Лекция: Билет № 7 Принципы организации современного естезствознания
В наше время стало модой говорить о законах природы и общества. Применительно к природе это, строго говоря, неверно. Природа не знает законов. Это мы придумываем их, пытаясь хотя бы как-то систематизировать происходящее. Термин “закон природы” следует понимать в том смысле, что природные явления повторяемы и, следовательно, предсказуемы. Как бы-то ни было, повторяемость природных явлений дает возможность науке формулировать законы, которые принято называть законами природы. В их исследовании человечество руководствуется некоторыми чрезвычайно общими принципами, облегчающими процесс изучения природных явлений.
Один из наиболее общих естественнонаучных принципов –принцип причинности, утверждающий, что одно природное явление порождает другое, являясь его причиной.
Существование цепочки причинно-следственных связей позволяет иногда сделать выводы общего характера. Так, опираясь только на непрерывность цепочки причин и следствий, немецкий судовой врач Роберт Майер сумел сформулировать закон сохранения и превращения энергии, являющийся фундаментальным законом современного естествознания.
Обратите внимание на то, что вопрос “почему”, строго говоря, неправомерен. Мы не знаем и, по-видимому, никогда не узнаем конечной причины ни одного природного явления. Правильнее было бы спрашивать “как”. Какой закономерностью описывается данное явление?
Наука в своем развитии работает над выявлением все более и более глубоких причин природных явлений. Этот процесс дает теологам основание утверждать, что в конечном итоге научный процесс должен привести к определению конечной причины, т. е. Бога, и в этом пункте наука и религия сольются.
Другим общим принципом является принцип Кюри. Он назван по имени того самого Пьера Кюри, который вместе со своей женой Марией Склодовской — Кюри открыл химический элемент радий. Кроме этого Пьер Кюри за свою недолгую жизнь сделал еще довольно много научных открытий. По-видимому, важнейшим из них является принцип Кюри.
Представьте себе некоторое качество А. Например, электрический заряд или, скажем, рыжий цвет волос, или еще какое-нибудь качество. Вряд ли оно будет равномерно распределено в пространстве. Вероятнее всего в пространстве будет существовать градиент (Градиентом скалярной функции называют вектор, направленный в сторону скорейшего возрастания этой функции. Величина градиента равна производной от этой функции, взятой по направлению ее скорейшего возрастания) этого качества.
Принцип Кюри утверждает, что если существует градиент некоторого качества А, то неизбежно возникнет перенос этого качества в сторону его недостачи, причем поток качества А, т. е. его количество, переносимое через единичную площадку в единицу времени, пропорционален величине этого градиента.
Представьте себе пространственное распределение товара под названием лавровый лист в нашей стране. Максимум его приходится, конечно же, на субтропические зоны Кавказа, а минимум его, что вполне естественно, приходится на районы Крайнего Севера. Налицо градиент лаврового листа. Согласно принципу Кюри существование такого градиента приведет к возникновению переноса лаврового листа с районов Кавказа на Север.
Существует огромное число эмпирических законов из области физической и химической кинетики от закона Ома и до классического уравнения диффузии, являющихся следствиями принципа Кюри. Мне кажется, что экономистам следует очень внимательно отнестись к этому принципу. Ясное его понимание позволит избежать массы ошибок.
Чрезвычайно продуктивным в научном отношении является уже упоминавшийся ранее принцип двойственности (дополнительности). Он основан на двойственной природе познания. Вы, наверное, уже обратили внимание на существование парных понятий, совместно определяющих взаимоисключающие стороны целого. Выделение таких частей является существенной частью процесса познания.
Описывая что бы то ни было, мы прибегаем к абстракции — выделению сторон изучаемого, важных в данном отношении. Несущественные стороны обычно опускаются из рассмотрения. В дальнейшем, если выбранная абстракция оказывается плодотворной, она замещает исходное представление об изучаемом явлении. При этом отброшенные стороны явления опускаются из рассмотрения, даже если они являются весьма существенными.
Принцип двойственности
Принцип двойственности предписывает нам при описании чего бы то ни было одновременно рассматривать две взаимоисключающие стороны. В зависимости от обстоятельств более существенной может оказаться одна из них. В других обстоятельствах важнее окажется другая. Если, пытаясь решить какую-нибудь задачу, вы встретились с непреодолимыми трудностями — попробуйте подход, основанный на альтернативных представлениях. Весьма вероятно, что он окажется удачным.
Кто из вас скажет, что такое свет? В школе вам объясняли, что это электромагнитная волна. Это представление принято в классической парадигме и в общем неплохо описывает свойство света. Однако, как вы знаете, свет состоит из отдельных частиц — фотонов. Без этого представления невозможно объяснить фотоэффект, эффект Комптона и многое другое. Так что же такое свет — это волна или поток частиц? При изучении свойств света допустима и та и другая абстракция. Согласно принципу двойственности избежать ошибок в описании возможно, проводя и то и другое описание параллельно
Принцип суперпозиции
Принцип суперпозиции утверждает, что результат воздействия на материальную систему двух факторов может быть представлен в виде суперпозиции (наложения) воздействия каждого из этих факторов, действующих независимо друг от друга. В этом принципе неявно предполагается, что при наложении факторы не возмущают друг друга. Принцип обладает меньшей степенью общности, чем принцип Кюри. Однако во многих случаях оказывается весьма полезным.
Принцип симметрии
Принцип симметрии основан на изначальных представлениях об однородности и изотропности пространства. Предполагает инвариантность природных процессов к преобразованиям симметрии. Основываясь на принципе симметрии, Эмми Нетер показала, что основополагающие физические законы сохранения энергии и импульса (количества движения) являются следствием однородности и изотропности пространства.
Принцип симметрии использует интуитивное представление о полном равноправии правого и левого. Тем более удивительной должна показаться вам “левая” ориентированность живой природы. Вам, по-видимому, известно, что молекулы многих природных соединений закручены наподобие пружины. Такую закрученную структуру имеет, например, сахар или входящий в ваши организмы холестерин. Спиральную структуру имеют многие ферменты растительного и животного происхождения. Если получать такие соединения путем химического синтеза, то в полном соответствии с принципом симметрии получается примерно одинаковое количество молекул, закрученных по правой и по левой спирали. Так вот, все живое на нашей планете состоит из молекул, закрученных по левой спирали. Обратите внимание, что и сердце у вас смещено влево, а не вправо. Почему это так, науке еще предстоит выяснить. Пока же отметим, что принцип симметрии, сколь бы соблазнительно очевидным он ни выглядел, является весьма и весьма ограниченным.
Еще более ограниченным, хотя от того и не менее плодотворным является принцип подобия. Согласно этому принципу после известного преобразования уравнения, описывающие подобные системы, оказываются одинаковыми.
Возьмем, к примеру, так называемые малые колебания. Оказывается, что после некоторых математических преобразований колебание груза, подвешенного на ниточке, и электрического тока в колебательном контуре могут быть описаны одним и тем же уравнением. Принцип подобия удается применить, увы, не всегда. Однако, если в процессе своей практической деятельности вы сумели обнаружить подобие между какими-то группами явлений, — считайте, что успех вам обеспечен.
Принцип относительности
Согласно принципу относительности не существует абсолютного движения. А следовательно, не существует и абсолютного пространства, абсолютного времени и т. п. Этот принцип подразумевает, что протекание природных процессов не зависит от того, какую точку зрения занимает наблюдатель, их описывающий. Был выдвинут Альбертом Эйнштейном в качестве одной из основ частной теории относительности. Оспаривался многими учеными. В настоящее время прочно вошел в инертное ядро современной научной парадигмы.
Прямым следствием принципа относительности является принцип инвариантности законов природы к преобразованиям системы отсчета, в которой они были сформулированы. Принцип инвариантности утверждает, что вид основных уравнений, описывающих природные явления, не зависит от преобразования координат и времени, входящих в эти уравнения.
Билет № 8 Основные понятия современного естествознания
1. Понятие материи, энергии, энтропии, информации, системы.
2. Принципы построения и организации современного научного знания.
· Системность
· Глобальный эволюционизм
· Самоорганизация
· Историчность
Итак, зародившись около 2,5 тысяч лет назад в Древней Греции, благодаря появлению и развитию логики Аристотеля, укрепив свои ряды в XVII веке экспериментально-математическими методами, наука в XX столетии преобразует мир с непостижимой скоростью. Только число различных наук к настоящему времени достигло 15000, один человек из тысячи принадлежит к сообществу ученых. Специалисты в области молекулярной биологии занимаются вопросами происхождения и родства организмов, с использованием разных методов: изучение структуры белка или рибосомальной РНК. Встретившись на симпозиуме, они могут не понять друг друга, да и симпозиумы проводятся раздельно. Что же можно ждать от физика и биолога? Удел одного — ускорители и телескопы, другого — сачки и чашки Петри? Есть ли общие понятия, на языке которых они могут понимать друг друга?
Как уже говорилось выше, естествознание, это система наук о природе. Несмотря на то, что мы будем обсуждать в основном живую биоту, без понимания основ нам не обойтись, как и не показать границы, где действуют законы живого. К базовым понятиям естествознания относятся — материя, энергия, энтропия и информация. Использование системного подхода в естествознании, требует введение и понятия системы.
Остановимся коротко на каждом из них.
·Понятие материи, энергии, энтропии, информации, системы.
Материя. Философское понятие: “материя — объективная реальность”. Естественные науки изучают различные формы движения материи. По современным взглядам, материя есть совокупность квантованных полей, кванты* которых есть элементарные частицы. Вакуум — это одно из состояний квантованного поля, когда не возбуждено ни одной частицы. Состояние квантовой системы, в которой имеется несколько частиц, аналогично арфе, в которой звучат несколько струн. Вакуум — это молчащая арфа.
Вещество во Вселенной образует скопления нескольких размерных уровней элементарные частицы, атомы, молекулы, вещественные частицы и тела различного масштаба. Каждый из них включает предыдущие, но все они конечны в пространстве.
Опираясь на принцип системности (мы остановимся на нем несколько позже) рассмотрим последовательность условий, характеризующих различные состояния материи, так называемую квантовую лестницу В. Вайскопфа (1977). Квантовая лестница позволяет раскрывать структуру Вселенной шаг за шагом. При исследовании явлений на уровне атома, по словам В.Вайскопфа, нас не должна беспокоить внутренняя структура ядер; когда же мы изучаем механику газов, для нас не имеет значение внутренняя структура атомов. Пока энергия системы позволяет абстрагироваться от внутренних свойств отдельных элементов, мы будем рассматривать последние, как инертные объекты. Рассмотрим лестницу В.Вайскопфа в соответствии с энергией, эквивалентной температуре по Кельвину.
· 1015К0 — при столкновениях протонов с антипротонами рождаются кварки* — глюонные струи*, состоящие из большого числа элементарных частиц.
· 1013К0 — 1012К0 — кварки группируются в нуклоны* — протоны и нейтроны. Система обладает очень небольшим количеством специфических свойств. ***
· 109К0 — ядра. Протоны и нейтроны группируются в ядра. Существует много возможных типов атомных ядер: ядра всех известных химических элементов и их изотопов.
· 105К0 — атомы. Электроны попадают в упорядоченные квантовые состояния, локализованные вокруг атомных ядер. Появляются атомы с их специфическими свойствами.
· 103К0 — молекулы. Атомы образуют простые молекулы.
· 102К0 — 10 К0 — макромолекулы. Молекулы большинства видов группируются в жидкости и кристаллы, тем самым увеличивая разнообразие возможных состояний вещества. В этой области образуются гигантские цепеобразные молекулы и живые организмы. Вследствие большой длины макромолекул число возможных квантовых состояний неизмеримо больше, чем в случае простых атомов или молекул, а их конфигурация гораздо сложнее. Это отражается в великом разнообразии живых существ. Для существования живой материи требуется температура достаточно низкая, чтобы могло происходить образование макромолекул, но в то же время и достаточно высокая, чтобы обеспечить жизненные процессы необходимой энергией.
· 0 К0 — кристаллы. Жизнь замрет. Вся материя образует большой кристалл, в котором множество разнообразных существующих форм будет сохранено, но заморожено в неактивном состоянии, в состоянии ярко выраженной специфичности, но без какого-либо изменения или движения. Стадия смерти.
***- первые две ступени лестницы Вайпскофа изменены в соответствии с современными представлениями.
Энергия — общая мера различных форм движения материи в системе. Запасенная системой внешняя (полученная из вне) энергия, может быть превращена в механическую энергию. Часть теряемой внутренней энергии способна превращаться в немеханические формы и составляет свободную энергию системы. За счет свободной энергии система может совершать работу. Еще часть выделяется в виде тепла, рассеиваемого в окружающем пространстве и не может быть превращена. Эта связанная энергия, характеризуется энтропией — мерой рассеяния, хаоса.
H =pV +F * S
H — полная энергия системы,
pV — запасенная внешняя энергия,
F — свободная энергия
S — энтропия
Энтропия — мера беспорядка системы
Сам термин энтропия был введен Р.Ю.Э.Клаузиусом не многим более 100 лет назад. Эта физическая величина связана с энергией системы (существует образное выражение, что если энергия — это царица природы, то энтропия — ее тень). Все на Земле возникает и развивается благодаря энергии, все умирает и разрушается с ростом энтропии. Энергия — источник и мера движения материи и действия сил, энтропия — мера их постепенного угасания.
Из всех известных величин энтропия — единственная физическая величина, которая однозначно изменяется со временем — возрастает в закрытых системах. По сути, это и есть второй закон термодинамики. Первое начало термодинамики знают все — это закон сохранения энергии, кроме немногочисленных теперь изобретателей вечного двигателя. Да и те сейчас — компетенция скорее клиники, чем физики. Иное дело — второе начало. Открытие второго начала связано с анализом работы тепловых машин и в первой формулировке Р.Ю.Э.Клаузиуса он звучал в следующей форме: "Переход теплоты от более холодного тела к более теплому, не может иметь место без компенсации". На более формализованном современном языке общей теории систем его можно выразить так: Все процессы в природе протекают в сторону увеличения вероятности состояния, в сторону увеличения энтропии. Она может только увеличиваться в закрытых системах, как время может идти только вперед.
Как заметил известный биохимик — писатель фантаст Айзек Азимов: «Первое начало гласит, что в игре с природой нельзя выиграть, а второе, что нельзя остаться и при своих.» Второй принцип термодинамики есть смертный приговор: он грубо и безжалостно применяется в неживой природе, в мире, который уже заранее мертв. Жизнь, структуры которой отличаются значительной упорядоченностью, на время отменяет этот приговор, объявленный без срока исполнения. Может показаться, что Вселенная, после взрыва — увеличивает энтропию, а человек и живая биота — уменьшает (увеличивая информацию). В то же время это не совсем так. Все организмы в течение жизни поддерживают энтропию своих тел на низком уровне, ценой повышения энтропии окружающей среды и победа в борьбе за существование достается тем видам, которые наиболее эффективно осуществляют этот процесс. Действительно, чем сложнее устроен организм, тем меньше его зависимость от окружающей среды, тем меньше его собственная энтропия.
Во времени, с эволюцией живых организмов реализуется эмпирический принцип. Принцип минимума диссипации энергии: "Если допустимо не единственное состояние системы, а целая совокупность, то реализуется то ее состояние, которому отвечает минимальное рассеяние энергии, или, что тоже самое — минимальный рост энтропии." (Моисеев, 1987).Этот принцип — не теоретические выкладки, а некоторое “эмпирическое обобщение”. Можно с ним не соглашаться, но он есть, как есть аксиомы, лежащие в основании геометрии Евклида, по сути — те же эмпирические обобщения, очевидные для нас, мы выросли на них, а вот в Древней Греции о них вели споры. Иначе зачем было Платону писать на вратах своей Академии: "Не геометр, да не войдет".
Информация — определенность, предсказуемость состояний и отношений системы (в широком значении).
Информацию можно также определить как эквивалент упорядоченности системы, т.е. отрицательной энтропии (или негэнтропии). Представим себе газ при температуре, приближающейся к абсолютному нулю. Он превратился в твердое вещество, все движение молекул прекратилось, и можно определить положение каждой из них. Следовательно, в этом состоянии мы имеем о газе максимальную информацию. Энтропия же при этой температуре приближается к нулю. Получается простая связь — информация достигает максимума, когда энтропия имеет минимум. Наоборот, при очень высокой температуре положение хаотично движущихся молекул совершенно неопределенно, о них нельзя получить никакой информации, кроме того, что они движутся.
Наименее информативными оказываются системы с предельно симметричными элементами (сферическими, тетрагональными, кубическими ...). Так организованы неживые и живые кристаллы. Наибольшая же сложность при плотной упаковке наблюдается в системах с ассиметричными, разнородными элементами.
Система. Прежде всего, говоря о системе, мы говорим о методе познания действительности, о том, на чем основываются системный анализ и системный подход. Исходный смысл термина система: " целое — составленное из частей." Или же более полно: "упорядоченное определенным образом множество элементов, взаимосвязанных между собой и образующих некоторое целостное единство". В контексте излагаемых представлений о сущности жизни система понимается как некоторая целостность, составные части которой прямо или косвенно определяют состояние друг друга. Очень важно понять, что мы не можем назвать системой, выделив что-либо наугад. Что же означает представить какой-либо объект в виде объекта-системы. Необходимо выполнить три правила:
1. Указать строящие его «первичные элементы», рассматриваемые как «неделимые» на данном фиксированном уровне анализа.
2. Определить связи между элементами.
3. Определить законы композиции — условия, подчиняясь которым связи реализуются, а элементы объединяются в целостность.
В нашем курсе мы коснемся только самых узловых моментов в описании различных типов систем, исключительно с целью локализации живых систем с позиций общей теории систем.
А) Системы могут состоять из однородных и разнородных элементов.
Б) Системы могут быть открытыми и закрытыми.
Для первых характерен обмен материей и энергией с окружающей средой, в том числе и с другими системами, а во второй такой обмен исключен. Закрытых систем в реальности практически не существует, это определенный прием идеализации для решения исследовательских задач, к примеру, в области механики, законы которой приложимы именно к этому типу систем.
В) Системы могут характеризоваться равновесными и неравновесными состояниями.