Алексей Кусков.

Шпаргалка по концепциям современного естествознания

(страница 3 из 13)

скачать книгу бесплатно

   Ситуация изменилась в XII в., когда в христианской культуре стало использоваться наследие Аристотеля. Развести теологию и науку позволила концепция «двойственной истины», т. е. признание наряду с верой, основанной на откровении, и права на существование «естественного разума».
   Развитие астрономии, математики, физики требовало точных измерений – именно в лоне данных наук появляется экспериментирование. Рационализировалось и теологическое знание, пытавшееся в отличие от раннесредневековых представлений о Боге как непознаваемом феномене логически доказать существование Бога, понять совершенную красоту его творений.
   В развитии рациональности большое значение имели университеты, прививавшие логико-дискурсивное мышление и искусство аргументации. Без этого было бы невозможно дальнейшее развитие интеллектуальных средств научного познания.
   Идеи всестороннего обоснования знания развивали Ф. Бэкон и У. Оккам.
   Ф. Бэкон выступил с идеей математического естествознания, считая, что изучать и проверять все науки следует с помощью математики. В представлении Ф. Бэкона математика – «врата и ключ всех наук» – объединяет в себе комплекс теоретических и практических дисциплин.
   У. Оккам выдвинул идею радикального эмпиризма. Он впервые сформулировал принцип простоты научного знания, вошедший в методологию науки под названием «бритвы Оккама», острие которой было направлено против схоластики и расчищало поле деятельности для естествоиспытателей.
   Постепенно изменялось соотношение веры и разума, в эпоху Возрождения разум был поставлен выше откровения.
   Период Возрождения охватывал два с половиной столетия (ХIV-ХVI вв.). В Европе в этот период складывались новые организационные и материальные возможности для научного развития, разработки новых принципов познания действительности. Началась кардинальная ломка канонов схоластического, догматического мышления.
   Новые тенденции научной мысли нашли яркое выражение в творчестве величайших мыслителей – Н. Кузанского, Леонардо да Винчи, Н. Коперника, Д. Бруно.
   Но научная мысль Возрождения не смогла до конца освободиться от теологических элементов.


   На смену Средневековью пришло Новое время, которое датируется ХVII-ХVIII вв.
   В социальной области в этот период происходили ранние буржуазные революции, положившие начало формированию капиталистического способа производства, который обусловил потребность в новой науке, развитии опытного знания как главного средства решения практически важных для производства того времени технологических задач.
   Революционную роль в развитии опытного естествознания сыграла созданная польским астрономом Н.
Коперником гелиоцентрическая модель мира. Учение Н. Коперника привело к радикальному пересмотру представлений о мире. Гелиоцентризм (от греч. gelios – «солнце») давал совершенно иную схему движения небесных тел. Горячим сторонником этого учения стал И. Кеплер, который впервые заинтересовался идеей числовых соотношений между планетами.
   Но основы нового типа мировоззрения, новой науки были заложены Г. Гал1илеем. Большое значение он придавал математике, считал, что только она способна научить человека искусству доказательства. Г. Галилей в науке преуспел во многом: действенно поддержал коперниковскую теорию, постулировал полную подчиненность природы законам математики, ввел идею о силе как действующем механическом факторе, изложил основы современной механики и экспериментальной физики, обосновал принципы современного научного метода. Поэтому не случайно именно эта фигура отмечает рождение научного естествознания.
   Обоснование механического понимания природы философскими аргументами осуществил Р. Декарт.
   Завершил разработку механистической картины мира И. Ньютон. Опираясь на работы И. Кеплера, Г. Галилея, Р. Декарта, он сформулировал основные законы классической механики, открыл закон всемирного тяготения, принципы дифференциального исчисления, выдвинул основные положения теории света.
   Этап формирования классической науки характеризуется целым рядом специфических особенностей.
   1. Стремление к завершенной системе знаний, фиксирующей истину в окончательном виде. Это связано с ориентацией на классическую механику, представлявшую мир в виде гигантского механизма, четко функционирующего на основе вечных и неизменных законов механики. Поэтому механика рассматривалась как универсальный метод познания окружающих явлений и как эталон всякой науки вообще.
   2. Рассмотрение природы как неизменного целого. Данный методологический подход породил такие специфические для классической науки установки, как статизм, антиэволюционизм. Истолкование явлений реальности было в полной мере метафизическим, лишенным представлений об их изменчивости, развитии.
   3. Сведение Жизни и вечно живого на положение ничтожной подробности Космоса, отказ от признания их качественной специфики. Организм понимался как механизм. Бренность и ничтожность жизни как случайность в Космосе, казалось, все более подтверждались успехами точного знания.
   4. Наука вытеснила религию в качестве интеллектуального авторитета. Человеческий разум и практическое преобразование природы вытеснили теологическую доктрину. Вера и разум были разведены в разные стороны. Религия и философия были вынуждены сообразовывать свои позиции с наукой.


   Эпоху конца ХIХ-начала ХХ в. открывает глобальная научная революция, связанная со становлением новой неклассической науки.
   В эту эпоху происходит своеобразная цепная реакция перемен в различных отраслях знания. Толчком к данным переменам был целый ряд ошеломляющих открытий в физике, разрушивших всю прежнюю картину мира. Сюда относятся открытие делимости атома, электромагнитных волн, радиоактивности, светового давления, введение идеи кванта, создание теории относительности, описание процесса радиоактивного распада. Под воздействием данных открытий разрушались прежние представления о материи и ее строении, свойствах, формах движения и типах закономерностей, о пространстве и времени. Это привело к кризису физики и всего естествознания, являвшегося симптомом более глубокого кризиса метафизических оснований классической науки.
   Второй этап революции начался в середине 20-х гг. ХХ в. и был связан с созданием квантовой механики и сочетанием ее с теорией относительности в новой квантово-релятивистской физической картине мира.
   Началом третьего этапа революции было овладение атомной энергией и последующие исследования, с которыми связано зарождение электронно-вычислительных машин и кибернетики. Также в этот период наряду с физикой стали лидировать химия, биология и цикл наук о Земле. Следует также отметить, что с середины ХХ в. наука окончательно слилась с техникой, приведя к современной научно-технической революции.
   В процессе всех этих революционных преобразований формировались идеалы и нормы новой неклассической науки.
   Они характеризовались отказом от прямолинейности рассуждений, пониманием относительной истинности теорий и картины природы. Осмысливались взаимодействия между основополагающими постулатами науки и характеристиками метода, посредством которого осваивается объект.
   Изменяются идеалы и обоснования знания. Вводится при изложении теорий новая система понятий. Новые познавательные идеалы и нормы обеспечивали расширение поля исследуемых объектов, открывая пути к освоению сложных самоорганизующихся систем.
   В новой картине мира природа и общество представлялись сложными динамическими системами. Этому способствовало открытие специфики законов микро-, макро– и мегамиров, интенсивное исследование механизмов наследственности с изучением уровней организации жизни, обнаружение кибернетикой общих законов управления и обратной связи. Сформировалось новое отношение к феномену жизни. Жизнь перестала казаться случайным явлением во Вселенной, а стала рассматриваться как закономерный результат саморазвития материи, также закономерно приведший к возникновению разума.
   Картины реальности, вырабатываемые в отдельных науках, на этом этапе еще сохраняли свою самостоятельность, но каждая из них участвовала в формировании представлений, включаемых в общенаучную картину мира.
   Радикально видоизменялись философские основания науки.
   Развитие новых представлений в физике, биологии, кибернетике видоизменяло смыслы категорий части и целого, причинности, случайности и необходимости, объекта, процесса, состояния и т. д.


   Использование научных открытий для создания новых видов оружия и особенно создание атомной бомбы заставило человечество пересмотреть свою прежнюю безоговорочную веру в науку. Современная наука стала оцениваться критически. Многие деятели культуры считали, что техника дегуманизи-рует человека, окружая его искусственными предметами; она отнимает его у живой природы, ввергая в унифицированный мир, где цель поглощают средства, где промышленное производство превращает человека в придаток машины, где решение всех проблем видится в дальнейших технических достижениях. Под воздействием нескончаемых технических новшеств современная жизнь меняется с неслыханной быстротой.
   К этой гуманистической критике вскоре присоединились более тревожные факты неблагоприятных научных достижений. Опасное загрязнение воды, воздуха, почвы планеты, вредоносное воздействие на жизнь животных и растений, нарушения в экосистеме всей планеты – эти серьезные проблемы заявляли о себе все настойчивей.
   Эти факты, которые отчетливо проявляются в современной науке, говорят о ее кризисе, разрешить который сможет только новая глобальная мировоззренческая революция.
   К концу ХХ в. мир потерял веру в науку, она безвозвратно утратила свой прежний облик, оставила и свои прежние заявления об абсолютной непогрешимости своего знания. Поиск путей выхода из глобального кризиса еще только идет, черты будущего постмодернистского мировоззрения, как и новой постнеклассической науки, еще только намечаются.
   Нынешнее состояние науки характеризуется понятием «постмодерн».
   По мнению большинства ученых, будущая наука будет обладать следующими чертами.
   1. Наука должна будет осознать свое место в общей системе человеческой культуры и мировоззрения. Постмодернизм принципиально отвергает выделение какой-то одной сферы человеческой деятельности или одной черты в мировоззрении в качестве ведущей. Все, что создано человеком, является частью его культуры, важно и нужно для человека, выполняет свои собственные задачи, но имеет и свои границы применимости, которые нужно осознавать и не переходить. Именно это должна сделать постнеоклассическая наука – осознать пределы своей эффективности и плодотворности, признать равноправие таких сфер человеческой деятельности и культуры, как религия, философия, искус-ство, осознать возможность и результативность нерациональных способов освоения действительности.
   2. Модернистская наука ставила своей целью создание нового образа мира, полученного на основе концептуального единства, порядка, систематичности, непротиворечивости, тотальности, незыблемости. Постмодернистская наука больше интересуется образом самой себя как социокультурной реальности, допускает элементы субъективности в объективном знании. Полученный образ ориентирован на непрерывное обновление, открыт инновациям.
   3. В постмодернизме наблюдатель считает себя частью исследуемого мира, познание постнеоклассической науки диалогично.
   4. В основе постмодерна лежит идея всеединой, нелинейной, самоорганизующейся, саморегулирующейся системы.
   5. Важной чертой новой науки должна будет стать комплексность.


   Взаимодействие в физике – это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения. Именно взаимодействие – основная причина движения материи, поэтому взаимодействие, как и движение, универсально, т. е. присуще всем материальным объектам. В механике Ньютона взаимное действие тел друг на друга характеризуется силой.
   Первоначально в физике утвердилось представление о том, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое не принимает никакого участия в передаче взаимодействия; при этом передача взаимодействия происходит мгновенно. Так, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. В этом состояла так называемая концепция дальнодействия, составляющая основу классической физики до конца XIX в.
   Однако данные представления были оставлены как не соответствующие действительности после открытия и исследования электромагнитного поля. Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел не осуществляется мгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а спустя некоторое конечное время. В разделяющем частицы пространстве происходит некоторый процесс, который распространяется с конечной скоростью. Соответственно, имеется «посредник», осуществляющий взаимодействие между заряженными частицами. Этот посредник был назван электромагнитным полем. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие частицы. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в вакууме c3 X 10 " см/с. Возникла новая концепция – близ-кодействия, которая позже была распространена и на любые другие взаимодействия. Согласно этой концепции взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей, непрерывно распределенных в пространстве. Эта по существу полевая концепция в квантовой теории поля дополняется утверждением: при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами.
   После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно квантовой теории поля любое поле представляет собой совокупность частиц – квантов этого поля. Каждому полю соответствуют свои частицы. Например, квантами электромагнитного поля являются фотоны. Они обладают нулевой массой. Во многих случаях они регистрируются приборами в виде электромагнитной волны разной длины. Например, воспринимаемый невооруженным глазом видимый свет представляет собой электромагнитную волну в довольно узком диапазоне длин волн, соответствующем максимуму солнечного излучения. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена между частицами квантами соответствующих полей: переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой; сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц; переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные, или векторные, бозоны.


   Под энергией связи понимают энергию связанной системы каких-либо частиц, равную работе, которую необходимо затратить, чтобы разделить эту систему на составляющие ее частицы и удалить их друг от друга на такое расстояние, на котором их взаимодействием можно пренебречь. Энергия связи определяется взаимодействием частиц и является отрицательной величиной, так как при образовании связанной системы энергия выделяется. Абсолютная величина энергии связи характеризует прочность связи и устойчивость системы. Например, для атомного ядра энергия связи определяется сильным взаимодействием нуклонов в ядре. Для наиболее устойчивых ядер она составляет 8 X 10 эВ/нуклон (удельная энергия связи – энергия связи, приходящаяся на один нуклон). Эта энергия может выделиться при слиянии легких ядер в более тяжелое ядро (термоядерная реакция), а также при спонтанном делении тяжелых ядер. Термоядерные реакции происходят при очень высоких температурах. Такие температуры необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноименно заряженных частиц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил. Поэтому термоядерные реакции в природных условиях протекают лишь в недрах звезд. Так как термоядерные реакции представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых, то они сопровождаются выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению суммарной энергии связи. На использовании этой выделившейся энергии основана ядерная энергетика.
   Энергия связи, электронов в атоме или молекуле определяется электромагнитным взаимодействием. Для атома водорода в основном состоянии она равна 13,6 эВ. Этим же взаимодействием обусловлена энергия связи атомов в молекуле и кристалле. Например, ковалентное межатомное взаимодействие возникает в результате обобществления валентных электронов парой соседних атомов, при этом происходит понижение энергии.
   Энергия связи, обусловленная гравитационным взаимодействием, обычно мала и имеет значение лишь для некоторых космических объектов, например для черных дыр. Они возникают в результате сжатия тела гравитационными силами до размеров, меньших его гравитационного радиуса: r -------
| bookZ.ru collection
|-------
|  
 -------


= 2GM /c -------
| bookZ.ru collection
|-------
|  
 -------


где М– масса тела, G-гравитационная постоянная, с – численное значение скорости света).
   Черной дырой может стать звезда. У вращающейся черной дыры вне горизонта (области, за которую не выходит свет) существует особая область – эрго-сфера. Вещество, попавшее в эргосферу, неизбежно начинает вращаться вокруг черной дыры. Наличие эргосферы может привести к потере черной дырой энергии вращения. Это возможно в случае, когда некоторое тело, влетев в эргосферу, распадается на две части, причем одна из них продолжает падение на черную дыру, а другая вылетает из эргосферы по направлению вращения. Энергия вылетающей части может при определенных условиях превышать первоначальную энергию всего тела.
   Таким образом, понятие энергии связи ядра играет особо важную роль в ядерной физике. Энергия связи позволяет объяснить устойчивость ядер, а также выяснить, какие процессы ведут к выделению ядерной энергии.


   Одно из определений физики как науки таково: физика является учением о различных типах взаимодействий. Взаимодействие является основной причиной движения материи. Оно присуще всем материальным объектам, т. е. можно сделать вывод, что взаимодействие универсально, как и движение.
   Основными характеристиками движения являются энергия и импульс, и именно энергией и импульсом обмениваются объекты при взаимодействии. В классической механике взаимодействие определяется силой, с которой один материальный объект действует на другой. В более общем случае взаимодействие характеризуется потенциальной энергией.
   О том, как осуществляется взаимодействие между объектами, существует две концепции: близ-кодействия и дальнодействия. Первая теория говорит о том, что взаимодействие материальных объектов передается через пустое пространство мгновенно. Эта теория служила основой классической физики и существовала до конца XIX в. В настоящее время экспериментально подтверждена концепция дальнодействия: взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме.
   Взаимодействия материальных объектов и систем, наблюдаемые нами в окружающем мире, весьма разнообразны. Но в общем случае их можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному. Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяется ядерными силами. Слабое взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы.
   Для количественной характеристики фундаментальных взаимодействий обычно используют безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия и радиус действия. Для гравитационного взаимодействия эта константа равна 6 × 10 -------
| bookZ.ru collection
|-------
|  
 -------


, а радиус его действия бесконечен. Для электромагнитного взаимодействия значение константы составляет 1/137, а радиус его действия также неограничен. Константа сильного взаимодействия равна 1, оно проявляется в пределах размеров ядра. Для слабого взаимодействия постоянная равна 10 -------
| bookZ.ru collection
|-------
|  
 -------


, а радиус взаимодействия – порядка 10 -------
| bookZ.ru collection
|-------
|  
 -------


.
   Фундаментальные взаимодействия характеризуются соответствующими константами, которые в зависимости от систем координат могут иметь различные значения. Обычно используются следующие значения этих констант. Гравитационное взаимодействие характеризуется постоянной Кавендиша G -------
| bookZ.ru collection
|-------
|  
 -------


= 6,7 × 10 -------
| bookZ.ru collection
|-------
|  
 -------


н × м -------
| bookZ.ru collection
|-------
|  
 -------


/кг -------
| bookZ.ru collection
|-------
|  
 -------


. Слабое взаимодействие – универсальной постоянной G -------
| bookZ.ru collection
|-------
|  
 -------


= 1,4 × 10 -------
| bookZ.ru collection
|-------
|  
 -------


Дж × м -------
| bookZ.ru collection
|-------
|  
 -------


. Электромагнитное и сильное взаимодействия обычно характеризуются безразмерными постоянными. Первое – g -------
| bookZ.ru collection
|-------
|  
 -------


=1/137 – так называемая «постоянная тонкой структуры»; второе – g5= 8 × 10 -------
| bookZ.ru collection
|-------
|  
 -------


.
   Создание единой теории фундаментальных взаимодействий – одна из важнейших задач современного естествознания. Предполагается, что при относительно больших энергиях взаимодействия частиц все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются единой силой.


   Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий:
   – гравитационному;
   – электромагнитному;
   – сильному;
   – слабому.


скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Поделиться ссылкой на выделенное