Московский государственный университет печати

Горбачев В.В.


         

Концепции современного естествознания. В 2 ч.

Учебное пособие


Горбачев В.В.
Концепции современного естествознания. В 2 ч.
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление
1.

Часть I

Предисловие

1.1.

Введение

1.1.1.

Этапы развития и становления естествознания

1.1.2.

Общие проблемы естествознания на пути познания Мира

1.2.

Механика дискретных объектов

1.3.

Физика полей

1.4.

Теория относительности Эйнштейна - мост между механикой и электромагнетизмом

1.4.1.

Физические начала специальной теории относительности

1.4.2.

Общая теория относительности

1.5.

Основы квантовой механики и квантовой электродинамики

1.6.

Физика Вселенной

1.6.1.

Модели происхождения Вселенной

1.6.2.

Современные модели элементарных частиц как первоосновы строения материи Вселенной

1.6.3.

Фундаментальные взаимодействия и их мировые константы

1.6.4.

Модель единого физического поля и многомерность пространства-времени

1.6.5.

Устойчивость Вселенной и антропный принцип

1.6.6.

Ньютоновская модель развития Вселенной

1.6.7.

Антивещество во Вселенной и антигалактики

1.6.8.

Механизм образования и эволюции звезд

1.7.

Проблема «порядок-беспорядок» в природе и обществе

1.8.

Симметрия и асимметрия в их различных физических проявлениях

1.9.

Современная естественнонаучная картина мира с точки зрения физики

2.

Часть II. Физика живого

Введение

2.1.

От физики существующего к физике возникающего

2.1.1.

Термодинамические особенности живых систем

2.1.2.

Энергетический подход к описанию живого

2.1.3.

Уровни организации живых систем и системный подход к эволюции живого

2.1.4.

Физическая интерпретация биологических законов

2.1.5.

Пространство и время для живых организмов

2.1.6.

Энтропия и информация в живых системах

2.2.

Физические аспекты и принципы

2.2.1.

От атомов к протожизни

2.2.2.

Химические процессы и молекулярная самоорганизация

2.2.3.

Биохимические составляющие живого вещества

2.2.4.

Клетка как «элементарная частица» молекулярной биологии

2.2.5.

Роль асимметрии в возникновении живого

2.3.

Физические принципы воспроизводства и развития живых систем

2.3.1.

Информационные молекулы наследственности

2.3.2.

Воспроизводство и наследование признаков

2.3.3.

Процессы мутагенеза и передача наследственной информации

2.3.4.

Матричный принцип синтеза информационных макромолекул и молекулярная генетика

2.4.

Физическое понимание эволюционного и индивидуального развития организмов

2.4.1.

Онтогенез и филогенез. Онтогенетический и популяционный уровни организации жизни

2.4.2.

Физическое представление эволюции. Синтетическая теория эволюции

2.4.3.

Аксиомы биологии

2.4.4.

Признаки живого и определения жизни

2.4.5.

Физическая модель демографического развития С.П. Капицы

2.5.

Физические и информационные поля биологических структур

2.5.1.

Физические поля и излучения функционирующего организма человека

2.5.2.

Механизм взаимодействия излучений человека и окружающей среды и возможности медицинской диагностики и лечения

2.5.3.

Устройство памяти. Воспроизводство и передача информации в организме

2.6.

Физические аспекты биосферы и основы экологии

2.6.1.

Структурная организованность биосферы

2.6.2.

Биогеохимические принципы В.И. Вернадского и живое вещество

2.6.3.

Физические аспекты эволюции биосферы и переход к ноосфере

2.6.4.

Физические факторы влияния Космоса на земные процессы

2.6.5.

Физические основы экологии

2.6.6.

Принципы устойчивого развития

Контрольные вопросы

Литература

Темы курсовых работ, рефератов и докладов

Вопросы к зачету и экзамену

Словарь терминов

Указатели
690   именной указатель
3016   предметный указатель
58   указатель иллюстраций

Посвящаю любимым
жене и сыну

Необходимость привлечения в систему образования курса «Концепции современного естествознания» связана с Проблемапроблемами, которые возникли перед людьми к началу третьего тысячелетия. На многие конкретные вопросы той или иной профессии дают ответ специальные науки, но часто они не отвечают на более глобальные вопросы: как устроен окружающий нас мир в целом, каким фундаментальным законам подчиняется Природаприрода, что представляют собой Жизнь, РазумРазум, Человек и его место во Вселенной...

Во многом это определяется формированием такого типа мышления и методов познания, которые позволяют выявить фундаментальные закономерности и универсальные Принциппринципы, управляющие процессами в окружающем мире. Им соответствуют достижения естественных наук, и в первую очередь физики. Однако сейчас становится все более очевидной необходимость целостного восприятия и объяснения мира на основе не только естественнонаучного метода познания, но и гуманитарного подхода.

Поэтому с точки зрения гуманитарного образования, как компоненты общечеловеческой культуры, важно включить в него понятия, представления и методологию естественных наук, показать, зачем нужна гуманитариям физика, утвердить в общественном сознании необходимость естественного образования, включив его в систему современной культуры.

Этим задачам отвечает интегрирующий курс «Концепции современного естествознания», который должен представлять собой «синтез мудрости древних цивилизаций, естественных и гуманитарных наук, путь к пониманию природы, человека и Обществообщества». Соответственно своему содержанию такой курс охватывает широкий, почти необъятный, круг вопросов и является основополагающим, фундаментальным для всего современного образования. Поэтому трудности создания и освоения курса очевидны, но он представляет несомненный Интересинтерес для любознательных. Более того, он как нельзя лучше отвечает традициям отечественного образования с его школой фундаментальности и широты подхода к объяснению сути вещей. С другой стороны, вполне естественно, что нельзя объять необъятное и достаточно полно и в равной степени осветить все научные подходы и концепции. Несмотря на определенный отбор материала и попытку построения Парадигмапарадигмы современной естественнонаучной картины Мира, многие интересные вопросы в предлагаемом учебном пособии не нашли своего развития. В известной мере это было сделано и сознательно - на взгляд автора, вопросов в таком курсе должно быть больше, чем ответов.

Одной из основных целей пособия являлось желание вовлечь читателя в творческий процесс самопознания, показать, что без привлечения науки невозможно понять свое предназначение на Земле, но что в то же время имеется еще много пока непознанных и неподвластных науке явлений. Курс должен быть таким, чтобы изучение его было творческим, формирующим взгляды на мир. Этим объясняется большое количество ссылок на литературу, предложенных тем рефератов и контрольных вопросов. Той же цели служит и составленный автором словарь терминов, используемых в тематике современного естествознания, и насчитывающий около 750 понятий. Представленный в нем материал имеет не только свое функциональное предназначение - объяснить студенту термины, встречающиеся в различных пособиях и научных монографиях по современному естествознанию, - но и шире, чем в обычном словаре, раскрывает излагаемые в настоящем пособии вопросы и поэтому является необходимым дополнением к нему. Задачей же автора являлось построение некоторого вектора развития современного естествознания. Отбор и расположение материала, конечно, определялись вкусовыми ощущениями автора и его видением проблем.

Курс «Концепции современного естествознания» соответствует «Государственному образовательному стандарту» и рабочей программе для гуманитарных специальностей и предназначен для студентов, аспирантов и преподавателей этих специальностей и полезен читателям, интересующимся проблемами современного естествознания. Материал по возможности изложен доступно с учетом того, что он предназначен не для физиков, а для будущих специалистов, для которых такой курс не является профессиональной подготовкой. Методологической целью такого курса является получение студентами представления о целостной картине Мира в рамках естественнонаучной и гуманитарной Парадигмапарадигм, понимание ими роли человека в объединении трех взаимосвязанных подсистем его обитания - естественной природной, искусственной (Техносфератехносферы) и социальной сред.

Курс состоит из трех блоков. В первом дается представление о физических принципах объяснения природы с позиции современной, в том числе постнеклассической, физики. Следуя терминологии И. Пригожина, это физика необходимого или существующего. Во втором блоке рассматриваются вопросы физических аспектов и принципов Биологиябиологии, воспроизводства и развития живых систем, физических факторов влияния КосмосКосмоса на земные процессы, роль внутренних и внешних физических Полеполей в эволюции живых организмов. Эти проблемы уже относятся к физике возникающего и связаны с проблемами физики живого. В третьей части пособия будут рассмотрены возможности использования физических моделей в рамках целостной парадигмы современного естествознания в экономике, социологии, истории, этногенезе и других проблемах и науках гуманитарного характера.

В настоящем учебном пособии представлены вопросы первого блока. Рассмотрены общие фундаментальные принципы физики относительно движения материальных тел в рамках классической, квантовой и релятивистской механики, взаимосвязь пространства и времени, основы теории относительности, физика Вселенной и современные представления о строении вещества, методы дискретного и вероятностного описания природы, синергетические подходы к объяснению поведения сложных систем в рамках проблемы «порядок-беспорядок» и роль симметрии-асимметрии в различных физических проявлениях. Дана эволюция представлений о природе от механической картины Мира через электромагнитную и полевую к современной естественнонаучной картине. По возможности приведены примеры применения физических представлений в гуманитарном восприятии. Автор признателен своим рецензентам: члену-корреспонденту РАН и академику РАЕН, профессору, доктору физ.-мат. наук Л.А. Грибову, академику РАЕН, профессору, доктору физ.-мат. наук В.И. Фистулю (МИТХТ), академику РАЕН, профессору, доктору физ.-мат. наук А.Н. Георгобиани (МФТИ) и академику МАИ, профессору, доктору физ.-мат. наук К.Н. Быстрову, а также коллективу преподавателей кафедры физики МГУП за ценные советы и обсуждение пособия, а Д. Пахомову и А. Новожиловой - за набор текста.

Автор глубоко благодарен своим жене и сыну за понимание, поддержку, интерес к работе и помощь в компьютерной обработке текста.

Если вы хотите узнать природу
и оценить ее красоту, то нужно
понять язык, на котором она
разговаривает. Она дает информацию
лишь в одной форме и мы не вправе
требовать от нее, чтобы она изменила
свой язык, чтобы привлечь наше
внимание.

Р. Фейнман

Обучение редко приносит
плоды кому-либо, кто
к этому предрасположен,
но оно им почти не нужно.

Высказывание Гиббонса,
приведенное Фейнманом в своих
лекциях по физике.

Наука о Природаприроде зародилась в древней Греции более 2500 лет тому назад в виде единой натуральной философии. Естественной базой ее возникновения и развития явились бесхитростные наблюдения пытливых людей над окружающим их миром. Из этих наблюдений делались какие-то заключения и обобщения и, как мы сейчас говорим, строились теории. Поскольку в начальный период становления этой единой науки не было измерений, а лишь наблюдения и рассуждения, то первые исследователи, являясь наблюдателями, облекали свои выводы в некие философские категории.

Все естественнонаучные знания и представления о природе в то время не разделялись на отдельные области Знаниезнания и тем самым составляли единую науку, основой которой были логические рассуждения и Умозаключениеумозаключения относительно того, что наблюдалось. Отсюда, собственно, и произошло название Натурфилософия «натурфилософия», то есть мудрые рассуждения о Природе (натура - природа, философия - любовь к мудрости). Интересно, что в шотландских университетах до сих пор физику называют натуральной философией. Понятно, что эти теоретические представления были наивными и часто ошибочными. Тем не менее, наряду с накоплением знаний шел их Анализанализ и в виде пророческих догадок формировались многие идеи, которые находят сейчас свое подтверждение в современной естественнонаучной картине Мира.

В античном естествознании укрепилось представление о материальной первооснове всех вещей и вечного движения. В качестве этой первоосновы Мира и всего сущего предлагались огонь, вода, воздух и некое начало «айперон». Так, Гераклит ЭфесскийГераклит Эфесский (V век до н.э.), считавший началом всего, что есть на свете, огонь, сформулировал идею о единстве мира и его Изменчивостьизменчивости («все течет, все меняется, ничто не вечно кроме перемен»). Идея о непрерывности движений («мир един, был, есть и будет вечно новым») в целом хорошо согласуется с современными представлениями о движущейся материи.

Исторически в развитии древнегреческого естествознания можно выделить три научных программы: одна идеалистическая - ПлатонПлатона и две материалистических - АристотельАристотеля и ДемокритДемокрита. Первую научную программу можно также назвать и математической, и в смысле понимания роли количественных вычислений в научном изучении мира она во многом определила путь развития естествознания. В ее основе лежит идея ПифагорПифагора, что «числа - суть вещей». Платон, в свою очередь, утверждал, что «Бог - это геометр». Несмотря на то, что Платон признавал материальный мир состоящим из четырех Субстанциясубстанций (огня, воздуха, воды и земли), он приписывал частицам, из которых они состоят, различную геометрическую форму в виде многогранников: для огня - тетраэдры, воздуха - октаэдры, воды - икосаэдры, земли - кубы, т.е. вводил абстрактные топологические понятия. Это было связано с идеалистическими представлениями Платона о том, что материальный мир бытия является лишь отражением мира идей человека, его представлениями, а не реально существующей материи. Поэтому математическим построениям и численным абстракциям программы Пифагора - Платона отводилась почти мистическая роль, проявляющаяся до настоящего времени в религиозных канонах, Астрологияастрологии и магии, а в науке - в некоторых «таинственных» математических числах: 3,1415926; 1/137; 1,618034 и т.д., смысл которых (почему они именно такие) так до сих пор и не ясен. Любопытно, что в этой программе была выдвинута также идея о вращении всех небесных тел, включая Солнце, по сферам вокруг центрального огня. Она возникла из наблюдений звездного неба и периодических смен дня и ночи, зимы и лета и отражала существовавшие тогда представления о Мире. Заметим, что в III веке до н.э. Самосский АристархАристарх Самосский предложил идею о гелиоцентрическом строении Вселенной и движении всех небесных тел вокруг Солнца. Как известно, эта идея была возрождена Коперник Н.Н. Коперником позднее, в средние века.

Общей чертой континуальной программы Аристотеля и атомистической программы Демокрита является их материалистичность. Континуальный подход предполагал весь материальный мир состоящим из непрерывной материальной субстанции, находящейся в постоянном движении. Все объекты природы («существующие вещи») не возникают и не уничтожаются, а существуют вечно и проявляются в различных формах этой субстанции, преобразуясь из одной формы в другую. Эта физическая по своей сути программа Анаксагора - Аристотеля также созвучна современным представлениям о формах существования и движения материи еще и потому, что предполагала наличие в каждом объекте всех «вещей» («все во всем» или «во всем есть часть всего»), что можно перевести на наш научный язык как строение вещества из элементарных частиц. Аристотель предполагал, что Мир представляет собой вращающийся КосмосКосмос и его движение началось в каком-то малом объеме пространства от первоначального толчка, а это хорошо согласуется с одной из современных теорий происхождения Вселенной - Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной. Сам Космос является некой ограниченной сферой, в центре которой расположена Земля. ПространствоПространство, заполненное «первичной материей», и Времявремя реализуются только в пределах этого Космоса. Первичная материя под воздействием комбинации «первичных сил» - горячего, холодного, сухого и мокрого - переходит в одну из четырех «стихий» - огонь, воздух, воду и землю. Стихии, в свою очередь, могут как переходить из одной в другую, так и вступать в различные соединения и образовывать «вещества» - камни, металлы, мясо, кровь, глину, шерсть и т.д. И, как логичный результат, из веществ создаются тела.

АристотельАристотель ввел также Понятиепонятие естественных и насильственных движений тел. Для земных тел естественным является перемещение тел или вниз («тяжелые» тела), или вверх («легкие» тела), причем считалось, что причина естественных движений заложена в их природе. Для небесных тел естественным предполагалось их круговое движение вокруг Земли как центра Космоса. Насильственное движение объяснялось действием сил на тела и оно прекращалось, если сила переставала действовать. Такая механика естественных и насильственных сил и вызванных ими движений вытекала из повседневной практики и наблюдений за движением тел в реальной жизни и была принята в науке до XVIII века. К этому времени представление о силе как причине движения стало краеугольным камнем классической механики Галилея - Ньютона. Заметим, что именно Аристотель первым ввел название «физика» для обозначения учения о природе. Поэтому с формальной точки зрения Аристотель - первый физик. Хотя к первым физикам можно отнести и АнаксагорАнаксагора с его идеей движущейся материи и Пифагора, поскольку он первым изучал и описал появление разных звуков в зависимости от длины струны. Атомистическая программа Демокрита была основана на идее существования мельчайших, более неделимых частиц - атомов, которые и составляют весь материальный мир. Атомы двигаются в пустоте и разнообразны по форме, при столкновении они сцепляются и образуют различные тела. Причем эта различность тел объяснялась различностью атомов. Нетрудно и здесь увидеть наивный, но в целом правильный с точки зрения современной науки взгляд на мир. Любопытно отметить, что в этом атомистическом мире находилось место и Богам. Они тоже были из атомов, но не доступных органам человека. Естественно, богам приписывался высший Разумразум, который и управляет всем миром.

Интересно также, что этой атомистической программе был присущ жесткий детерминизм, сохраненный впоследствии и в механике Галилея - Ньютона, т.е. любое движение материи предполагалось необходимым, обусловленным какими-то причинами. Случайность полностью исключалась из картины Мира. Она считалась субъективной и объяснялась недостаточностью человеческих знаний. В то же время последователь Демокрита ЭпикурЭпикур (III век до н.э.) высказывал предположение о существовании объективной случайности. Атомистическая теория, как более ранняя, была вытеснена континуальной. Ее реабилитация началась лишь в XVII веке. Отметим также, что еще в I веке до н.э. Кар ЛукрецийЛукреций Кар в своей книге «О природе вещей», посвященной Эпикуру, в поэтической форме изложил много идей материалистичности мира, связи пространства, времени и материи, дискретности материи и относительности движения.

В заключение краткого рассмотрения этапов развития античного естествознания и в связи с поэмой Лукреция Кара, где кроме естественнонаучных вопросов рассматривались и общегуманитарные проблемы жизни, смерти, духовности, этики и морали, отметим, что главным в этой попытке понять окружающий мир была целостность восприятия, представление, что мир един, и описание его строения основывалось именно на таком холистическом, как сейчас говорят, подходе.

Дальнейшее развитие миропонимания при переходе к количественному описанию процессов движения материи шло через механические представления о природе. Это было связано с именем Галилея, который объединил физику и математику, ввел основные характеристики движения - понятия инерции, системы отсчета, ускорения как причины движения, принцип относительности и ряд других Параметрпараметров движения.

В начале было Слово,
И это слово - физика

Не то, что мните Вы, природа
Не слепок, не бездушный лик
В ней есть душа, в ней есть свобода
В ней есть любовь, в ней есть язык

Ф. Тютчев

В основе объяснения явлений природы с точки зрения физики и различных применений физики в технике лежат некоторые фундаментальные понятия или фундаментальные физические принципы. К ним, в первую очередь, относится строение материи, т.е. из чего построен окружающий нас мир, в том числе и мы сами. Это - теория элементарных частиц в ее современном представлении и движение материи в широком смысле этого слова, а также взаимодействие частиц и Полеполей друг с другом. К другим фундаментальным принципам относятся такие понятия, как Пространствопространство и время, законы сохранения, симметрия-асимметрия, порядок-беспорядок, дискретность-непрерывность, вероятностный, т.е. статический подход к описанию явлений. К сожалению, классическая физика, давшая почти что универсальный рецепт описания и понимания простого движения, фантастически правильное объяснение действия и построение технических механизмов и машин в нашей реальной практике на основе представлений Галилея - Ньютона, касалось именно механического движения, а не изменений вообще, например в живом организме.

Сформировалось представление и надолго (около 200 лет!), что классическая механика как часть физики может объяснить все возможные явления в Природе. Таков взгляд привел к возникновению в целом в XVIII веке рационализма, рационального научного подхода, логично и правильно описывающего, как казалось, окружающий мир. Такое положение возвеличивало физику как науку и позволило сэру Резерфорду впоследствии в шутку сказать: «Все науки делятся на две группы: физика и коллекционирование марок».

Это так называемый «физикализм» - возникшая в то время общенаучная Парадигмапарадигма, объясняющая любые процессы в живой и неживой природе, Социумсоциуме, Обществообществе в целом, по Аналогияаналогии и в соответствии с физическими принципами, разработанными в классической механике. В качестве известного примера можно привести Талейрана, который возил с собой механику Д'Аламбер Ж.Л.д'Аламбера, считая что на ее основе он сможет логично и неоспоримо убедить в правоте своих дипломатических коллег. Другой пример, ставший классическим: когда Бонапарт НаполеонНаполеон, ознакомился с Космологиякосмологической теорией маркиза Лаплас П.С.де Лапласа, классика той механики, то заметил автору, что в этой механике нет места Богу. На что Лаплас ответил: «Sire, je n'avais pas besoin de cette hypothese» (Мой император, этой гипотезы мне не понадобилось). По существу, это была попытка свести существовавшее естествознание к сумме известных тогда физических законов. Философской основой такого подхода, ведущего к строгому детерминизму причинно-следственных связей, в том числе и в количественных значениях, было фундаментальное разграничение между Миром и человеком, введенное Декарт Р.Декартом. Как следствие этого разграничения возникла уверенность в возможности объективного описания Мира, лишенного упоминаний о личности наблюдателя, и наука видела в таком объективном описании Мира свой идеал и предназначение. Конечно, сейчас мы понимаем, что это неверно: классическая механика работает лишь в определенных пределах, при скоростях распространения взаимодействия, меньших скорости света.

Заметим, что также некорректен и другой, гуманитарный подход к объяснению Мира на основе Антропоцентризм антропоцентризма, согласно которому предметы неживой природы, а также растения, животные и даже Боги в древности уподоблялись Человеку. Впоследствии оказалось, что этот, в известной мере, наивный подход более близок и понятен человеку и в современном естествознании уже на научной основе был возрожден в виде антропного принципа. Вообще говоря, это свидетельствует о возникших с давних времен, в связи с дифференциацией наших Знаниезнаний о мире, двух культурах, двух способах познания - естественнонаучного, в основе которого лежит физика, и гуманитарного, определяющими для которого являются интуиция, художественные Образобразы, иррациональное мышление. Отсюда и два метода исследования и объяснения нашего мира: логический и внелогический. На самом деле непонятно, почему так сложилось в человеческом восприятии мира, но исторически это идет от начального целостного взгляда античной натуральной философии, матери всех наук. Возникшая специализация, дифференциация и углубление отдельных наук, столь необходимые на определенном этапе развития, становятся тормозом на пути познания мира. Возникает необходимость междисциплинарной науки, интегрирования различных знаний. Человек начинает понимать, что Природаприрода едина, целостна и это должно найти свое отражение и в методах ее познания. Эту мысль хорошо отразил Планк М.М. Планк: «Наука представляет собой внутренне единое целое. Ее разделение на отдельные области обусловлено не столько природой вещей, сколько ограниченной способностью человеческого познания. В действительности существует непрерывная цепь от физики и химии через Биологиябиологию и Антропологияантропологию к социальным наукам, цепь, которая ни в одном месте не может быть разорвана, разве лишь по произволу».

Сейчас становится особенно понятно, что необходимо преодолеть этот разрыв между естественнонаучными и гуманитарными подходами различных наук и, более того, объединить их на основе холистического, целостного восприятия мира в концепции современного естествознания. Мысль о единении науки и искусства высказал еще в прошлом веке Флобер Г.Г. Флобер: «Чем дальше, тем Искусство становится более научным, а Наука более художественной; расставшись у основания, они встретятся когда-нибудь на вершине».

Заметим, что и то, и другое объединяет творческий характер деятельности человека в этих областях. Интересно, что эти две культуры, культуру естествознания с Доминантадоминантой научного метода и культуру гуманитарную (искусство), не смогла объединить и философия, которая не смогла стать мостом между ними. К тому же хорошо известно, что в России настороженно относятся к официальной философии: воинствующий материализм в равной степени подавлял как науку, так и искусство. В целом и раньше наука страдала от церковного догматизма (Бруно Дж.Дж. Бруно) и различных спекуляций, а затем - от утилитарно-рассудочного техницизма и позитивизма нового времени. Причем после Хиросимы и Чернобыля в среде гуманитариев возник устойчивый антинаучный синдром. Заметим также, что естественнонаучному подходу было присуще логическое (линейное) мышление, а гуманитарному, интуитивному - нелинейное мышление.

Многие проблемы человечества могли бы быть решены на основе гармонизации частей изначально единой культуры и целостного восприятия мира, как, например, это было в античной культуре Греции и Рима, или присуще еще АристотельАристотелю, и натурфилософии, но уже на новом уровне развития. Сегодня становится очевидной необходимость привнесения в науку, в том числе и в физику, нравственных, этических и даже эстетических начал. «Наука без совести разрушает душу», как сказал Рабле Ф.Рабле. Физики шутят: чем более красива и стройна теория, или отдельная формула, тем она вернее. Правда, бытует и другое шутливое выражение: чем больше различие между экспериментом и теорией, тем ближе автор исследования к Нобелевской премии. Но это иллюстрирует уже другое положение в науке: если этот разрыв есть, значит намечается новое осмысление, скачок в наших познаниях, рождается новая Парадигмапарадигма, а это в конечном счете всегда должно быть поощрено. А Дирак П.А.М.П. Дирак сказал по этому поводу: «Красота уравнений важнее, чем их согласие с экспериментом».

Эти нравственные начала характерны для тысячелетних традиций религиозно-философских течений Запада и Востока в опыте единения человека с Природой и КосмосКосмосом. Современное естествознание находит много общего между квантовой физикой и восточным мистицизмом. Как отмечал Капра Ф.Ф. Капра в своей книге «Дао физики» [ссылка на источники литературы], которая по своему содержанию является прекрасным пособием по современному естествознанию: «Осознание глубокой взаимосвязи современной физики и восточных мистических учений - еще один шаг к выработке нового взгляда на действительность при условии основательного пересмотра наших ценностей, представлений и мыслей». Эта общность состоит в том, что и в восточной религиозной философии, и в квантовой физике, описывающий микромир, трудно передать словами свои ощущения и наблюдения. Гейзенберг В.В. Гейзенберг [ссылка на источники литературы], один из основателей квантовой теории говорил: «Сложнее всего говорить на обычном языке о квантовой теории, непонятно, какие слова надо употреблять вместо математических символов. Ясно только одно: понятия обычного языка не подходят для описания строения атома».

А восточный мистицизм прямо утверждает, что реальность не может быть передана словами, не может быть объектом Рефлексиярефлексии или передаваемого знания. «Дао, которое может быть выражено словами, не есть вечное Дао» (Лао ЦзыЛао Цзы). Дзэнское изречение гласит: «В тот момент, когда ты заговариваешь о чем-то, ты не достигаешь цели». Не совпадает ли это с нашим поэтом Тютчев Ф.И.Ф. Тютчевым в его стихотворении «Silentium» («Молчание»)?:

«Как сердцу высказать себя?

Другому, как понять тебя?

Поймет ли он, как ты живешь?

Мысль изреченная есть ложь».

А перефразируя Ландау Л.Д.Л. Ландау, можно даже сказать - нельзя говорить все, что знаешь. «Кто знает - не говорит, кто говорит - не знает» (Лао Цзы). В то же время отражением логического взгляда на науку может служить мысль Фейнман Р.Р. Фейнмана, справедливая для физиков: «если не можешь объяснить, что знаешь, значит, ты не знаешь».

Мистики вообще считают главным восприятие действительности, а не его описание. Для такого понимания мира они используют методику коан - тщательно продуманных парадоксальных задач, цель которых - подготовить ученика к невербальному восприятию реальности. Примером такого коана может служить вопрос - что означает хлопок ладонью одной руки. Ответ, который дал ученик мистика через год, был таков - это звучание тишины. Одно из основных положений восточного мистицизма состоит в том, что все используемые для описания природы понятия ограничены, они являются не свойствами действительности, как нам кажется, а продуктами мышления - частями карты, а не местности. И поскольку проще иметь дело в нашими представлениями о реальности, чем с самой реальностью, человек, как правило, смешивает одно с другим и принимает свои символы и понятия за реальность.

В восточных мистических учениях считается, что узнать сокровенную суть Мира, его Дао, могут лишь люди, лишенные Страстьстрасти к восприятию отдельных феноменов, т.е. как бы ощущающие Мир в целом. Истина, согласно японскому учению дзэн, познается не постепенно, а путем внезапного озарения на уровне интуиции. Это, кстати, хорошо осознается учеными и часто «используется» в их практике. При этом оценка Дао тоже носит нравственный характер - «если путь (Дао), по которому идешь, обладает сердцем, то он хорош, если - нет, он бесполезен». Восточные ученые считают, что и перед современной физикой стоит эта проблема: «есть два пути - один ведет к Будде, другой - к бомбе, и ученый должен сделать нравственный выбор» [ссылка на источники литературы]. Как говорит китайское изречение, «мистики понимают корни Дао, но не его ветви, а ученые понимают ветви Дао, но не его корни». Восточная философия утверждает, что наука не нужна мистицизму, а мистицизм науке, но и то, и другое нужно людям, чтобы понять мир вне и внутри нас.

Другой пример рассматриваемой общности физики и восточной философии приводит Дубнищева Т.Я.Т. Дубнищева [ссылка на источники литературы]. В буддистский тибетских текстах Вселенная описывается как осциллирующая, выражаясь современным физическим языком, и процесс ее сжатия и расширения похож на принятые сейчас сценарии возникновения Вселенной после Большого Взрыва и ее эволюции. Для буддизма характерна связь физического и психического; считается, что некоторые состояния сознания неотделимы от физического тела. Словом, в такой далекой от естествознания, в понимании западного человека, области есть много полезных Аналогияаналогий и глубоких откровений. В частности, в ней более гибко используется взаимодействие двух начал «ян» и «инь», мужского и женского, непрерывно меняющихся, в отличие от дискретных, жестко фиксированных понятий черного и белого, да и нет. Кроме того, восточная философия, безусловно, более правильно относится к экологическим проблемам потому, что учитывает глубокую взаимосвязь всего живого в нашем мире. Согласно такому подходу, человек - лишь часть Природы, а отнюдь не хозяин, который «не ждет милостей от природы», преобразует, ломает и подчиняет ее себе. Он должен гармонично вписаться в природу, найти свою нишу в ней. Конечно такой экологический подход гораздо чище и нравственней, чем тот, который доминирует в нашем Обществообществе.

В то же время гуманитариям необходимо объяснять законы гармонии мира не на субъективно-эмоциональном уровне, а на более универсальном научном языке, как, например, физика использует количественно-объективный язык математики. Для физики это совершенно естественно. Как сказал в свое время еще Галилей Г.Г. Галилей: «Те, кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи математики, ставят перед собой неразрешимую задачу. Следует измерять то, что измеримо и делать измеримым то, что таковым не является» [ссылка на источники литературы]. Известно и изречение ПифагорПифагора: «Все вещи суть числа». Гиббс Ф.Ф. Гиббс дал определение математики как языка, применительно к физике и шире, ко всем естественным наукам, это язык чрезвычайно емкий, четкий и образный. Именно на языке математики удается простым и наглядным образом выразить причинно-следственные соотношения между отдельными явлениями, что, в свою очередь, позволяет существенно расширить мощь познаний и предсказать ход событий. А в этом - одна из основных задач науки. Правда, для гуманитарного склада мышления математика часто затрудняет восприятие смысла. Это заметил еще Гете И.В.Гете: «Математики, как французы: все, что вы им говорите, они переводят на свой язык и это тотчас становится чем-то совершенно иным». Но это не значит, что гуманитариям следует математики бояться и не использовать ее в своих доказательствах. Как удачно сказал Нейман Дж. (фон)Джон фон Нейман, «если люди не верят, что математика проста, то только потому, что не осознают, как сложна жизнь». Конечно, очень важно понимать, как подчеркнул Гексли Т.Гексли, что «математика, подобно жерновам мельницы, перемалывает то, что в нее засыпали». И как, засыпав плевелы, мы не получим доброкачественной муки, так и построив неправильную физическую модель, мы не получим правильного ответа, какой бы математикой мы не пользовались.

Надо сказать, что многие выдающиеся представители и того, и другого подходов отчетливо представляли себе необходимость привлечения дополнительной, так сказать, культуры. «Среди конкурирующих научных гипотез истинной следует признать ту, из которой вытекают более гуманитарные, нравственные выводы», как сказал один из основателей квантовой механики Гейзенберг В.В. Гейзенберг, получивший, кстати, начальное классическое гуманитарное образование. Автор теории относительности Эйнштейн А.А. Эйнштейн неоднократно заявлял, что он научился у Достоевского больше, чем у любого физика. Одоевский И.И. Одоевский подчеркивал, что «европейский рационализм лишь поведет нас к вратам истины, но открыть их он не может». Ему вторит Тагор Р.Рабиндранат Тагор, ставя вопрос более широко: «Если мы закроем дверь перед заблуждением, то как туда войдет Истина». А известный физик Борн М.М. Борн сказал: «Человеческие и этические ценности не могут целиком основываться только на научном мышлении». Таким образом, подобно нашим предшественникам мы сейчас приходим к необходимости целостного видения Мира. И курс концепции современного естествознания должен быть «синтезом мудрости древних цивилизаций, гуманитарных и естественных наук, путем к пониманию Природы, Человека и общества». Кроме того, сейчас на новом этапе осознана принципиальная неустранимость роли человека как наблюдателя и интерпретатора эксперимента, «Мы являемся одновременно и зрителями, и актерами» говорил Бор Н.Н. Бор. А американский физик Уиллер Дж.Уиллер считает, что мы не просто наблюдатели, а соучастники. Можно сказать, что актуален лишь целостный подход: Природа + Человек, что начисто отвергала классическая физика с ее стремлениями разделить объективные измерения и субъективные восприятия человека, уменьшить погрешности измерения и увеличить точность таких измерений. При переходе к изучению микромира квантовая физика со своим принципом неопределенности опровергла это положение:

p×∆x ≥ h (1.1.1)

где ∆p - изменение импульса квантовомеханической частицы, а ∆x - изменение ее координаты. Заметим, что здесь и далее по всему тексту пособия физические определения и законы предполагаются в какой-то мере известными читателю из обычных курсов физики или могут быть извлечены из них. Этой цели также служит приведенный в конце пособия словарь терминов и понятий, используемых в современном естествознании.

Согласно (1.1.1), мы выигрываем в измерении одного Параметрпараметра, но проигрываем в измерении другого. Это, не зная в сущности квантовых представлений в физике, отмечали еще древние греки. Так, АристотельАристотель в «Этике» писал: «При рассмотрении любого предмета не следует стремиться к большей точности, чем допускает природа предмета». Представитель гуманитарной ветви культуры писатель Набоков В.В.Набоков, говорил: «То, что полностью контролируемо, никогда не бывает реальным. То, что реально, никогда не бывает вполне контролируемым». Схожие мысли высказывали и представители естественнонаучной компоненты естествознания. Так, Эйнштейн А.А. Эйнштейн отмечал: «Пока математические законы описывают действительность, они не определены, когда они перестают быть неопределенными, они теряют связь с действительностью». Пригожин И.Р.И. Пригожин: «Познание предполагает возможность воздействия мира на нас самих и на наши приборы». Заметим, что ему же принадлежат многие новые идеи, способствующие сближению двух подходов, двух принципиально несовместимых до конца до сих пор парадигм: Биологическая эволюциябиологической эволюции Дарвин Ч.Чарльза Дарвина - от простого к сложному через наследственность и Естественный отборестественный отбор (что с точки зрения физики означает переход от беспорядка (хаоса) к более совершенному, сложному и упорядоченному живому (объекту) и парадигмы Больцман Л.Людвига Больцмана, согласно которой в окружающем нас мире беспорядок возрастает, мера которого (по Больцману - Энтропияэнтропия) возрастает:

S = k×lnW (1.1.2)

Здесь S - энтропия, k - постоянная Больцмана, W - вероятность возможных состояний системы.

Физическую эволюцию Больцмана (1.1.2) связывали с идеей тепловой смерти Вселенной с наступлением равновесия, когда энтропия максимальна. Сейчас удается преодолевать этот парадокс на основе возникающей новой науки синергетики (от греческого слова Sinergetikos - согласованное действие). Синергетика Синергетика - область научных исследований, касающихся процессов Самоорганизациясамоорганизации в открытых системах, коллективного поведения подсистем, связанных с неустойчивостью. Если шире - то согласованное действие, содействие, сотрудничество на основе общих идей. Синергетика опирается на физико-математические методы и является далеко идущим обобщением Дарвинизмдарвинизма. Она по существу становится эволюционным естествознанием в широком смысле этого слова, дополняя детерминизм ньютониановской Парадигмапарадигмы (если заданы начальные условия и есть уравнение, описывающее поведение системы, то можно рассчитать ее развитие) универсальными принципами развития и рождения нового. Такой подход на самом деле меняет постановку проблем и в самой физике: по Пригожину от физики существующей к физике возникающей, от бытия (то, что есть) к становлению (то, что будет!).

Суть этой научной новой парадигмы в том, что акцент переносится со статического положения равновесия на изучение состояний неустойчивости, механизмов возникновения и перестройки структур. Можно заметить, что восточная философия близка к Синергетикасинергетике в отношении гармоничной взаимосвязи целого и его частей. Не останавливаясь здесь более подробно на синергетическом подходе к объяснению эволюции сложных систем, поскольку он рассматривается в главе 1.7, заметим все же, что ключевыми понятиями в нем являются флуктуации и бифуркации. Флуктуация Флуктуацию можно рассматривать как колебание, отклонение от среднего значения величины. А Бифуркация бифуркацию - как некую критическую пороговую точку раздвоения, при которой система находится в двух состояниях одновременно. При попадании системы в точки бифуркации может происходить качественное изменение поведения объекта при критических значениях определяющих этот объект параметров. В области бифуркации флуктуация может скачком гигантски разрастаться и дальнейшее поведение системы становится неопределенным. В таких необратимых термодинамических процессах оказывается, что время тесно связано с этими флуктуациями. Пригожин вводит для таких процессов Понятиепонятие второго, внутреннего времени. В то же время фундаментальным фактом является возрастание в целом Энтропияэнтропии в окружающем мире и вытекающее из этого представление об определенной направленности хода времени. Тогда второе начало (1.1.2) является как бы принципом отбора, вытекающим из законов классической термодинамики. Однако заметим, в неустойчивых динамических системах невозможно задать точные начальные условия, которые привели бы к одинаковому будущему для всех степеней свободы.

Привлекая к обсуждаемым общим проблемам естествознания одну из теорем Гедель К.Геделя о полноте и непротиворечивости, согласно которой «ни одна из культур не самодостаточна и не может развиваться без использования методов другой науки, иначе она перейдет в застывшую догму либо в хаос абсурда», можно сказать, что для гуманитариев изучение естественной науки - это на самом деле реализация физического принципа дополнительности Бора.

Понятие «дополнительности» в физике было введено Н. Бором в 1928 г. в период становления квантовой механики для объяснения экспериментальных результатов исследований микромира. Основоположник этого принципа Бор Н.Н. Бор, отправляясь от решения чисто физических проблем, сразу же понял общность этого принципа и уже в первых своих работах смело перекинул мост от физики к психологии и в целом к теории познания и формирования Образобраза окружающего мира. Именно поэтому принцип дополнительности следует считать одним из важнейших достижений науки, его знание необходимо для понимания очень многих фундаментальных проблем и явлений окружающего мира. С формальной стороны, в физике принцип дополнительности связан с упомянутым уже ранее принципом неопределенности (1.1.1) ∆p, т.е. измерить одновременно с достаточно высокой точностью импульсы и координаты микрочастицы в принципе невозможно. В более общей формулировке этот принцип звучит так: «В области квантовых явлений наиболее общие физические свойства какой-либо системы должны быть выражены с помощью дополняющих друг друга пар независимых переменных, каждая из которых может быть лучше определена только за счет соответствующего уменьшения степени определенности другой». Принцип дополнительности не ограничивается только этими моментами. Например, волновые и корпускулярные проявления света в поведении микрочастиц также являются взаимодополняющими и отражают реально существующий дуализм микромира. После посещения Бор Н.Н. Бором физического факультета МГУ на стенде появилось его высказывание: «Возникающие противоречия есть не противоположности, а дополнения».

Сам Н. Бор считал, что физический аспект принципа дополнительности есть лишь частный случай более общего подхода: пытаясь анализировать наши переживания, мы перестаем их испытывать. В этом смысле мы обнаруживаем, что между психологическими опытами, для описания которых адекватно употреблять такие слова, как «мысли» и «чувства», существует соотношение дополнительности, подобно тому, что существует между данными о поведении атомов. Сам Бор говорил, что и «мышление человека обладает чертами, напоминающими характеристики квантовых явлений». Вспомним слова, вложенные Пушкин А.С.Пушкиным в уста Сальери: «Звуки умертвив, музыку я разъял, как труп. Поверил алгеброй гармонию». Слишком большое увлечение Анализанализом, т.е. одной стороной познания объекта, приводит вообще к потере удовольствия от слушания музыки, от которой остается лишь труп! А вот что писал Чаадаев П.Я.Петр Чаадаев: «В истории есть анализ, но есть и синтез... Без всякого сомнения, наиболее истинным является не то, что она повествует, а то, что она мыслит. В этом смысле поэтические представления могут быть ближе к истине, чем самый добросовестный рассказ» [ссылка на источники литературы]. Другими словами, архивная полка не есть еще «История государства Российского». Можно сказать, что и «Три мушкетера» не есть история Франции. Или еще раз, как говорил Н. Бор, «мы встречаемся здесь с иллюстрацией старой истины, что наша способность анализировать гармонию окружающего мира и широта его восприятия всегда будут находиться во взаимоисключающем, дополнительном соотношении».

Поскольку весь мир состоит из атомов и молекул, то любые особенности микромира не могут тем или иным способом не проявляться в макроэкспериментах. Поэтому идея дополнительности, первоначально сформулированная в физике применительно к микромиру, оказывается плодотворной в других областях знания. С полным основанием Н. Бор говорил, что «идея дополнительности способна охарактеризовать ситуацию, которая имеет далеко идущую Аналогияаналогию с общими трудностями образования человеческих понятий, возникающими из разделения субъекта и объекта». При этом очень часто, как и мы уже отмечали, попытка более детального изучения одной стороны объекта в полной аналогии с соотношением Гейзенберг В.Гейзенберга (∆p) приводит к потере определенности в другой. А в более общей, близкой к гуманитарному подходу формулировке, кстати, данной тоже Бором, принцип дополнительности звучит так: «Дополнительной к истине является ясность». Таким образом, целостный подход с учетом и физической, и гуманитарной ветвей культуры дает возможность более глубоко понять мир, может изменить даже идеологию, выяснить причины потрясений в Обществообществе, столь неустойчивом в бурно меняющемся мире в конце XX века, когда человек часто теряет ориентацию в отсутствие стабильных критериев и ценностей и обоснованного научного объяснения всех происходящих в мире явлений.

Контрольные вопросы к главе 1.1

© Центр дистанционного образования МГУП