Такая система тел вместе со связанными с каждым из них, произвольным образом идущими, часами и будет являться системой отсчета. Физически эти системы не эквивалентны, напротив, конкретный вид физических явлений, в том числе свойства движения тел, во всех системах отсчета становятся различными. Верно заметил в этой связи Ф. Кеффер: "мы потеряли систему отсчета, но приобрели универсальную символическую форму. Исчезли независимые фундаментальные категории физического мира: каждая зависит от совокупности других, и совокупность других зависит от каждой".
Более подробный анализ показывает, что использование криволинейных координат в четырехмерном пространстве позволяет объяснить явления, наблюдаемые ускоренно движущимся наблюдателем, и, в частности, введение центробежных и других связанных с ними сил. Развивая эти идеи, Эйнштейн выдвинул чрезвычайно красивую гипотезу, на которой основана его известная теория гравитации. Силы тяготения, или гравитационные силы, играющие столь важную роль в астрономии, обладают одной особенностью, выделяющей их из всех известных нам в природе сил. А именно, как показали чрезвычайно точные эксперименты, проведенные Эйнштейном, эти силы всегда пропорциональны массе тела, на которое они действуют, и, следовательно, все тела независимо от величины их массы или заряда движутся в гравитационном поле совершенно одинаково (разумеется, при одних и тех же начальных условиях). Иначе говоря, их траектория определяется только свойствами гравитационного поля и не зависит от свойств движущегося тела. Это позволило Эйнштейну учесть влияние гравитационных полей, действующих в некоторой области пространства, введением локальной кривизны четырехмерного пространства.
Используемый в специальной теории относительности четырехмерный континуум пространства-времени представляет собой евклидово или, как говорят, плоское пространство (в частном случае двух измерений примером евклидова пространства может служить обычная плоскость). Однако ничто не мешает предположить, что четырехмерное пространство может обладать переменной кривизной, то есть быть неэвклидовым. В этом случае уже нельзя ввести системы прямоугольных координат, и положение какой-либо точки в пространстве может быть определено лишь с помощью криволинейной системы координат, подобно тому, как это делается в геометрии при изучении искривленных поверхностей. Таким образом, наблюдатель, находящийся в неэвклидовом пространстве, должен для описания событий обязательно пользоваться криволинейной системой координат, что и приводит к появлению гравитационных сил.
Центробежные силы, возникающие во вращающейся системе координат, связаны с тем, что наблюдатель, находящийся в этой системе, использует для описания явлений, происходящих в евклидовом четырехмерном пространстве, системы криволинейных координат. Подобно этому возникновение гравитационных сил вызвано тем, что в области действия гравитационных полей пространство оказывается неэвклидовым и наблюдатель вынужден пользоваться криволинейными координатами.
Специальная теория относительности неоднократно подтверждена экспериментально. В частности, предсказываемое этой теорией заметное увеличение массы электронов при приближении их скорости к скорости света блестяще подтвердилось многими экспериментами, последние и наиболее точные из которых были проделаны Гюйе и Лаванши. Точно так же не вызывает сомнения принцип эквивалентности массы и энергии, неоспоримо доказанный экспериментами в ядерной физике. Но если специальная теория относительности достаточно проверена на опыте, то этого нельзя еще сказать об общей теории относительности.
Действительно, новые эффекты, предсказываемые этой теорией, столь малы, что, обнаружив их, каждый раз приходится спрашивать себя, действительно ли это те самые эффекты, которые предсказывает общая теория относительности или же они вызваны другими неучтенными факторами. Пока не могут служить неопровержимыми доказательствами ни чрезвычайно малое вековое смещение перигелия Меркурия, ни очень слабое отклонение световых лучей, проходящих вблизи Солнца. Хотя эти эффекты и совпадают по порядку величины с предсказываемыми теорией Эйнштейна, толкование их все же не вполне однозначно. Более убедительными кажутся эксперименты по измерению красного смещения спектральных линий, излучаемых, например, спутником Сириуса. Однако этого единственного подтверждения еще недостаточно и одно оно, без сомнения, не может служить достоверным доказательством справедливости общей теории относительности.
Но, несмотря на недостаточное экспериментальное подтверждение общей теории относительности, она - впечатляющее сооружение. Она принесла в физику множество новых и плодотворных идей, научила внимательно вникать в сущность основных теоретических положений и критически относиться к очевидным и само собой разумеющимся на первый взгляд утверждениям. Благодаря самой сложности, с одной стороны, и одновременно логической стройности ее, с другой, изучение этой теории чрезвычайно полезно для всех физиков-теоретиков.
4.5.3. Гравитационные массы и искривление
пространства - времени
Обобщением закона инерции Галилея на случай искривленных пространств является утверждение о том, что мировыми линиями свободных тел являются геодезические (кривые, соответствующие минимальному собственному времени движения между заданными двумя точками). Движение вдоль геодезической в искривленном пространстве с точки зрения трехмерного наблюдателя воспринимается как движение по трехмерной кривой с переменной скоростью, что в рамках классического подхода "объясняется" действием гравитационных сил.
Применительно к линии на плоскости смысл понятия кривизны очевиден. Так, прямая линия не имеет кривизны, в то время как кривизна окружности постоянна. В общем случае кривизна линии меняется от точки к точке. Физиков, однако, интересуют не только простые геометрические фигуры. Так, больший интерес вызывает рассмотренный Гауссом случай поверхности в трехмерном пространстве. Почему? Как известно, кривую линию на плоскости всегда можно выпрямить, не растягивая и не укорачивая ее. Если же взять сферическую поверхность, то какой бы маленький кусок ее мы ни пытались уложить на плоскость, нам все равно пришлось бы его вытянуть, сломать или еще как-то деформировать. Таким образом, сфере присуще особое внутреннее свойство, отличающее сферу от плоскости, а именно кривизна, выражающая само геометрическое существо и не зависящая от способа построения сферы в трехмерном пространстве.
Нарисовав треугольник на поверхности Земли, мы обнаружим заметное отличие его свойств от свойств треугольника на плоскости: сумма углов последнего в точности равна 180°. Если же начертить треугольник с вершинами на Северном полюсе, в городах Кито (Эквадор) и Либревиль (Габон), (оба города находятся на экваторе), то получится треугольник с тремя прямыми углами, сумма которых будет равна 270°!
Итальянскому математику Леви-Чивита пришла в голову гениальная идея, как объяснить и описать кривизну. Эта идея оказалась источником разнообразных обобщений и была использована выдающимся французским математиком Картаном. Проделаем мысленный эксперимент: поместим пушку на Северный полюс и направим её ствол в сторону г. Кито (Эквадор). Затем перевезем пушку по поверхности Земли в Кито, а из Кито в Либревиль (Габон). сохраняя во время путешествия ствол пушки параллельным его первоначальному направлению. По прибытии в Либревиль ствол пушки будет направлен вдоль меридиана, то есть на Юг. Если же мы сразу перевезли бы пушку в Либревиль, то он по прибытии был бы направлен вдоль экватора (в сторону Кито). Итак, результат зависит от конкретного пути, и в нашем случае (речь идет о результате точном и общем) угол между двумя этими направлениями и равен тем 90°, которые добавились к сумме внутренних углов треугольника.
Все это означает, что если пространство обладает кривизной, то вообще нельзя говорить о параллельности двух направлений, не исходящих из одной точки. В нашем пространстве этот эффект настолько мал, что заметить его в эксперименте типа эксперимента Леви-Чивита практически невозможно; тем не менее эффект существует и имеет большое философское значение. Нельзя в принципе делать какие-либо утверждения относительно взаимной ориентации двух удаленных друг от друга объектов; кривизна пространства вносит свои коррективы.
Выдающаяся идея Эйнштейна состояла в том, чтобы связать эту кривизну с распределением вещества в пространстве. Согласно Эйнштейну, пространство обладает кривизной, а мы до сих пор ее не замечали, потому что она мала и проявляется только через гравитационные эффекты. Особенно наглядной является картина пространства, предложенная Эддингтоном. Он сравнивал пространство с хорошо натянутым эластичным полотнищем, которое в нормальном состоянии лежит целиком в плоскости. Если положить на полотнище тяжелые шары (символизирующие небесные тела), то оно искривится, изменив при этом свою геометрию. Каждый из двух находящихся рядом шаров стремится скатиться в яму, образованную соседом. Так, через посредство полотнища между шарами появляется сила взаимодействия, аналогичная силе тяготения. Действительно, в общей теории относительности силы тяготения возникают за счет искривления окружающего пространства.
На сегодняшний день существуют некоторые экспериментальные подтверждения ОТО. Релятивистская теория гравитации удовлетворяет принципу соответствия (в пределе малых масс и скоростей из нее непосредственно выводится закон Всемирного тяготения Ньютона). В то же время уравнения гравитации предсказывают ряд наблюдаемых эффектов, необъяснимых с позиций классической физики:
* Прецессия* эллиптических орбит планет, движущихся в поле сферических тел (зарегистрирована у ближайшей к Солнцу планеты - Меркурия).
* Эффект "абсолютного" замедления времени в гравитационном поле или при ускоренном движении (зарегистрирован по измерению времени распада нестабильных ядер и "красному смещению" световых волн в гравитационном поле).
* Искривление лучей света вблизи массивных тел, отличное по величине от эффекта, предсказываемого классической теории (наблюдается по изменению видимого положения звезд вблизи края Солнца).
В пользу правильности ОТО говорят ее внутренняя логичность, красота и элегантность, хотя решающий аргумент остаётся за экспериментом.

ГЛАВА 5. ХАОС. САМООРГАНИЗАЦИЯ.
СЛОЖНОСТЬ
5.1. Хаос и порядок
Энтропия. ( Принципы системности и целостности. Типы систем. Определение целостности. ( Нелинейные системы. Рождение порядка. Отличие линейных систем и нелинейных. Формы описания порядка.

Пространственная отделённость порядка от хаоса - важнейшая черта архаичных интуиций, не подвергавшаяся сомнению до эры научной космологии. Например, платоновское учение об эйдосах и пространстве перерастает у Аристотеля в учение о форме и материи. Форма - философский эквивалент идеи порядка. Материя - идеи хаоса.
После Галилея наука оперирует понятием изотропного* пространства. Оно не имеет структуры. Определение "вида" вещей зависит только от выбора системы отсчёта. Порядок есть взаимное расположение вещей в пространстве и его определение зависит только от субъекта. В чём же проявляется объективность порядка природы? Ньютон отвечает на этот вопрос так: в абсолютности пространства и времени. Признание этих параметров абсолютными в принципе не позволяет сформулировать альтернативное архаичному* представление о порядке.
Например, в классической механике древней идее хаоса соответствует идея вакуума, как субстанции лишённой всех определений. Физико-математическое понятие инварианта преобразований* является аналогией представлений о порядке, формировавшихся в античной философской мысли. С точки зрения способов отражения упорядоченности мира теория Эйнштейна не отличается от классической механики: инвариант* является основой описания порядка во Вселенной. По настоящему альтернативное представление о порядке вырабатывается в статистической механике в XIX веке.
5.1.1. Энтропия41
В определении "хаоса" понятие энтропии является основополагающим. Образно говоря, энтропия генерирует хаос. Из статистического выражения второго начала термодинамики следует, что с ростом энтропии расположение частиц (частей) системы становится все более и более хаотичным. Это широко известное положение стало уже философским. "Энтропия и беспорядок не только похожи, а есть одно и то же", - утверждает, например, исследователь Р. Е. Пайерлс. Э. Шредингер иллюстрирует это на примере плавления кристалла, в результате чего "изящные и устойчивые расположения атомов или молекул в кристаллической решетке превращаются в непрерывно меняющиеся случайные распределения", то есть в жидкость. Как известно, наиболее наглядно свойства энтропии проявляются в изолированных системах*, где она монотонно возрастает. Однако всё сказанное об энтропии имеет скорее философский смысл, чем естественнонаучный, так как, строго говоря, физическое значение энтропии до сих пор не определено. Слова Д. фон Неймана: "Никто не знает, что же такое энтропия" до сих пор не потеряли своей силы.
Понятие энтропии возникло в термодинамике в результате стремления унифицировать* элементарные выражения тепла и работы. Как известно, элементарная работа есть произведение потенциала - интенсивного фактора (силы, давления, химического потенциала и т. п.) на приращение координаты экстенсивного фактора (пути, объема, массы и т. п.). Иными словами, как потенциал, так и координата в выражении работы имеют вполне определенный физический смысл. Что же касается выражения
S=Q T
где Q - тепло, получаемое системой, Т - абсолютная температура, S - энтропия, то здесь определенный физический смысл имеют только приращение тепла и абсолютная температура.
Таким образом, стремление навязать природе удобную для математических операций форму (унифицировать форму выражения тепла с формой выражения работы) обернулось появлением функции с непонятным физическим смыслом. Она оказалась удобной для доказательства необратимости процессов, но неэффективной в практических приложениях.
В энциклопедическом курсе термодинамики К. А. Путилова по этому поводу говорится: "Теплота и работа являются неравноценными формами передачи энергии... Работа может быть непосредственно направлена на пополнение запаса любого вида энергии. Теплота же непосредственно, то есть без промежуточного преобразования в работу, может быть направлена на пополнение запаса только внутренней энергии тел". И далее: "Внутренняя энергия тела является единственной энергией тела, имеющей статистическую основу...".
Отсюда следует, что энтропия, как и внутренняя энергия, являются объектами изучения статистической физики. Но обе эти функции для реальных объектов в рамках статистической физики вычислены быть не могут. Не могут быть определены они и в эксперименте. В силу этого энтропия вычисляется в термодинамике через измеряемые величины - температуру и количество тепла.
Другая трудность связана с тем, что в термодинамике энтропия играет "двусмысленную" роль. Она растет при равновесном нагреве и убывает при равновесном остывании тела, сопутствуя изменению его внутренней энергии. Не случайно, поэтому она - единственная термодинамическая функция, имеющая одинаковую размерность с другой - теплоемкостью. В этих случаях изменения значения энтропии не связаны с изменением равновесия в системе - условия, характеризующего ее потенциальную работоспособность.
Обычно больший интерес, особенно в биологии, энтропия вызывает в качестве меры неравновесия. В этой роли она характеризует ту часть энергии, которая при наличии преобразующего механизма может произвести работу. Именно в этом смысле она интересует как теплотехников, так и биологов, так как характеризует возможность системы обеспечить за счет такой работы жизнедеятельность. Именно эта роль энтропии как характеристики состояния системы и положила, начиная со знаменитой речи Л. Больцмана, произнесенной им в 1886 г., начало поискам определения жизни как явления, способного уменьшать свою энтропию.
Реальные организмы хорошо справляются с этими двусмысленностями. В случае необходимости поддержания температурного гомеостаза многие из них, особенно высшие, обладают механизмами для повышения температуры (сопровождаемой соответственно ростом энтропии) и понижения ее (сопровождаемой убылью энтропии).
Однако и действия, способствующие повышению потенциальной работоспособности (сопровождающейся понижением энтропии, характеризующей в этом случае меру неравновесия), ограничены известными пределами. Так, накопление жира, обеспечивающего потенциальную работоспособность животного, при превышении определенного запаса может привести его к гибели, как вследствие снижения подвижности, так и вследствие внутренней патологии. Таким образом, организмы поддерживают оптимальное значение энтропии подобно тому, как они это делают с сотнями различных веществ с целью сохранения гомеостаза. Таким образом, энтропийные характеристики и в случаях, указывающих на неравновесность, не являются ни определяющими, ни специфическими для организмов.
До сих пор рассматривался физический смысл энтропии в ее классическом термодинамическом выражении. Рассмотрим теперь смысл этого понятия в статистической трактовке второго закона термодинамики.
Наиболее наглядно этот смысл проявляется в фазовых переходах первого рода, например, плавлении. В этом процессе тепло, полученное системой при постоянной температуре фазового перехода, связано с энтропией простейшей зависимостью. Поскольку кинетическая энергия молекул, находящаяся в прямой зависимости от Т (температуры), практически не изменяется, то, очевидно, что поступающее тепло расходуется на ослабление связей между частицами, образующими кристаллическую решетку, то есть на увеличение потенциальной энергии связи молекул.
Этот случай позволяет увидеть в чистом виде одну из составляющих физического смысла энтропии, обычно маскируемую одновременным изменением кинетической и потенциальной энергий, и выявить, что энтропия - это функция, отражающая и величину потенциальной энергии связей микрочастиц. Ее монотонный рост в прямой зависимости от температуры нарушается фазовыми переходами, когда потенциальная энергия связей изменяется скачком. Особенно большим этот скачок может быть при переходе в газовую фазу, когда фактически происходит разрыв связей между молекулами вещества. При этом расстояние между ними может увеличиваться на несколько порядков (у воды объем при переходе в пар возрастает примерно в 1700 раз) и дальнейший рост потенциальной энергии частиц становится незначительным. И лишь тогда приложение статистического выражения второго закона становится практически адекватным.
Существование организмов определяется, в первую очередь, сохранением их структуры, которая, в свою очередь, зависит от прочности связей слагающих ее частей, характеризуемой их потенциальной энергией. Отсюда очевидно, что статистическое выражение второго закона термодинамики в общем случае непригодно для выражения энтропии и, в частности, для исследования специфики жизни. Это связано с тем, что оно выведено на основании идеальной модели, в которой все взаимодействия частиц сводятся к упругим соударениям друг с другом и со стенками сосуда, а все остальные взаимодействия игнорируются.
Работа, производимая системой, приводит к упорядоченному движению частиц. Если система совершает работу над окружающей средой, она вызывает упорядоченное движение. При нагреве системы частицы движутся неупорядоченно. Когда теплота переходит к окружающей среде, в ней возникает неупорядоченное движение. В термодинамических системах упорядоченность движения и конфигурация расположения частиц играют существенную роль. Рассеяние энергии следует понимать не только как пространственное рассеяние по атомам Вселенной, но и как разрушение упорядоченности.
Энергия никогда не может сама по себе локализоваться, собравшись в избытке в какой-то части Вселенной, ещё менее вероятна упорядоченная локализация. Вне зависимости от того, каким способом рассеивается энергия - путём перехода от одного объекта к другому, посредством распространения и перемешивания носителей энергии или вследствие утраты упорядоченности движения внутри объекта - её рассеяние всегда соответствует увеличению энтропии. В то же время хаос может выступать как сверхсложная упорядоченность, а среда содержит в себе всё необходимое для рождения упорядоченных структур.
5.1.2. Принципы системности и целостности
Под системой следует понимать любую вещественно-энергетическую или концептуальную совокупность взаимосвязанных составляющих, объединённых прямыми и обратными связями в некоторое единство. Или, иначе: саморазвивающаяся и саморегулирующаяся определённым образом упорядоченная материально - энергетическая совокупность, существующая и управляемая как относительно устойчивое целое за счёт взаимодействия, распределения и перераспределения, имеющихся поступающих извне и продуцируемых этой совокупностью веществ, энергии, информации и обеспечивающая преобладание внутренних связей.
Примерами систем могут служить:
* Антропоэкологическая система, представляющая динамическую совокупность человеческого коллектива, хозяйственной деятельности и территории.
* Биокосная система, состоящая из организмов и абиотической* среды.
* Закрытая система - система, обменивающаяся со средой энергией, но не веществом.
Целостность системы означает принципиальную несводимость его свойств к сумме свойств составляющих его элементов и невыводимость из последних свойств целого. Таким образом, использование принципа целостности предполагает наличие выделенных элементов (частей) объекта как системы.
Историко-философская традиция утверждает, что допустимо два полярных способа разбиения целостной системы на части:
1. При первом способе - получаемые в итоге элементы, или части, не несут в себе целостных свойств исходной системы.
2. При втором способе - действительно выделяются части целостной системы, то есть такие элементарные образования, которые сохраняют в специфической форме свойства исследуемой системы. Будем условно называть второй способ декомпозиции* системы "целостным" разбиением её на части.
Явления самоорганизации, видимо, имеют целостную природу. Поэтому их изучение требует целостного подхода, как в части содержательных исходных представлений, так и формальных методов описания. Используемые сегодня для этой цели предметные представления и методы, чаще всего, соответствуют нецелостному способу разбиения системы. Поэтому, ставя задачу определения природы самоорганизации рассматриваемой системы, мы не можем их использовать и сталкиваемся с парадоксом классической системной структуры - парадоксом целостности: "Решение задачи описания данной системы как некоторой целостности возможно лишь при наличии решения задачи "целостного" разбиения данной системы на части, а решение задачи "целостного" разбиения данной системы на части, возможно, лишь при наличии решения задачи описания данной системы как некоторой целостности".
Но этот парадокс можно обойти, воспользовавшись способностью наблюдателя к пространственному соотнесению объектов, что может служить целостнообразующим фактором. Для получения целостности необходимо задать объект как процесс, который имеет временную природу и для своего целостного описания требует выделения целостных специфических элементов процесса. Теперь можно сформулировать определение:
* пространственно-временная самоорганизация является целостной в том смысле, что в ней проявляется согласованное с потоками обмена с внешней средой взаимодействие элементов процессов, протекающих в различных частях системы.
Рассмотрим полученную трактовку целостности пространственно- временной самоорганизации на предметном уровне. Предметные представления физики, химии, биофизики, экологии, синтезируемые синергетикой, имеют в качестве общей основы представление о системе взаимодействующих элементов. Роль элемента может играть атом, молекула, клетка, живой организм. Взаимодействие элементов может заключаться, например, в упругом столкновении молекул, приводящем к изменению их скоростей, акте химической реакции, в ходе которого одни молекулы превращаются в другие.
При протекании явлений пространственно-временной самоорганизации элементы начинают взаимодействовать согласованно в пространстве-времени, то есть наблюдается эффект кооперации. Например, пространственно однородные автоколебания цвета реакционной смеси в ходе реакции Белоусова-Жаботинского* означают, что в каждой точке реакционной смеси количество актов химического взаимодействия периодически меняется во времени и эти изменения пространственно согласованы, синхронизированы. Надэлементную природу пространственно-временной самоорганизации отмечает И. Пригожин: "во всех этих случаях общим является макроскопическое, надмолекулярное проявление цепи событий, зарождающихся на уровне отдельных молекул".
5.1.3. Нелинейные системы. Рождение порядка
Взаимодействие хаоса и порядка тесно связано с понятием "динамическая система" и нормами её функционирования. В естествознании под динамической системой понимается любой объект или процесс, для которого возможно определить понятие "состояния" как некоторого мгновенного описания этой системы, известного в любой момент времени. Состояние системы дает представление о системе в целом в конкретный момент времени. Смена состояний выражает изменение системы во времени и определяется как внешними воздействиями, так и самой системой.
Различают линейные и нелинейные динамические системы. Подсистемы линейной системы слабо взаимодействуют между собой и практически независимо входят в систему. Изменения ответа линейной системы на внешнее воздействие почти пропорционально этому воздействию. Линейные системы обладают свойством аддитивности*, которое целую систему сводит к сумме составляющих ее частей.
Однако в большинстве системных исследований условия линейности не выполняются, и появляется необходимость изучать общие принципы возникновения и развития сложных динамических систем, описываемых более сложными, нелинейными моделями. Система нелинейна, если в разное время, при разных внешних воздействиях ее поведение определяется различными законами.
Нелинейная система имеет устойчивые и неустойчивые стационарные состояния. Причем одно и то же стационарное состояние такой системы при одних условиях может быть устойчивым, а при других неустойчивым. Устойчивые стационарные состояния присущи самой системе, а неустойчивые характеризуют моменты изменений в ней. Изменяющиеся нелинейные системы отличают множественность стационарных состояний, единство их устойчивости и неустойчивости. Это создает феномен сложного и разнообразного поведения, не укладывающегося в единственную теоретическую схему и, может быть, непредсказуемого в определенные периоды времени.
В современном естествознании понятие "нелинейность" начинает использоваться все шире, приобретая мировоззренческий смысл. Идея нелинейности включает в себя многовариантность, альтернативность выбора путей эволюции и ее необратимость. Нелинейные системы испытывают влияние случайных, малых воздействий, порождаемых неравновесностью, нестабильностью, выражающихся в накоплениях флуктуаций*, бифуркациях (ветвлениях путей эволюции), фазовых* и самопроизвольных переходах. В таких системах возникают и поддерживаются локализованные процессы (структуры), в которых имеют место интеграция*, архитектурное объединение структур по некоторым законам построения эволюционного целого.
При исследованиях нелинейных систем можно выделить два различных подхода в зависимости от того, на что в первую очередь направлено внимание исследователя:
1. На возможные сценарии прохождения точки бифуркации* без детализации хаотического поведения в этот момент. Этот подход строится на модели структурно устойчивой системы, с единственной кризисной точкой - точкой бифуркации практически, всегда находящейся в состоянии гомеостаза. Это взгляд наблюдателя извне. В арсенале синергетических методов такая ситуация описывается с помощью теории катастроф. Математический метод описания эволюции различных природных процессов был создан Р. Томом.
2. На поведение системы в хаосе (позиции "метанаблюдателя" и "наблюдателя"). Это взгляд на процесс самоорганизации изнутри, когда наблюдатель включен в систему и его наблюдение за нестабильной системой, диалог с ней вносят неконтролируемые возмущения. Соответствующий аппарат развивается на базе теории динамического или детерминированного хаоса. Совокупность большого числа нелинейных осцилляторов*, образующих систему, способно порождать особые структуры - аттракторы*, выступающие для исследователя как "цели эволюции". Они могут быть как правильными, просто описываемыми структурами, так и хаотичными состояниями. В первом случае аттракторы характеризуются либо одним конечным состоянием, либо циклически повторяющимся процессом, задаваемым простой математической формулой. В системах же детерминированного хаоса аттракторы приобретают более сложную структуру и становятся "странными аттракторами". Это уже не точка и не предельный цикл, а сложно описываемая область.
Состояние большего хаоса может допускать более высокую ступень локальной упорядоченности. Например, механическая упорядоченность (упорядоченное движение частиц), согласованность движений, позволяет строить, перевозить и т. д. Более тщательный способ извлечения упорядоченности присущ живым организмам. Хаос может приводить к порядку.
При физических изменениях совершается работа, которая ведёт к созданию сложных структур. При химических изменениях возникает новое расположение атомов, ведущее к возникновению новых веществ. Строго говоря, в физике и химии все естественные изменения вызваны "бесцельной" деятельностью хаоса. В современной науке существуют следующие подходы к описанию порядка:
1. Линейный - детерминистическое определение характера зависимостей. Линейный подход характерен для классического естествознания.
2. Вероятностный - характер зависимостей определяется на основе статистических закономерностей. Вероятностный подход применяется в квантовой механике и квантовом естествознании.
3. Информационный - характер зависимостей определяется на основе обратной связи.
Взаимодействие структур, их взаимные трансформации и динамика во многом универсальны - они оказываются одинаковыми для сред и полей совершенно разной природы.
5.2. Самоорганизация
Синергетика. ( Механизм самоорганизации. ( Самоорганизация в диссипативных структурах.

Простые и сложные "высокоорганизованные" структуры могут самопроизвольно возникать из начального беспорядка, постепенно развиваясь и эволюционируя. Этот процесс получил название "самоорганизации". То есть самоорганизация - это процесс самопроизвольного возникновения, относительно устойчивого существования и саморазрушения макроскопических упорядоченных структур.
Механизмы образования и разрушения структур, перехода от хаоса к порядку и обратно не зависят от конкретной природы элементов или подсистем. Они присущи и миру природных и миру социальных процессов.
Ключевыми для процессов самоорганизации являются понятия положительной обратной связи, нелинейности, множественность взаимосвязанных переменных и потоки, входящие в систему извне и выходящие из неё.
5.2.1. Синергетика
Термин "синергетика" происходит от греческого "синергена" - содействие, сотрудничество. Предложенный Г. Хакеном, этот термин акцентирует внимание на согласованности взаимодействия частей при образовании структуры как единого целого.
Это пока не установившееся название еще не сложившегося окончательно научного направления, занимающегося исследованием процессов самоорганизации, поддержания и распада структур в системах самой различной природы (физических, химических, биологических и т. д.).
Синергетический стиль научного мышления включает в себя, с одной стороны, вероятностное видение мира, получившее бурное развитие в XIX веке. С другой стороны, синергетику можно рассматривать как современный этап развития кибернетики и системных исследований. Концепции и идеи теории самоорганизации нашли свое выражение в таких взаимосвязанных областях как теория диссипативных структур, теория детерминированного хаоса, теория катастроф.
При этом синергетика, не будучи жестко ориентированной совокупностью методологических принципов и понятий, скорее играет роль системной рефлексии* и исходит не из однозначного общепринятого определения понятия "система", а из присущего ей набора свойств. Среди них - нелинейность, целостность, устойчивость структуры, процессы ее становления и самоорганизации, системный "эффект сложения", приводящий к тому, что входящие в систему элементы определяются, в зависимости от целого, от координации с другими ее элементами и ведут себя совершенно иначе, чем в случае их независимости.
Бурные темпы развития новой области, переживающей период "штурма и натиска", не оставляют времени на унификацию понятий и приведение в стройную систему всей суммы накопленных фактов. Кроме того, исследования в новой области ввиду ее специфики ведутся силами и средствами многих современных наук, каждая из которых обладает свойственными ей методами и сложившейся терминологией. Параллелизм и разнобой в терминологии и системах основных понятий в значительной мере обусловлены также различием в подходе и взглядах отдельных научных школ и направлений и в акцентировании ими различных аспектов сложного и многообразного процесса самоорганизации.
Особенность синергетики как науки заключается в том, что в отличие от большинства новых наук, возникавших, как правило, на стыке двух ранее существовавших и характеризуемых проникновением метода одной науки в предмет другой, она возникает, опираясь не на граничные, а на внутренние точки различных наук, с которыми она имеет ненулевые пересечения. В изучаемых синергетикой системах, режимах и состояниях физик, биолог, химик и математик видят свой материал, и каждый из них, применяя методы своей науки, обогащает общий запас идей и методов синергетики.
Эту особенность синергетики как науки Г. Хакен охарактеризовал следующим образом:
"Между поведением различных систем, изучаемых различными науками, существуют поистине удивительные аналоги.
* Во-первых, изучаемые синергетикой системы относятся к компетенции различных наук.
* Во-вторых, другие науки привносят в синергетику свои идеи. Ученый, пытающийся проникнуть в новую область, естественно, рассматривает ее как продолжение своей собственной области науки.
Так некоторые усматривают в новой области дальнейшее развитие "термодинамики необратимых процессов", кто-то находит рассматриваемый круг явлений особенно подходящим для применения теории катастроф. Некоторые математики склонны рассматривать весь круг проблем с точки зрения структурной устойчивости. Все перечисленные разделы науки весьма важны для понимания образования макроскопических структур в процессе самоорганизации, но каждый из них упускает из виду нечто одинаково существенное.
В точках бифуркации решающее значение имеют флуктуации, то есть стохастические процессы. Неравновесные фазовые переходы обладают некоторыми особенностями, отличными от обычных фазовых переходов, например чувствительны к конечным размерам образцов, форме границ и т. п. В равновесной статистической механике не существуют самоподдерживающиеся колебания. В равновесной термодинамике широко используются такие понятия, как энтропия, производство энтропии и т. д., неадекватные при рассмотрении неравновесных фазовых переходов. Теория катастроф основана на использовании некоторых потенциальных функций, не существующих для систем, находящихся в состояниях, далеких от теплового равновесия".
5.2.2 Механизм самоорганизации
Исследования процесса самоорганизации показали, что на организованность системы, то есть на ее энтропию, влияют в основном два параметра:
* Интенсивность роста числа элементов в системе.
* Интенсивность использования элементов в процессе функционирования системы.
Рост числа элементов в системе может привести систему в неустойчивое состояние и создать предпосылки для отбора наиболее ценных для развития системы элементов. Ценность же элементов определяется в процессе их использования. Чем выше интенсивность роста числа элементов в системе, тем быстрее система стремится к неустойчивому состоянию, приближая момент скачкообразных изменений.
Но переход на новый качественный уровень структурной организации произойдет лишь тогда, когда интенсивность использования, которая играет роль организатора в системе, будет достаточно велика для того, чтобы уменьшить энтропию в системе и перевести систему в новое устойчивое состояние. Таким образом, изменяя параметры системы, а именно интенсивность роста числа элементов и интенсивность их использования, мы можем инициировать процесс самоорганизации в системе, замедлять или ускорять его. При этом мы можем перевести систему на новый, более совершенный уровень развития или разрушить ее.
Гибель системы может произойти в двух случаях:
* Во-первых, когда случайные флуктуации во внешней среде приводят к гибели отдельных элементов системы, к разрушению взаимосвязи между ними, в результате чего система уже не способна выполнять заданные функции.
* Во-вторых, когда нет использования информации о тех или иных свойствах элементов системы в процессе функционирования во внешней среде. Нет использования, а, следовательно, и накопления информации во внешней среде, в результате чего нарушается прямая связь системы с внешней средой. Нарушается работа регулирующих механизмов, что приводит к дезорганизации системы и, как следствие, к ее гибели.
Прежде чем приступить к анализу процесса развития системы, нужно определить те признаки элементов, которые являются инвариантами для исследуемой группы элементов. И уже для этих выбранных элементов-признаков рассматривать степень упорядоченности, рассматривать рост и отмирание именно этих признаков.
Модель должна связывать динамические характеристики системы (интенсивность роста и использования элементов-признаков) с функцией состояния системы, которая характеризует изменение ее упорядоченности, то есть с энтропией. Модель должна быть нелинейной, так как она должна отражать и количественные и качественные изменения в системе. В модели должен быть отражен механизм обратной связи системы со средой.
Однако способность системы обмениваться информацией с внешней средой, увеличивать или уменьшать число элементов-признаков, сохранять устойчивость еще не делает эту систему развивающейся. Порождаемая неравновесными внешними условиями неустойчивость приводит к увеличению интенсивности диссипации, вследствие чего создаются условия возникновения новой неустойчивости. Иными словами, в системе увеличивается интенсивность протекания некоторых необратимых процессов, благодаря чему и отклонение системы от равновесия становится еще большим. Это означает, что вероятность существования такого класса флуктуаций, по отношению к которым новые процессы становятся неустойчивыми, возрастает.
С другой стороны, если бы в результате возникновения неустойчивости интенсивность диссипации снижалась, то система по своим свойствам приблизилась бы к некоторой равновесной замкнутой системе, то есть к состоянию, в котором затухают любые флуктуации. Такой механизм можно изобразить следующим образом:
Интенсивность диссипации, то есть увеличение энтропии, можно связать с интенсивностью роста числа новых элементов-признаков в системе. Если флуктуации вызывают интенсивный рост новых элементов и между ними не успевают образовываться связи, организация системы нарушается, энтропия возрастает, система становится структурно неустойчивой. Существование неустойчивости можно рассматривать как результат флуктуации, которая сначала была локализована в малой части системы, а затем распространилась и привела к новому макроскопическому состоянию42.
5.2.3. Самоорганизация в диссипативных структурах
Как показали работы школы И. Пригожина, важнейшей общей чертой широкого класса процессов самоорганизации является потеря устойчивости и последующий переход к устойчивым диссипативным структурам. В точке изменения устойчивости должно возникнуть по меньшей мере два решения, соответствующих устойчивому, близкому к равновесному состоянию и диссипативной структуре.
Это структуры, образующиеся в результате рассеяния энергии. Бельгийская школа И. Пригожина развивает термодинамический подход к самоорганизации. Основное понятие синергетики Хакена (понятие структуры как состояния, возникающего в результате когерентного (согласованного) поведения большого числа частиц) бельгийская школа заменяет более специальным понятием диссипативной структуры. В открытых системах, обменивающихся с окружающей средой потоками вещества или энергии, однородное состояние равновесия может терять устойчивость и необратимо переходить в неоднородное стационарное состояние, устойчивое относительно малых возмущений. Такие стационарные состояния получили название диссипативных структур.
При самоорганизации диссипативных структур энтропия может, как возрастать, так и убывать. Противоречий со вторым началом термодинамики не возникает, так как уменьшение энтропии в диссипативных структурах за счёт компенсирующего процесса рядовое явление, не противоречащее законам природы.
Исследования школы И. Пригожина показали, что понятия структурной устойчивости и порядка через флуктуации применимы к системам различной природы, в том числе экономическим, социальным. Пределов для структурной устойчивости не существует. Неустойчивости могут возникать в любой системе, стоит лишь ввести подходящие возмущения.
В синергетике понятие диссипативной структуры отражает именно устойчивые результаты самоорганизации. Понятие структурной устойчивости, играющее важную роль в теории самоорганизации, открывает большие возможности для рассмотрения диссипативных структур как органического целого.
Дело в том, что образование таких структур не зависит ни от разброса в начальных условиях, ни (коль скоро они уже образовались) от флуктуаций значений параметров. Например, "все свойства автоволны в возбужденной среде полностью определяются лишь характеристиками самой среды", скорость, амплитуда и форма автоволны не зависят от начальных условий, система как бы "забывает" их. Математически это может выражаться возникновением так называемого предельного цикла для траектории в фазовом пространстве решений соответствующих уравнений, т. е. со временем любая начальная точка в фазовом пространстве приближается к одной и той же периодической траектории.
Это означает, что диссипативная структура способна к самовоспроизведению. Возникновение предельных циклов - не единственная форма поведения систем в "закритической" области их существования. Но в любом случае устойчивые диссипативные структуры характеризуются периодичностью своего поведения. Так, автокаталитические химические реакции, играющие важную роль в жизнедеятельности организма, имеют циклический характер. Известна, например, модель Эйгена, в основе которой лежит идея перекрестного катализа: "Нуклеотиды производят протеины, которые в свою очередь производят нуклеотиды. Возникает циклическая схема реакций, получившая название гиперцикла. Когда гиперциклы конкурируют, они обнаруживают способность, претерпевая мутацию и редупликацию, усложнять свою структуру".
Таким образом, диссипативные структуры можно рассматривать как органическое целое, воспроизводящее условия своего существования во взаимодействии со средой и способное к саморазвитию.
Возникает вопрос: достаточна ли степень устойчивой целостности, которая свойственна диссипативным структурам как органическому целому, для того, чтобы послужить основой возникновения структур более высокого уровня организации? В известном смысле - да, в качестве частей, выполняющих определенную функцию в целом.
Мы уже упоминали о том, какие функции выполняют автоволновые процессы в развитом организме; понятие диссипативной структуры успешно применяется при синергетическом описании процессов морфогенеза, т. е. конкретного становления живого организма, формирования им своих частей. Но в этом случае речь идет скорее о воспроизведении известного целого, чем о становлении принципиально новой целостности, для которой целые предшествующего уровня развития выступают лишь как элементы, из которых новая становящаяся целостность уже может формировать себе части. Но для того чтобы выступить в качестве элемента, система должна обладать особенно высоким уровнем устойчивой целостности для чего ей необходимо преобразовать в форму поступательного развития случайности, являющиеся необходимым условием функционирования диссипативных структур.
5.3. Необходимость и случайность
Характер необходимости и случайности в системах. Две формы существования необходимости. Отношение необходимого и действительного. Действительность реальная и логическая. Смысл детерминизма. Типы случайных событий. ( Необходимость хаоса. Универсальность случайного поведения. Непредсказуемость. ( Смысл информации. Роль информации в поведении систем. Условия возникновения информации.

Необходимость и случайность - две разные формы действительности. Их противопоставляют и определяют путём различения двух типов возможностей (реальных и формальных), которые соответственно превращаются в необходимую действительность и в случайную действительность. Возможности подразделяют по степени их вероятности по шкале от нуля (невозможное) до единицы (действительность).
* Формальные возможности измеряются малыми степенями вероятности, для их осуществления недостаточно необходимых условий, тем не менее, они иногда превращаются в действительность.
* Реальные возможности обладают максимальной жизнеспособностью, высокими степенями вероятности, для своей реализации они обеспечены всеми необходимыми условиями.
Итак, необходимость - это действительность, осуществившаяся из какой-нибудь одной из множества реальных возможностей. Случайность - это действительность, в которую превратилась одна из формальных возможностей43.
5.3.1. Проявление необходимости и случайности
Необходимость может быть понята, по крайней мере, двояко:
* А. Положение вещей необходимо, когда его невозможно избежать.
* В. Положение вещей необходимо, когда его невозможно заменить другим положением вещей.
Не являются ли положения А и В по своему содержанию тождественными? Чтобы ответить на поставленный вопрос, проанализируем подробнее необходимость В.
Суждение "сумма внутренних углов треугольника равна двум прямым", необходимо истинное при принятии всех нужных аксиом и определений евклидовой геометрии. Оно имеет смысл (или, как говорят математики - оно нетривиально) так как вопрос о значении внутренних углов треугольника заранее не очевиден: может быть сумма внутренних углов различна для разных треугольников, может быть она постоянна, но равна не этому, а другому числу.
Таким образом, необходимость этого суждения понимается по способу В. То есть мы заранее предполагаем различные положения дел, но оказывается, что имеет место единственное положение дел, которое невозможно заменить ни на какое другое из тех, которые мы предполагали раньше.
Точно так же, когда мы говорим, что брошенный камень необходимо упадет в вычисленном месте, нас это интересует постольку, поскольку демонстрирует возможность предсказать место падения реального камня с достаточной точностью. Это предсказываемое место падения выделяется, например, на поверхности Земли, которое, таким образом, представляет собой пространство возможностей, отрицаемых или утверждаемых в качестве необходимых.
Если мы теперь возьмем аналитическое* (и, следовательно, необходимое) суждение "радиусы круга равны между собой", то ситуация в принципе не изменится. Это суждение можно считать моментом еще не существующего определения круга, которое отнюдь не является тривиальным. Смысл этого определения состоит, в частности, в том, что оно выделяет круг как фигуру с равными радиусами среди всего множества фигур с неравными радиусами. Это множество фигур с неравными радиусами и составляет "ближайшее" поле возможностей для необходимого суждения о равенстве радиусов круга.
Необходимость в приведенных примерах предполагает отрицаемые возможности. Следовательно, во всех приведенных примерах необходимость понимается по способу В. Очевидно, что таким же образом обстоит дело с любым суждением: необходимость суждения отрицает (перечеркивает) предполагаемые возможности. То есть всякое суждение может быть необходимым только в смысле В. Будем, поэтому в дальнейшем называть необходимость в смысле В логической необходимостью.
Опосредованное возможным, отношение необходимого и действительного дополняется в естествознании Нового времени понятиями детерминированного и случайного.
Предположим, что законы механики Ньютона абсолютно точны. Положение тела (в фазовом пространстве координат и скоростей) в момент времени t0 автоматически делает известным его положение в любой другой момент времени в прошлом или будущем. Это можно подтвердить экспериментально:
* бросить камень под определенным углом к горизонту с заданной начальной скоростью и предсказать место его падения.
Обратим внимание на то, что фиксированный закон открывает поле возможностей для экспериментирования. На этом поле возможного основывается возможность предсказания, составляющая смысл детерминизма: предсказание в данном случае есть именно выбор между рядом возможных мест падения камня. Таким образом, поле возможного выступает здесь двояко.
С одной стороны имеется поле возможных начальных условий, предваряющее действительное положение вещей здесь и сейчас. Мы можем бросить камень в другом месте и с другой скоростью, и, соответственно, иным будет предсказанное место падения камня.
С другой стороны, задание начальных условий - либо в эксперименте, либо непосредственным наблюдением действительного положение вещей - согласно установленному закону с необходимостью влечет за собой определенное положение вещей в будущем. Необходимость перечеркивает все возможные состояния дел в будущем кроме единственного положения вещей, которое совпадает с действительным. Это и означает детерминированность, которая, как мы видим, оказывается способом совпадения необходимого и действительного в возможном.
Реальная действительность не совпадает с действительным вообще постольку, поскольку оно предполагает реально возможное, а не возможное вообще. Возможность (и, соответственно, действительность) может быть логической и реальной. Например, при бросании игральной кости выпадает шестерка. Это реальная возможность и реальная действительность (возможность выпадения шестерки и действительное положение дел, при котором выпала шестерка).
Под случайностью мы понимаем не просто то, для чего мы не можем указать причину или что не законосообразно, но то, что произошло так, но могло бы произойти и иначе. Случайное предполагает заданное поле возможностей так же, как и выбор, однако выбирают в поле логических возможностей, а случай выпадает в поле реальных возможностей ( в поле случайного). Логически при бросании кости возможны выпадения все тех же шести граней, поскольку мы наверняка знаем, что ничем другим бросание кости закончится не может. Однако в этом нет ничего случайного: если кость не бросать, а просто выставлять ту грань, какая нравится, с логической возможностью останется все по-прежнему. Соответственно, произвольно выставленная грань является только логически, но не реально действительной.
Смысл детерминизма состоит в отождествлении необходимости с реальной, а не логической действительностью. Чтобы отождествлять необходимость с логической действительностью не нужно никаких экспериментов. Мы отождествляем необходимость с логической действительностью, когда строим геометрическую фигуру с заданными свойствами (то есть, решаем проблему), например, равносторонний треугольник. Мы строим этот треугольник (действительное), а затем, опираясь на способ его построения, доказываем, что построенный треугольник необходимым образом является равносторонним (необходимое).
Примерно то же самое происходит при конструировании машин: конструируется действительное устройство, которое необходимо обладает нужными свойствами. Эксперимент, устанавливающий детерминированное положение вещей, означает нечто иное. Эксперимент не просто с необходимостью делает действительным некоторое возможное положение вещей, но с необходимостью производит некоторое случайное положение вещей, производит некоторый случай. Точнее говоря, эксперимент воспроизводит случай, поскольку эксперимент, который не удается повторить, считается негодной попыткой, а не экспериментом.
Иначе говоря, для события детерминированного недостаточно как для события логически необходимого быть единственной и одновременно произвольно выбранной возможностью, то есть недостаточно быть необходимой логической действительностью. Детерминированное должно быть необходимой реальной действительностью, а это значит, что оно должно быть единственным случаем. Перечеркивание всех возможностей кроме единственной необходимой и отождествление ее с действительностью составляет только логическую сторону детерминации, то есть описание детерминации; реальная детерминация состоит в том, что перечеркиваются все случайные исходы эксперимента или наблюдения кроме единственного детерминированного случая. Но это означает, что реально детерминированное предполагает не поле логически возможного, но поле случайного (реально возможного).
Логическая необходимость требует того, чтобы необходимое было произвольно выбрано. Детерминированность требует того, чтобы необходимое случилось, то есть случайно произошло. Если логическая необходимость, таким образом, связана с человеческой способностью разумного выбора, то детерминированность связана со спонтанностью человека и мира.
Случайность может быть понята, по крайней мере, двояко:
1. Первый тип случайности возникает тогда, когда частиц, степеней свободы, событий или предметов так много, что во всем этом совершенно невозможно разобраться. Например, газ в литровой банке содержит примерно 1022 молекул, и ни одной ЭВМ не под силу рассчитать траектории такого числа сталкивающихся друг с другом частиц. Но даже если бы с помощью какого-нибудь фантастического суперкомпьютера и удалось бы проинтегрировать все "зацепляющиеся" уравнения движения в общем виде, то совершенно невозможно было бы подставить в решение уравнений конкретные начальные условия - координаты и скорости всех 1022 молекул в некоторый выбранный нами момент, хотя бы из-за необходимых для этого времени и бумаги. Именно поэтому для описания "больших" - макроскопических - систем физики используют усредненные статистические или термодинамические характеристики, такие, как температура, давление, свободная энергия, и некоторые другие.
2. Другой тип случайности сегодня ассоциируется с именем выдающегося французского математика Анри Пуанкаре, который, по-видимому, был первым, кто предвосхитил современный взгляд на хаос, обратив внимание на чрезвычайную "чуткость" неустойчивых динамических систем - сколь угодно малые неопределенности в их состоянии усиливаются со временем, и предсказания будущего становятся невозможными.
Статистические системы преимущественно основаны на классической схеме теории вероятностей, и чтобы найти интересующие нас вероятности, нужно проделать простые комбинаторные вычисления. Скажем, вероятность падения симметричной монеты какой-то одной стороной кверху равно 1/2 (просто из соображений симметрии). Вероятность рождения мальчика, как показывает опыт, несколько больше 1/2 и по каким-то загадочным причинам способна претерпевать внезапные скачки, сопряженные с глобальными изменениями условий жизни, например, после войн и эпидемий. А вообще пол человека - лишь один из многих генетических признаков, распределение вероятностей которых изучает математическая генетика.
Вероятность угадать сколько-нибудь видов спорта при игре в "Спортлото" дается так называемым гипергеометрическим распределением (по существу, отношением чисел сочетаний разных номеров на карточке). Например, вероятность угадать все шесть видов спорта равна 7,15·10-8. Математический аппарат молекулярной физики несколько сложнее, он основан на изучении так называемых кинетических уравнений. Интересно, что в 60-х годах кинетическая теория была с успехом применена к описанию коллективного движения автомобилей на автострадах, и сделал эту попытку бельгийский ученый И. Пригожин.
5.3.2. Необходимость хаоса
Хаос открывает нам в природе целый мир новых форм и картин. Выясняется, что разупорядоченность в определённом диапазоне отлично совмещается с упорядоченностью в другом диапазоне. Изучение хаоса показывает также, что случайность не является следствием несовершенства эксперимента или сложности внешней среды, которой мы не можем управлять, - она лежит в самой основе динамики детерминистических систем с несколькими переменными. Помимо прочего сосуществование случайности и упорядоченности приводит к понятию информации.
В хаосе есть порядок: в основе случайности лежит некая геометрическая структура (паттерн). Хаос налагает принципиальные ограничения на возможность прогнозирования, но в то же время предполагает причинные связи там, где раньше их никто не подозревал. Сила науки заключена в её способности устанавливать связь между причиной и следствием. Например, законы гравитации позволяют предсказывать затмения на тысячи лет вперед. Другие явления природы не поддаются столь точному предсказанию. Течения в атмосфере так же строго подчиняются физическим законам, как и движения планет, тем не менее, прогнозы погоды все еще имеют вероятностный характер.
И погода, и течение горной реки, и движение брошенной игральной кости имеют в своем поведении непредсказуемые аспекты. Так как в этих явлениях не видно четкой связи между причиной и следствием, говорят, что в них присутствует элемент случайности. Однако до недавнего времени было мало оснований сомневаться в том, что в принципе можно достичь точной предсказуемости. Считалось, что для этого необходимо только собрать и обработать достаточное количество информации.
Такую точку зрения круто изменило поразительное открытие: простые детерминированные системы с малым числом компонент могут порождать случайное поведение, причем эта случайность имеет принципиальный характер - от нее нельзя избавиться, собирая больше информации. Порождаемую таким способом случайность стали называть хаосом.
Кажущийся парадокс состоит в том, что хаос детерминирован - порожден определенными правилами, которые сами по себе не включают никаких элементов случайности. В принципе будущее полностью определено прошлым, однако, на практике малые неопределенности растут и поэтому поведение, допускающее краткосрочный прогноз, на долгий срок непредсказуемо. Таким образом, в хаосе есть порядок: в основе хаотического поведения лежат изящные геометрические структуры, которые создают случайность таким же способом, как создает ее сдающий карты, тасуя колоду, или миксер, размешивая тесто для бисквита.
Открытие хаоса породило новый образец научного моделирования. С одной стороны, оно ввело новые принципиальные ограничения на возможность предсказаний. С другой стороны, заложенный в хаосе детерминизм показал, что многие случайные явления более предсказуемы, чем считалось раньше. Собранная в прошлом информация, казавшаяся случайной и отправленная на полку как слишком сложная, теперь получила объяснение при помощи простых законов. Хаос позволяет находить порядок в столь различных системах, как атмосфера, подтекающий водопроводный кран или сердце. Это революционное открытие затронуло многие области науки.
Каковы же источники случайного поведения? Классическим примером служит броуновское движение. Рассматриваемая в микроскоп пылинка совершает свой безостановочный и беспорядочный танец под действием теплового движения окружающих ее молекул воды. Поскольку молекулы воды невидимы, а число их огромно, точное движение пылинки совершенно непредсказуемо. Таким образом, паутина причинных воздействий одних частей системы на другие может стать настолько запутанной, что окончательная картина поведения будет случайной.
Наука XX в. покончила с лапласовым детерминизмом. Первый удар ему нанесла квантовая механика. Одно из главных положений этой теории - открытый Гейзенбергом принцип неопределенности, который утверждает, что одновременно положение и скорость частицы не могут быть точно измерены. Принцип неопределенности хорошо объясняет, почему некоторые случайные явления, такие, как радиоактивный распад, не подчиняются лапласову детерминизму. Ядро настолько мало, что вступает в силу принцип неопределенности, и точно знать происходящие в ядре процессы принципиально невозможно, а потому, сколько бы ни было собрано о нем информации, нельзя точно предсказать, когда оно распадется.
Однако источник непредсказуемости для крупномасштабных систем требует другого объяснения. Одни крупномасштабные явления предсказуемы, другие - нет, и квантовая механика тут ни при чем. Например, траектория бейсбольного мяча в принципе предсказуема, и каждый игрок интуитивно пользуется этим всякий раз, когда ловит мяч. Напротив, траектория воздушного шара, когда из него вырывается воздух, непредсказуема: он кренится и беспорядочно вертится в какие-то моменты и в каких-то местах, которые нельзя предвидеть. Но ведь этот воздушный шар подчиняется тем же законам Ньютона, что и бейсбольный мяч; почему же прогнозировать его поведение труднее?
Хороший пример динамической системы - простой маятник. Его движение задается всего двумя переменными: положением и скоростью. Таким образом, его состояние - это точка на плоскости, координаты которой - положение маятника и его скорость.
Эволюция состояния описывается правилом, которое выводится из законов Ньютона и выражается математически в виде дифференциального уравнения. Когда маятник качается взад-вперед, его состояние - точка на плоскости - движется по некоторой траектории ("орбите"). В идеальном случае маятника без трения орбита представляет собой петлю; при наличии трения орбита закручивается по спирали к некоторой точке, соответствующей остановке маятника.
Динамическая система может развиваться либо в непрерывном времени, либо в дискретном времени. Первая называется потоком, вторая - отображением (иногда каскадом). Маятник непрерывно движется от одного положения к другому и, следовательно, описывается динамической системой с непрерывным временем, то есть потоком. Число насекомых, рождающихся каждый год в определенном ареале, или промежуток времени между каплями из подтекающего водопроводного крана более естественно описывать системой с дискретным временем, то есть отображением.
Чтобы узнать, как развивается система из заданного начального состояния, нужно совершить бесконечно малое продвижение по орбите, а для этого можно воспользоваться динамикой (уравнениями движения). При таком методе объем вычислительной работы пропорционален времени, в течение которого мы хотим двигаться по орбите. Для простых систем типа маятника без трения может оказаться, что уравнения движения допускают решение в замкнутой форме, то есть, существует формула, выражающая любое будущее состояние через начальное состояние. Такое решение дает "путь напрямик", то есть более простой алгоритм, в котором для предсказания будущего используется только начальное состояние и окончательное время и который не требует прохода через все промежуточные состояния. В таком случае объем работы, затрачиваемой на прослеживание движения системы, почти не зависит от конечного значения времени. Так, если заданы уравнения движения планет и Луны, а также положения и скорости Земли и Луны, то можно, например, на много лет вперед предсказать затмения.
Благодаря успешному нахождению решений в замкнутой форме для многих разнообразных простых систем на ранних стадиях развития физики появилась надежда, что для всякой механической системы существует такое решение. Теперь известно, что это, вообще говоря, не так. Непредсказуемое поведение хаотических динамических систем нельзя описать решением в замкнутой форме. Значит, при установлении их поведения у нас нет никакого "пути напрямик".
В процессе последовательных переходов*, обусловленных последовательными флуктуациями, сохраняется память лишь о последнем переходе. В физико-химических системах ввиду короткого действия межмолекулярных связей число переходов в единицу времени в системе определённого размера, пропорционально этому размеру, то есть каждый малый элемент может чувствовать лишь своих соседей. Напротив, например, в социальных системах благодаря деятельности масс - медиа каждый элемент может ощущать все остальные.
В современном естествознании существует уже довольно много красивых примеров перехода к непредсказуемому поведению - хаосу. Многие сценарии возникновения хаоса изучаются уже не только физиками и математиками, но и химиками, биологами, экологами. Например, непредсказуемые колебания численности рыб или насекомых, скажем, комаров, могут быть следствием хаотического поведения соответствующих динамических эволюционирующих систем. Не менее интересны и обратные переходы - от хаоса к порядку. Самый типичный пример такого перехода - лазер: начиная с некоторого "порога" возбуждения, он генерирует упорядоченное - когерентное - световое поле.
Другие яркие примеры возникновения порядка (помимо уже упоминавшихся ячеек Бенара) - это химические колебания и биологический морфогенез. Морфогенез, то есть образование пространственно-временной структуры в совершенно однородной среде, - одна из самых удивительных загадок, которые ставит перед физиками и математиками биологическая материя. Как возникают правильные узоры на крыльях бабочек или регулярные полосы на тигриной шкуре? Может быть, теория образования порядка из хаоса скоро поможет нам ответить на эти "детские" вопросы.
Картина упорядоченности в системе - это "компромисс" между двумя антагонистическими факторами - нелинейным процессом типа химического, непрерывно и несогласованно посылающего инновационные сигналы в виде флуктуаций и процессом типа транспортного, который улавливает, передаёт и стабилизирует эти сигналы. Нарушение равновесия между ними приводит к таким состояниям как хаотическое (каждый элемент системы действует сам по себе) или гомеостатическое (флуктуации подавлены - полная однородность).
Отклонение от равновероятного распределения есть средство отбора выделенных последовательностей из ограниченного количества всевозможных случайных последовательностей. Такое отклонение возможно только при взаимодействии с внешней средой. Такие условия могут привести к неравновесным состояниям, которые за счёт обмена веществом и энергией могут существовать неопределенно долго.
5.3.3. Смысл информации
Ценность информации оказывается тем большей, чем меньше разнообразных способов выполнить заданную функцию. Если сравниваются системы, выполняющие различные функции, то ценностный критерий уже оказывается малопригодным, здесь по-прежнему можно использовать количественный информационный критерий. Количественный и прагматический информационные критерии необходимо применять не порознь, а совместно, только в этом случае можно достигнуть наиболее адекватного определения степени организации, как в функциональном, так и во многих других отношениях.
Для появления согласованных направленных процессов в системе необходимо использование информации в процессе функционирования системы. Если использования нет, то новые признаки у элементов появляются независимо от того, какие признаки есть у других элементов. Если нет использования информации, то нет ее накопления во внешней среде, а, следовательно, нет передачи накопленной информации из внешней среды в систему. Организация в системе связана с локализацией элементов, обладающих определенными признаками, с концентрацией этих элементов, то есть образованием диссипативной структуры. Локализованные диссипативные структуры имеют способность накапливать информацию за счет своего рода "примитивной памяти".
Такая локализация происходит благодаря самоинструктирующему процессу использования информации. В процессе использования информации происходит отбор тех элементов-признаков, которые дают преимущества в ходе развития.
Использование информации не является ее атрибутом, а лишь свойством, проявляющимся в определенных условиях. Во всех случаях, когда проводится сравнение и отбор информации, это происходит на основе их оценки по качеству. На линиях обратной связи всегда идет сопоставление реального результата некоторого действия с тем, который закодирован в программе. Это всегда означает, прежде всего, оценку по качеству информации. Если информация из внешней среды даёт указания на существование пищевых материалов, то, прежде всего, происходит их апробирование - сопоставление с требуемым материалом по его качеству.
Если биоценоз получает информацию о новом варианте организмов (через их деятельность), то всегда идет сопоставление нового варианта с прежней нормой. В борьбе за существование отбор нового варианта происходит не на основе количества, а только по качественным показателям (в сравнении с нормой). Самоинструктирующий характер процесса отбора приводит к тому, что уменьшается диссипация, так как уменьшается разнообразие элементов-признаков. А это, в свою очередь, уменьшает устойчивость системы. Система не просто удаляется от равновесного состояния, а удаляется с возрастающей скоростью, так как в отборе побеждают более совершенные структуры, возникающие раньше других.
Существование информации сопряжено с двумя фундаментальными условиями:
1. Резкое нарушение пространственной симметрии, непрерывно отсеивающее другие возможности понимания.
2. Элемент непредсказуемости, связанный с раскрытием содержания данного объекта или сообщением, заранее неизвестным наблюдателю.
5.4. Сложность44

стр. 1
(всего 3)

СОДЕРЖАНИЕ

>>