ЧАСТЬ 1. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ - СОСТАВНАЯ ЧАСТЬ ОБЩЕЙ КУЛЬТУРЫ

ЧЕЛОВЕЧЕСТВА.

1. ЕСТЕСТВЕННО - НАУЧНАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРЫ

Ученые и специалисты насчитывают более 170 определений понятия культура. Это свидетельствует о универсальности данного явления человеческого общества. Понятием культура обозначают и обычные явления, и сорта растений и умственные качества человека, и образ жизни, и систему положительных ценностей и так далее. В таком контексте все созданное человеком есть культура.

Мы используем одно из определений культуры, которое связано с ее инструментальной трактовкой. Культура - это система средств человеческой деятельности, благодаря которой реализуются действия индивида, групп, человечества в их взаимодействии с природой и между собой. Эти средства создаются людьми , постоянно меняются и совершенствуются.

Принято выделять три типа культуры: материальную, социальную и духовную.

Материальная культура -совокупность средств бытия человека и общества. Она включает разнообразные факторы: орудия труда, технику, благосостояние человека и общества. Социальная культура - это система правил поведения людей в различных видах общения. Она включает этикет, профессиональную, правовую, религиозную и т. д. разновидности деятельности человека. Более подробно содержательная часть первой и второй культур изучается в других дисциплинах. Духовная культура - это составная часть культурных достижений человечества.

Основные виды духовной культуры - мораль, право, мировоззрение, идеология, искусство, наука и т.д. Каждый из этих видов духовной культуры состоит из относительно самостоятельных частей. Эти части взаимосвязаны и относятся к духовной культуре человечества.

Под наукой в настоящее время понимают ту сферу человеческой деятельности, функция которой - выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности. Система наук условно делится на естественные, общественные и технические науки.

В науке принято выделять систему знаний о природе - естествознание, которое является предметом естественнонаучной культуры и систему знаний о позитивно значимых ценностях бытия индивида, групп , государства, человечества - гуманитарные науки или гуманитарную культуру. До того, как наука оформилась в самостоятельную часть культуры человечества, знания о природе и ценностях общественной жизни входили в иные состояния духовной культуры : практический опыт, мудрость, народная медицина, натурфилософия и т.д.

Взаимосвязь естественнонаучной и гуманитарной культур заключается в следующем: n они имеют единую основу, выраженную в потребностях и интересах человека и человечества, в создании оптимальных условий для самосохранения и самосовершенствования; n осуществляют взаимообмен достигнутыми результатами; n взаимно координируют в процессе развития человечества; n являются самостоятельными ветвями единой системы знаний науки и духовной культуры в целом.

Мы являемся свидетелями того, как социологи, юристы, экономисты, менеджеры и другие специалисты - гуманитарии начинают применять в своей работе системный подход, идеи и методы кибернетики и теории информации, знание фундаментальных законов естествознания и в частности физики.

Поясним вышесказанное примерами из практики. Юрист разбирает дело о столкновении судов. Конечно, ему нужно знать законы, приняты в мировой практике судовождения. Но, с другой стороны, если он не знает, что такое масса, радиус поворота, скорость, ускорение и т. д. , он не сможет реально применить свои профессиональные знания.

Социолог изучает общественное мнение путем опроса. Но как он сможет оценить степень достоверности результатов, если не имеет представление о теории вероятности и теории погрешностей. Без знания этих разделов естественных наук, результаты его предсказаний не будут представлять практической ценности.

Менеджер рекламирует изделие какого - то предприятия.

Хорошо известно, что на выставках или просмотрах первые вопросы всегда касаются технических сторон изделия. Конечно, полностью ответить на такие вопросы может только специалист, имеющий хорошую фундаментальную естественнонаучную подготовку.

Однако разбираться в этих вопросах должен и менеджер.

Существует и другая сторона рассматриваемого вопроса.

Наука часто обвиняется в тех грехах, в которых повинна не столько она сама, сколько та система институтов, в рамках которой она функционирует и развивается. В настоящее время очевидно, что развитие науки может приводить к отрицательным последствиям влияющем на все человечество в целом. Актуальным становится вопрос о социальной ответственности всех людей, а не только ученых за возможность использования из открытий и достижений. В настоящее время сформировалась направление, называемое этикой науки, дисциплине, изучающей нравственные основы научной деятельности.

В качестве примера можно привести пример из истории второй мировой войны. Р.Оппенгеймера называют отцом атомной бомбы. Он являлся координатором и руководителем проекта создания атомной бомбы. Она была создана и испытана сначала в Неваде, а потом и в Хиросиме и Нагасаке. Позднее Оппенгеймер, осознавая тяжесть ответственности, ушел из проекта и стал заниматься деятельностью, направленной на предотвращение использования атомных бомб.

Вышесказанное утверждает нас в мысли, что представляется весьма важным познакомится с основными концепциями естествознания. Это необходимо для того, чтобы: во первых, сознательно применять их в своей деятельности, во вторых, чтобы получить более ясное и точное представление о современной научной картине мира, которую дает естествознание.

Необходимость применения естественно научных методов и законов в практической деятельности гуманитарных специальностей и привело к постановке того курса, который мы будем изучать: Физика для гуманитариев.

Курс состоит из нескольких частей. В первой части мы рассмотрим основы естественнонаучного метода познания, математический аппарат естествознания, виды материи , т.е. общие для всех разделов естествознания вопросы.

Во второй части , самой большой по объему, мы изучим раздел под общей темой: Физика для гуманитариев. Он состоит из трех частей: физики необходимого, физики непрерывного и физики возможного.

В третьей части мы рассмотрим концепции самоорганизации материи.

2. НАУЧНЫЙ МЕТОД ПОЗНАНИЯ. ОПЫТ, ГИПОТЕЗА, ЗАКОН,

ТЕОРИЯ.

Что такое научный метод познания? На чем он базируется?

Что лежит в его основе и чем он отличается от других методов познания?

Способ получить частичные ответы на вопросы придуман несколько сотен лет назад. Наблюдение, размышление и опыт составляют так называемый научный метод познания, который и позволяет давать ответы на многие интересующие нас вопросы.

Основой научного метода является опыт - пробный камень всех наших знаний. Опыт, эксперимент - это единственный судья научной истины.

Проводя наблюдения каких-либо природных явлений, невозможно охватить все процессы, с этими явлениями связанные.

Поэтому нужно отбросить все второстепенные факты и выделить основные, т.е. суть явления. Этот процесс называется абстрагированием или построением модели явления. В размышлениях создается основа наблюдаемого явления, его модель. Что является существенным для данного явления, а что несущественным, вопрос неоднозначный и сложный. Не всегда он решается сразу, на первых этапах наблюдения и размышления. На этом этапе нельзя, как говорится в старой поговорке,

“выплеснуть младенца из купели вместе с водой”.

В создаваемой модели должны быть учтены главные характеристики и основные параметры изучаемого явления.

Построенная модель должна не только верно описывать наблюдаемое это явление, но и хорошо прогнозировать его развитие в новых условиях. Предсказания теории проверяются экспериментом или опытом - важнейшей частью научного метода познания.

С самого начала необходимо договорится, что подразумеваться под тем или иным термином. В понятие “опыт” будем вкладывать смысл наблюдения за явлением при контролируемых условиях, т.е. наблюдения с возможностью контролировать, воспроизводить и изменять желаемым образом внешние условия. Существенна возможность создавать как обычные, так и искусственные (т.е. в природе не встречающиеся) условия. Физика, химия, биология и ряд других наук называются естественными именно потому, что в их основе лежит опыт.

Для объяснения экспериментальных фактов привлекаются гипотезы. Гипотеза - это предположение, позволяющее объяснить и количественно описать наблюдаемое явление. Описать что-либо количественно можно лишь на языке математики.

Между явлениями природы существуют устойчивые, повторяющиеся связи - проявления законов природы. Качественная формулировка законов может быть иногда дана без привлечения математического аппарата. Законы, записанные на языке формул позволяют перейти к более высокой ступени познания. Эту ступень называют теорией. Т.е. при определенных условиях выдвинутая гипотеза может перейти в теорию, в основе которой лежат законы. Теория дает представление о закономерностях и существенных связях в определенной области.

Законы естественных наук устанавливают количественные соотношения между наблюдаемыми явлениями, т.е. имеют математическую формулировку. Не всегда эта формулировка бывает явной. Например, всем привычна следующая, казалось бы, качественная формулировка первого закона Ньютона: “Существуют такие системы отсчета, которых тело сохраняет состояние покоя или прямолинейного равномерного движения, если на него не действуют другие тела, или действие других тел взаимно компенсируется”. Но строго сформулировать, что такое прямолинейное равномерное движение, можно лишь на языке математических формул. Т.е. даже качественная формулировка закона подразумевает введение количественных понятий.

Естествознание, изучающее количественные (т.е. точные) соотношения природных явлений, относится к точным наукам.

Понятие “точное” требует комментариев. Точные науки, как правило оперируют не с абсолютно точными, а с приближенными величинами. При количественном описании любого наблюдаемого явления всегда оговаривают, с какой степенью точности имеют дело, т.е. приводят погрешности измеряемых величин.

Когда гипотеза перерастает в теорию, т. е. в форму научных знаний, дающих целостное представление о закономерностях и существенных связях определенной области действительности?

Какой путь она должна пройти? Ответ на этот вопрос частично дан. Гипотезы должны быть проверены фактами, опытами, здравым смыслом. В своей области они должны объяснять всю совокупность имеющихся явлений. Но этого мало. Для того, чтобы стать теорией, гипотеза должна сформулировать количественные отношения между наблюдаемыми явлениями. Фактически это означает формулировку законов. Непременным условием превращения гипотезы в теорию является предсказание новых, до сих пор не наблюдавшихся и из известных теорий не следующих, явлений, и подтверждение этих предсказаний в специально поставленных экспериментах.

Переход гипотезы в теорию зачастую не обходится без драм.

Классическими являются примеры Николая Коперника (1473-1543) и Джордано Бруно (1548-1600). Н.Коперник выдвинул гипотезу о гелиоцентрической системе мира, в которой планеты вращаются вокруг Солнца по орбитам. Эта гипотеза позволяла достаточно точно и просто описывать и предсказывать наблюдаемые движения планет. Однако сам Коперник не утверждал, что наша система и есть гелиоцентрическая. Для него модель гелиоцентрической системы мира нужна была только для более удобного описания движения планет. Гелиоцентрическая система противоречила

Библии, в которой говорилось, что Иисус Навин остановил вращение Солнца вокруг Земли. Развивая гелиоцентрическую космологию, Бруно выдвинул идею множественности миров во

Вселенной, центрами которых являются звезды. Д. Бруно утвердил мысль о том, что гелиоцентрическая система не является гипотезой Коперника, а космологической теорией, опирающейся на факт движения планет вокруг Солнца. И именно поэтому был обвинен в ереси и сожжен в 1600 году на Площади Роз в Риме.

Естественнонаучная теория дает объяснение целой области явлений в природе с единой точки зрения. Квинтэссенцией теории являются законы, устанавливающие количественные связи, соотношения между различными наблюдаемыми в опыте величинами.

Нужно различать законы природы и законы науки. Первые проявляются в особенностях протекания природных явлений и процессов и во взаимосвязи некоторых величин. Они неизменны и всегда выполняются. Научные законы - это попытка описать законы природы на языке математических формул и точных формулировок. В дальнейшем речь будет идти только о них.

Научные законы не точны и не постоянны. На определенных этапах развития науки возникает необходимость уточнения наблюдаемых в опыте явлений и пересмотра законов или границ их применимости.

Постоянная проверка опытных фактов на базе новых экспериментальных методик, позволяющих увеличить точность проведения эксперимента, необходима всегда на любом уровне знаний. Расхождение экспериментальных данных и существующих законов позволяет выдвигать новые гипотезы и строить новые теории.

3. МАТЕРИЯ И ФОРМЫ ЕЕ СУЩЕСТВОВАНИЯ.

В основе всех естественнонаучных дисциплин лежит понятие материи, законы движения и изменения которой изучаются. В зависимости от того, как мы определим это понятие, мы и будем рассматривать проявление различных теорий. Для понимания естественнонаучных теорий, в частности концепций современной физики, приемлемым является определение, данное В.И. Лениным в монографии “Материализм и эмпириокритицизм”. “Материя - есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существует независимо от них. Материя - это основа (субстанция, субстрат) всех реально существующих в мире свойств, связей и форм движения, бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем”.

В этом определении есть два основных момента. Во-первых, материя существует объективно, независимо от нас, от чьего-то субъективного сознания или ощущения. Во-вторых, материя копируется, отображается нашими ощущениями и, следовательно, познаваема. Мы здесь исходим из материалистического единства мира из первичности материи.

Материя несотворима и неуничтожаемая. Она бесконечна.

Неотъемлемым атрибутом материи является ее движение, как форма существования материи, ее важнейший атрибут. Движение в самом общем виде - это всякое изменение вообще. Движение материи абсолютно, тогда как всякий покой относителен. Понять эту мысль проще всего при рассмотрении простейших видов движения.

Например, тело покоится относительно Земли, но относительно

Солнца оно движется.

Формами существования материи являются пространство и время. Материя неотъемлема от них. Современная наука оперирует такими структурными уровнями, как элементарные частицы и поля, атомы и молекулы, макроскопические тела, геологические системы, планеты и звезды, галактики и метагалактики; совокупности организмов, способных к воспроизводству и, наконец, общество. Мы будем изучать только первые структурные уровни- поля и частицы, макроскопические тела.

Различают ряд основных форм движения материи: механическую, физическую (включая тепловую, гравитационную, ядерную и т.д.), химическую, биологическую, общественную.

Высшие формы движения включают в себя более низшие, но не сводятся только к ним. Так, ядерные процессы невозможно описать только формулами классической механики.

В настоящем курсе будут рассмотрены лишь простые формы движения материи - механическая, физическая и химическая. Для описания материи и ее движения необходимо ввести количественные меры этих величин исходя из поставленных задач. Масса является количественной мерой материи и вводится как для микро- и макрообъектов, так и для полей. Одной из количественных мер движения материи является энергия. Она имеет много форм: механическая, тепловая, ядерная, химическая и т.д. Поскольку материя не существует без движения, а движение без материи между количественными характеристиками меры и движения материи должна существовать связь. Эта связь была установлена в начале нашего века А. Эйнштейном (1879-

1955) в работах по теории относительности.

Мы будем рассматривать два вида материи - вещество и поле.

К первому отнесем элементарные частицы, атомы, молекулы, все построенные из них макросистемы. Ко второму отнесем особую форму материи, физическую систему с бесконечным числом степеней свободы. Примерами физических полей могут служить электромагнитные и гравитационные поля, поля ядерных сил, а также волновые поля.

4. ПОСТУЛАТИВНОСТЬ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОВ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ,

ГРАНИЦЫ ИХ ПРИМЕНИМОСТИ.

Для описания поведения простых и сложных систем нужно установить “правила игры”, т.е. законы которым подчиняются те или иные вид движения материи. В некоторых науках, которые не относятся к естественным, например геометрия, поступают следующим образом. Сначала формулируются аксиомы, а потом из них делаются выводы (теоремы). Логика построения естественных наук другая, нельзя сразу ввести законы и смотреть, что из них следует. Так поступить нельзя, поскольку исследователю неизвестны все законы естествознания. Одной из задач является именно их установление и формулирование. Но, ответив на каждый вопрос, исследователь неизбежно ставит несколько новых. Чем больше познается, тем шире становятся границы непознанного.

Установленные на определенном этапе развития науки законы, всегда являются приближенными. По мере накопления знаний, новых экспериментальных фактов, явлений и увеличения точности измерений появляются данные, не укладывающиеся в рамки имеющихся законов и эти законы пересматриваются.

Есть и другая сторона этого вопроса. Для точной формулировки законов естествознания, в особенности физики, требуются новые определения и понятия, знание специальных разделов математики. Исааку Ньютону (1643-1727) для описания законов механики потребовалось создать совершенно новые для своего времени разделы высшей математики: дифференциальное и интегральное исчисление. Физики часто сталкивались с ситуацией, когда имевшегося математического аппарата оказывалось недостаточно для получения количественных формулировок полученного закона и требовалось создавать специальный математически аппарат. Пример с Ньютоном и

Лейбницем и созданием дифференциального и интегрального исчисления является классическим.

В этом разделе мы рассмотрим самые общие представления о том, как устанавливаются законы естествознания, как они применяются и чем они ограничены. Уже говорилось, что опыт - единственный судья истины. Законы естествознания постулируются на основании наблюдаемых опытных фактов. Сначала идет процесс накопления знаний в определенной области. Эти результаты анализируются и делается некоторое предположение. Это предположение не выводится из других законов. Оно возникает само по себе на основании опыта. Сделанное умозаключение, сформулированное в виде математической формулы, становится частью гипотезы. Если последующие опыты подтверждают правильность этого предположения, оно становится законом.

Проиллюстрируем сказанное несколькими примерами. Закон всемирного тяготения, был открыт И. Ньютоном не потому, что, как любят писать в популярной литературе, ему “упало на голову яблоко”.. Закон родился в результате анализа трех законов движения планет И. Кеплера (1571-1630). Законы Кеплера позволяли рассчитывать с высокой точностью движения планет.

Ньютон показал, что эти законы могут быть получены на основании одного закона - закона всемирного тяготения:

, где G(-(константа, m1 и m2(-(массы тел, r(-

(расстояние между ними.

Анализируя опыты, Ш.О. Кулон в 1785 году сформулировал закон взаимодействия зарядов, позже названный его именем:

,

где q1 и q2 - заряды, r - расстояние между ними; константа определяется выбором системы единиц. До Кулона этот закон ни в каком виде не формулировался.

Уже отмечалось, что все научные законы всегда приближенные. Почему же сразу не удается открыть “правильный закон”? Почему всегда приходится начинать с каких-то приближений? Во-первых, для “точной” формулировки закона зачастую бывает еще не готов соответствующий математический аппарат, а, во-вторых, экспериментальные данные всегда бывают недостаточно точны. Точность измерений определяется с одной стороны нашими приборами, а с другой стороны - некоторыми фундаментальными запретами, связанными с природой явления.

Существует, например, соотношение неопределенностей

Гейзенберга, которое ограничивает точность одновременного измерения импульса и координаты частицы.

Приведем пример. Реально мы можем измерить массу волчка с точностью до долей микрограмма. Измеряя массу покоящегося и вращающегося волчка мы всегда будем получать один результат.

Отсюда, казалось бы, можно было вывести закон, что масса тела постоянна и не зависит от его скорости. Но оказывается масса от скорости зависит когда скорости становятся сравнимыми с скоростью света.

Сказанное приводит нас к выводу, что законы и теории не абсолютны. Они развиваются по мере накопления знаний.

Фундаментальные законы естествознания описывают огромное количество явлений в разных областях. И все они подчиняются некоторым общим правилам. Рассмотрим их.

Во первых, законы сами по себе не меняются. Именно поэтому они и называются фундаментальными. Иначе никакая наука не могла бы развиваться. Но, надо помнить о том, что закон написан для определенной области явлений.

Всякий раз, когда с определенной степенью точности подтверждается какой-либо закон, можно утверждать, что закон окончателен и ни какой результат его не опровергнет в той области, для которой он написан. Однако может так случится, что появление новых экспериментальных данных или теорий приведет к тому, что закон окажется приближенным. Иначе говоря, увеличение точности измерений может обнаружить неточность даже самых незыблемых законов.

Нильс Бор (1885-1962) анализируя положения квантовой механики сформулировал ”Принцип соответствия” новой и старой теорий. Этот принцип применим к любым теориям в естествознании. Сущность его заключается в том, что всякая новая теория должна содержать в себе старую как частный случай, к которому она сводится при определенных условиях.

Проще всего принцип соответствия проиллюстрировать примером из классической механики и механики теории относительности. Созданная А.Эйнштейном специальная теория относительности содержит в себе классическую механику Ньютона, в которую она переходит при скоростях движения V, малых по сравнению, с скоростью света -C. Математически это записывается как VS. При измерении i события (i принадлежит множеству s, 1