Раздел I

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

Глава 1

РАЗВИТИЕ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫХ КАРТИН МИРА

И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ПРОГРАММ

Общее понятие естественно-научной картины мира

Представления о свойствах и особенностях окружающей нас природы возникают на основе тех знаний, которые в каждый исторический период дает нам наука, изучающая различные процессы и явления природы. Поскольку природа представляет собой нечто единое и целое, постольку и знания о ней должны иметь целостный характер, т.е. представлять собой определенную систему. Чтобы подчеркнуть фундаментальный характер основных и важнейших знаний о природе, ученые ввели понятие естественно-научной картины мира, под которой понимают систему важнейших принципов и законов, лежащих в основе окружающей нас среды. Сам термин «картина мира» указывает на то, что речь идет не о части или фрагменте знания, а о целостной системе. Как правило, в формировании такой картины наиболее важное значение приобретают концепции и теории, наиболее развитых в определенный исторический период отраслей естествознания. Лидирующие науки накладывают свою печать на представления и научное мировоззрение ученых соответствующей эпохи. Научная картина мира служит промежуточным звеном между философией и теорией конкретной науки (например, физики, если речь идет о физической картине мира). Научная картина мира, с одной стороны, основывается на идеях и представлениях философии; с другой, – опирается на эмпирический базис соответствующей науки. Из взаимодействия этих источников и рождаются новые теоретические принципы и категории конкретной науки. Таким образом, научная (или натурфилософская) картина мира – это образно-философское обобщение достижений естественных наук.

Историческая смена научных картин мира

Первыми естественно-научными картинами мира были физические. В XVI-XVII вв. утвердилась механистическая картина мира, поскольку изучение природы началось с анализа простейшей формы движения материи – механического перемещения тел. Она распространила на все явления мира законы механики Галилея – Ньютона, которые принимались за основу всех других законов природы. В XIX в. физики дополнили механистическую картину мира электромагнитной, созданной на основе теории электромагнитного поля М. Фарадея (1791-1876) и Дж.К. Максвелла (1831-1879). Если до Дж.К. Максвелла физическая реальность мыслилась в виде материальных точек, то после него она предстала в виде непрерывных полей, не поддающихся механистическому объяснению. Наступила эра принципиально новой физической картины мира, трансформировавшейся в XX в. в квантовомеханическую.

Во второй половине XX в. на роль лидера научного познания наряду с физикой стала претендовать биология, к которой относятся такие направления, как эволюционное учение, генетика и экология, ставшая наукой о биосфере в целом. Биологическая картина мира (к которой принадлежит и человек) взаимосвязана с системными исследованиями, кибернетикой и теорией информации.

В последние годы на первый план все больше выходит междисциплинарное направление исследований, именуемое синергетикой, порожденное переходом науки к познанию сложно организованных эволюционирующих систем. Синергетика ставит целью познание общих принципов самоорганизации систем разной природы – от физических до социальных, которые обладают такими свойствами, как открытость, нелинейность, неравномерность, способность усиливать случайные флуктуации. Предмет синергетики – это прямые и обратные переходы систем от стабильности к нестабильности, от хаоса к порядку, от разрушения к созиданию. Возникло понятие универсального эволюционизма, основной принцип которого – «все существует в развитии», он является основой эволюционной картины мира.

Признаки современной естественно-научной картины мира

Современную естественно-научную картину мира характеризуют 4 главных признака: системность, глобальный эволюционизм, самоорганизация, историчность.

Системность означает воспроизведение наукой того факта, что наблюдаемая Вселенная предстает как наиболее крупная из всех известных нам систем, состоящая из огромного множества подсистем разного уровня сложности и упорядоченности. Системный способ объединения элементов выражает их принципиальное единство: благодаря иерархичному включению систем разных уровней друг в друга любой элемент любой системы оказывается связан со всеми элементами всех возможных систем. Именно такой принципиальный единый характер демонстрирует нам окружающий мир, таким же образом формируется научная картина мира.

Глобальный эволюционизм – это признание невозможности существования Вселенной и всех порождаемых ею менее масштабных систем вне развития, эволюции. Эволюционирующий характер Вселенной также свидетельствует о принципиальном единстве мира, каждая составляющая часть которого есть историческое следствие глобального эволюционного процесса, начатого Большим взрывом.

Самоорганизация – это наблюдаемая способность материи к созданию все более упорядоченных структур в ходе эволюции. Механизм перехода материальных систем в более сложное и упорядоченное состояние сходен для систем всех уровней.

Историчность – принципиальная незавершенность настоящей, да и любой другой научной картины мира. Та, которая есть сейчас, порождена как предшествующей историей, так и специфическими социокультурными особенностями нашего времени. Развитие общества, изменение его ценностных ориентаций меняют не только стратегию научного поиска, но и отношение человека к окружающей действительности.

История развития представлений об окружающем мире

Основная задача естествознания – познание окружающего мира. Мир вокруг нас. Сколько различных вопросов ставит он перед людьми. Как возник этот мир? Какие законы им управляют? Как произошел человек?

На заре человеческой истории, когда люди жили родами и племенами, вопрос «Что такое мир?» просто не ставился. Хозяйство в этот период было присваивающим, основной вид занятия людей – собирательство и охота. Поэтому человек хорошо знал свою «ойкумену», место своего обитания, но совершенно не мог себе представить мир «вообще».

Способность рассматривать вопрос о мире в целом у людей появилась сравнительно недавно, 7-8 тысяч лет тому назад. Из собирателя и охотника человек к этому времени становится земледельцем, скотоводом и ремесленником, идет рост городов. На вопрос «Кто же все-таки создал мир?» Древние люди ответ на него нашли в фантастическом представлении – мифе.

Мифы являются формой отражения окружающего мира в сознании людей. В мифологии интегрированы зачатки эмпирических знаний, веры, нравственности, эстетики.

С помощью мифологии человечество пыталось одновременно ответить на вопросы: естественно-научные – о происхождении и устройстве мира; законах его функционирования; морально-нравст-венные – о законах функционирования человеческого общества и основных представлениях о добре и зле.

В мифологическом миропонимании доминирует природоцентрический подход, в котором человек, несмотря на обладание разумом, рассматривается равнозначным всем другим существам природы. Миф уравновешивает мир человека и мир природы, провозглашает равенство этих миров, устанавливает гармонию между миром и человеком, природой и обществом, обществом и индивидом.

Наиболее яркий след в истории европейской культуры оставили древнегреческие мифы. На мифологии построены практически все ранние азиатские культуры Египта, Индии, Месопотамии и др. Согласно древнейшим мифам, весь видимый упорядоченный и организованный мир произошел из дезорганизованного или неупорядоченного хаоса.

На те же вопросы, что и мифология: «Кто сотворил этот мир?», «Как этот мир функционирует?» пытается ответить религия. Первые религии сформировались задолго до новой эры. Почти все они в иносказательной форме пытаются объединить в стройную систему версию происхождения окружающего мира, интерпретацию основных физических законов развития мира, мораль и представления о добре и зле. Религия, как и миф, пытается объединить два мира – мир природы и мир человека.

Античная натурфилософия.

Появление программы рационального объяснения мира

Первое научное объяснение мира появляется в Древней Греции в VI-V вв. до нашей эры в рамках натурфилософии.

Натурфилософия использовала общие философские принципы для объяснения явлений природы, для этого придумывались априорные, т.е. не связанные с опытом и наблюдениями умозрительные схемы.

Ранняя древнегреческая натурфилософия досократовского периода активно развивалась в ионийской школе и явилась первой исторической формой философии вообще. Ионийская школа древнегреческой философии отличалась стихийно материалистическими взглядами. Фалес (ок. 625 – ок. 545 до н.э.), Анаксимандр (ок. 611-545 до н.э.), Анаксимен (585-525 до н.э.) (милетская школа), Гераклит Эфесский (ок. 544-483 до н.э.), Диоген Аполлонийский (499/98-428/27 до н.э.) руководствовались основной идеей о единстве сущего, происхождении всех вещей из некоторого первоначала (вода, воздух, огонь, земля – четыре элемента стихии), а также о всеобщей одушевленности материи.

В рамках натурфилософии впервые появляется программа рационального объяснения мира. Возникает атомистическая исследовательская программа Левкиппа (V в. до н.э.) и Демокрита (р. ок. 470 или 460 до н.э.): все состоит из дискретных атомов и сводится к перемещению атомов в пустоте. Сущность протекания природных процессов объясняется на основе механического взаимодействия атомов, их притяжения и отталкивания. Второй исследовательской программой становится континуальная исследовательская программа Аристотеля (384-322 до н.э.): все формируется из непрерывно бесконечно делимой материи, не оставляющей места пустоте (пространство не терпит пустоты).

Натурфилософы выдвигают принцип причинности в первоначальной форме – каждое событие имеет естественную причину, т.е. причина должна предшествовать следствию.

Древние греки вводят понятие «космос», что означает «строй, упорядоченность и совершенство». Именно такое совершенство и организованность приписывались небесному миру.

Натурфилософская картина мира Аристотеля

В античной натурфилософии Аристотеля произошло деление мира на совершенный небесный космос и несовершенный земной мир. При построении своей системы мира Аристотель использовал представление Евдокса (ок. 408 – ок. 355 до н.э.) о концентрических сферах, на которых расположены планеты.

Как наиболее тяжелый элемент Земля занимает центральное место. Она шарообразна и неподвижна. Солнце, планеты и звезды вращаются вокруг Земли. В пространстве над Землей находятся 8 твердых, хрустальных сфер. Ближе всего небо Луны, оно вращается вокруг Земли, и Луна наглухо прикреплена к нему, далее сфера Солнца, сферы планет, а к 8-й сфере неподвижно прикреплены все созвездия и звезды. По Аристотелю первопричиной движения является «перводвигатель» – особая вращающаяся сфера, расположенная за сферой «неподвижных звезд», которая и приводит в движение все остальное.

Рис. 1. Геоцентрическая картина мира Аристотеля-Птолемея

(в центре находится неподвижная, шарообразная Земля,

вокруг которой вращаются сферы планет Луны, Меркурия, Венеры,

Солнца, Марса, Юпитера, Сатурна)

Пространство между Луной и Землей – область постоянной изменчивости, постоянных превращений и беспорядочных неравномерных движений. Все тела в этой области состоят из 4 неизменных элементов: земли, огня, воды и воздуха. Пространство между Луной и сферой неподвижных звезд – область равномерных движений, а сами звезды состоят из пятого совершеннейшего вещества – эфира. Надлунный мир вечен и совершенен. Движение здесь по кругу. В чистом виде оно проявляется в суточном вращении сферы звезд, менее отчетливо – в движении планет вокруг Земли, которое осложняется влиянием 4 земных элементов и поэтому неравномерно и петлеобразно. Второй вид движения в картине мира Аристотеля – сверху вниз, к центру Земли. К этому движению стремятся все тела, и только применение силы способно задержать их падение к земному центру.

Геоцентрическая картина мира Птолемея

Становление астрономии как точной науки началось благодаря работам греческого ученого Гиппарха (ок. 180-125 до н.э.). Он первый начал систематические астрономические наблюдения и их всесторонний математический анализ, заложил основы сферической астрономии и тригонометрии, разработал теорию движения Солнца и Луны и на ее основе – методы предвычисления затмений. Гиппарх составил таблицы, по которым можно было определить положение Солнца и Луны на небе на любой день года. Что касается планет, то он «не сделал других попыток объяснения их движения…».

Благодаря работам Гиппарха астрономы отказались от мнимых хрустальных сфер, и перешли к более сложным построениям с помощью эпициклов и деферентов. Классическую форму теории эпициклических движений планет придал Клавдий Птолемей (ок. 90 – ок. 160), работавший в Александрии в середине II в. н.э. К. Птолемей считал, что в центре Вселенной расположена шарообразная и неподвижная Земля, а вокруг нее вращаются семь сфер, которые влекут за собой семь планет в таком порядке: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн (рис.1).

Главное сочинение К. Птолемея «Математический синтаксис в 13 книгах», или как его позже назвали арабы «Альмагест» («Величайшее»), стал известным в средневековой Европе лишь в XII в. В 1515 г. – оно было напечатано на латинском языке в переводе с арабского. Трижды «Альмагест» издавался на греческом языке, а в 1912 г. издан на немецком.

«Алмагест» – настоящая энциклопедия античной астрономии. В этой книге К. Птолемей сделал то, что не удавалось сделать ни одному из его предшественников. Он разработал метод, пользуясь которым можно было рассчитать положение той или другой планеты на любой наперед заданный момент времени. Согласно К. Птолемею каждая планета движется равномерно по малому кругу эпицикла (рис. 2).

Рис. 2. Эпициклы и деференты

геоцентрической картины мира Птолемея

При построении своей геоцентрической модели мира К. Птолемей учитывал тот факт, что в процессе своего движения планеты несколько отклоняются от эклиптики. Поэтому для Марса, Юпитера и Сатурна он «наклонил» плоскости деферентов к эклиптике и плоскости эпициклов к плоскостям деферентов. Для Меркурия и Венеры он ввел колебания вверх и вниз с помощью небольших вертикальных кругов. В целом для объяснения всех замеченных в то время особенностей в движении планет К. Птолемей ввел 40 эпициклов.

Кроме отношения радиусов эпициклов и деферентов для сопоставления теории с наблюдениями необходимо было задать периоды обращения по этим кругам. По К. Птолемею, полный оборот по окружности эпициклов все верхние планеты совершают за тот же промежуток времени, что и Солнце, по эклиптике, т.е. за год. Поэтому радиусы эпициклов планет всегда параллельны направлению с Земли на Солнце. У нижних планет – Меркурия и Венеры – период обращения по эпициклу равен промежутку времени, в течение которого планета возвращается к исходной точке на небе. Для периодов обращения центра эпицикла по окружности деферента картина обратная. У Меркурия и Венеры они равны году, поэтому центры их эпициклов всегда лежат на прямой, соединяющей Солнце и Землю. Для внешних планет они определяются временем, в течение которого планета, описав полную окружность на небе, возвращается к тем же звездам. Однако К. Птолемей ничего не говорил о причине движения небесных тел. Система К. Птолемея стала как бы дополнением к Аристотелю, помогающим проводить конкретные расчеты положений планет. Геоцентрическая система К. Птолемея просуществовала 15 веков и дожила, почти не изменившись, до Николая Коперника, т.к. взгляды Аристотеля – Птолемея на устройство мира являлись неотъемлемыми элементами христианской веры, которая в период средневековья превратилась в господствующую религию.

Основные параметры своей модели мира К. Птолемей определил в высшей степени искусно и с высокой точностью. Однако со временем астрономы начали убеждаться в том, что между истинным положением планеты на небе и расчетным существуют расхождения. Так, в начале XII в. планета Марс оказалась на два градуса в стороне от того места, где ей надлежало быть по таблицам К. Птолемея.

Чтобы объяснить все особенности движения планет на небе, приходилось вводить для каждой из них до десяти эпициклов и более, со все уменьшающимися радиусами так, чтобы центр меньшего эпицикла обращался по кругу большого. К XVI в. движение Солнца, Луны и пяти планет объяснялось с помощью более 80 кругов. И все же наблюдения, разделенные большими промежутками времени, было трудно «подогнать» под эту схему. Приходилось вводить новые эпициклы, несколько изменять их радиусы, смещать центры деферентов по отношению к центру Земли. В конечном итоге геоцентрическая система К. Птолемея, перегруженная эпициклами и деферентами, рухнула от собственной тяжести…

Гелиоцентрическая картина мира Коперника

В 1543 г. вышла книга Н. Коперника (1473-1543) «О вращении небесных сфер». Великий астроном не мог принять сложной системы катящихся сфер Птолемея, всех этих «эпициклов» и «деферентов».

Гипотеза Н. Коперника проста. Надо поменять в старой птолемеевской системе Землю на Солнце местами, оставив только Луну вращаться вокруг Земли (рис. 3). Но эта простая гипотеза была недоступна для понимания большинства современников Н. Коперника. Первый раз в истории науки наблюдатель был лишен своего привилегированного положения, и обсуждался вопрос о картине, наблюдаемой в другой (движущийся относительно наблюдателя) координатной системе. Такой шаг был революционным не только с точки зрения церкви – Земля и человек перестали быть главными во Вселенной, но и с точки зрения механики – никогда еще относительность движения не использовалась для решения конкретных задач. Переместив центр планетной системы на Солнце, Н. Коперник сразу же упростил ее схему.

Рис. 3. Гелиоцентрическая картина мира Н. Коперника

По схеме Н. Коперника суточное движение неба объяснялось вращением Земли вокруг своей оси, годичное движение – обращением ее вокруг Солнца. Исчезло неравенство «попятного» движения планет, которое стало следствием разной угловой скорости движения Земли и других планет на своих орбитах. Замечательным способом отпала необходимость и в гипотезе о вращении восьмой сферы: для объяснения движения звезд достаточно было предположить, что плоскости орбиты Земли медленно вращаются в сторону, обратную движению самой Земли по орбите. Как и античные ученые, он представлял Вселенную замкнутым пространством, ограниченным сферой звезд.

Однако система Н. Коперника не объясняла неравномерность движения планет. Для этого ему самому понадобилось введение 34 кругов собственного вращения планет, т.е. система Н. Коперника принципиально не была точнее системы К. Птолемея. Более того, изменение системы отсчета не могло изменить результатов вычислений. Однако переход к гелиоцентрической системе настолько изменял все преставления о строении мира, что за ним вскоре последовали открытия Г. Галилея (1562-1642) и И. Кеплера (1571-1630), а затем и создание механики И. Ньютона (1643-1727). Поэтому книга Н. Коперника оказалась фундаментом, на котором построена вся современная наука. Именно в этом смысле ее считают одной из величайших книг, когда-либо написанных рукой человека, а также в том, что гелиоцентрическая система Н. Коперника, в отличие от системы К. Птолемея, позволяла включить в систему расчетов движения планет расстояние от Земли до Солнца.

Н. Коперник оставил своим последователям замечательную таблицу периодов обращения планет и их средних расстояний от Солнца. Эти числа позволили И. Кеплеру открыть новые законы мироздания.

Развитие и доказательства гелиоцентрической картины мира

Следующий за Н. Коперником крупный шаг в познании мира сделал итальянский философ – пантеист Джордано Бруно (1548-1600). Развивая гелиоцентрическую космологию Николая Коперника, он выступил в своем сочинении «О бесконечности, Вселенной и мирах» (1584) с утверждением о том, что Вселенная бесконечна, что звезды – это далекие солнца, они заполняют всю Вселенную и вокруг них движутся планеты, на многих из которых возможна разумная жизнь. Тем самым он предугадал грядущие научные открытия на столетия вперед. Он писал: «Небо…единое безмерное пространство, лоно которого содержит все, эфирная область, в которой все пробегает и движется. В нем – бесчисленные звезды, созвездия, шары, солнца и земли… разумом мы заключаем о бесконечном количестве других»; «Все они имеют собственные движения… они кружатся вокруг других». Он утверждал, что не только земля, но и никакое другое тело не может быть общим центром, так как Вселенная бесконечна и «центров» в ней бесконечное число. Он говорил об изменчивости тел во Вселенной (признавая их развитие), в частности об изменчивости поверхности Земли, считая, что в течение огромных промежутков времени «моря превращаются в континенты, а континенты – в моря». Идея о бесконечности Вселенной породило немало поразительных следствий. Из нее вытекала оценка расстояний до звезд. Действительно, Солнце – это звезда, как и другие, но только самая близкая к нам. Поэтому оно большое и яркое. А на какое расстояние нужно отодвинуть светило, чтобы и оно выглядело так, как например Сириус? Ответ на этот вопрос дал голландский астроном Х. Гюйгенс (1629-1695). Он сравнивал блеск этих двух небесных тел, и вот что оказалось: Сириус находится от нас в сотни раз дальше, чем Солнце. Замечательная идея Бруно и основанный на ней расчет Гюйгенса стали решительным шагом к овладению тайнами Вселенной. Благодаря этому границы наших знаний о мире сильно раздвинулись, вышли за пределы Солнечной системы и достигли звезд.

Доказательства гелиоцентрической картины мира были приведены одним из основателей точного естествознания, итальянским ученым Галилео Галилеем (1562 - 1642), который в 1609 г. сконструировал телескоп с 32-кратным увеличением, с помощью этого телескопа он открыл:

- горы на Луне (считалось, что Земля – единственная по своему ландшафту во Вселенной, Галилей увидел такой же ландшафт на Луне);

- 4 спутника Юпитера (считалось, что Земля – единственный центр притяжения во Вселенной, но оказалось, что во Вселенной существуют и другие центры притяжения);

- пятна на Солнце (значит, космос не такое совершенство, как считали древние греки);

- Млечный путь оказался скоплением звезд (Аристотель, которому противоречил Галилей, считал, что Млечный путь – это атмосферные явления);

- фазы Венеры (Венера, как Луна, имела форму то серпика, то полного диска, что доказывало обращение ее вокруг Солнца.

Немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571 - 1630) сформулировал законы движения планет вокруг Солнца и оказался «законодателем неба»:

1-й закон: «Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце» (1605 г.);

2-й закон: «Радиус – вектор планеты описывает площади, пропорциональные времени» (1601 г.);

3-й закон: «В невозмущенном эллиптическом движении двух материальных точек произведения квадратов времени обращения на суммы масс центральной и движущихся точек относятся как кубы больших полуосей их орбит» (1619 г.).