Концепции современного естествознания. Шпаргалки

15. Критерии научного познания

Не всякий существующий факт может оказаться научным фактом. Для части людей признанными являются недостоверные, то есть ненаучные факты. Их признание чревато для общества тем, что наука оказывается мишенью для насмешек, а на первый план выходят общественные суеверия, мистика и религия, которые благодаря непросвещенности и равнодушию к настоящим проблемам науки становятся для людей неоспоримыми истинами.

Каждый переломный этап в развитии общества выражается этим интересом к ненаучному знанию, затуманивающему ясную и объективно достоверную картину мира. Некоторые плохо объяснимые факты тоже помогают появлению их ненаучного объяснения (например, при выявлении свойств микромира всерьез заговорили о воле Бога, управляющего движением электронов; особенности поведения сверхмалых частиц заставили усомниться в правильности закона сохранения энергии и т. п.), но как только появляется научная теория, учитывающая и способная объяснить новые факты без обращения к мистике или религии, они ложатся в научную схему и расширяют и дополняют научное знание.

Критериями научного познания является возможность экспериментальной проверки теоретических положений и теоретического обоснования экспериментальных фактов, причем эксперименты не должны нарушать ни единого теоретического момента, а теории должны опираться на весь базовый комплекс научного знания.

Научные факты должны укладываться в существующие в данной науке старые теории и не иметь с ними кардинальных противоречий. Для объяснения новых фактов нередко приходится создавать новые теории, но новая теория строится с учетом существующих законов (физических, химических, биологических и т. п.), и если какой-то сложный факт кажется несоответствующим существующим законам, то, скорее, он неверно истолкован, чем неверны законы, действующие для остальных фактов.

Например, можно построить инерционную модель, работающую длительное время без источника питания, но нельзя построить вечный двигатель, не имеющий никакого источника питания. Каждое новое явление или объект занимают свое место в определенной классификационной схеме и соотносятся с другими фактами. Нельзя объяснять факты, не поддающиеся рациональному объяснению, существованием некоей внешней силы, создающей особые законы для данных фактов.

16. Предмет и структура естествознания

Под естествознанием понимается единый комплекс естественных наук, прочно связанных между собой и дополняющих друг друга. Естествознание, хотя и разбито на отдельные научные отрасли, имеет предметом своего изучения одни и те же природные явления и с позиций нескольких наук выявляет общие закономерности и тенденции. Это связано с тем, что природа, как и само естествознание, является огромной единой целостной системой, в которую входит все многообразие живых и неживых объектов и физических и химических явлений, которые относятся к микро-, мега– и макромиру, то есть к Земле со всем ее содержимым и Вселенной.

Фундаментом естественных наук считается физика, которая изучает материальные тела, их движение, превращения и формы проявления на различных уровнях. Базовым разделом физики является механика (учение о равновесии и движении тел или их частей в пространстве и времени), включающая следующие разделы: статику (условия равновесия тел); кинематику (движение тел с геометрической точки зрения); динамику (движение тел под действием приложенных сил); гидростатику (условия равновесия тел в жидкости); пневмо– и гидродинамику (движение тел под действием приложенных сил в воздушной и жидкостной среде).

В физику входят также термодинамика (тепловые процессы), физика колебаний (волн), оптика, физика поля, акустика, атомная физика, физика элементарных частиц и др.

На физике базируется химия, включающая неорганическую и органическую части, которая изучает химические элементы, их свойства, превращения и соединения. На химии базируется биология, изучающая клетку и все производное от нее, то есть живую материю во всем многообразии. Биология включает в себя ботанику (растительное царство); зоологию (мир животных); анатомию; физиологию; эмбриологию (строение; функции и развитие организма); цитологию (живая клетка); гистологию (свойства тканей); палеонтологию (ископаемые останки); генетику (проблемы наследственности и изменчивости).

На трех основных науках основаны все науки о Земле – геология, география, экология и др.). А на этой единой базе – космология, которая изучает Вселенную как целое и включает астрономию и космогонию.

17. Начальный этап развития естествознания

Первые знания о природе человек получил еще в первобытном обществе. Это были знания, выявленные в результате систематического наблюдения одних и тех же явлений и одних и тех же свойств предметов или полученные в результате жизненного опыта (дерево не тонет, камень тонет, огонь горячий, лед холодный и т. п.). Знания древних людей были ненаучными, они никак не систематизировались и не имели никакой теоретической базы, а касались только повседневных наблюдений и повседневного опыта.

В странах Древнего Востока (Месопотамия, Египет) знание имело более широкую форму, существовали науки, но они были сплетены воедино с мистическими и религиозными аспектами. Настоящей родиной естественных наук является Греция (VI–IV вв. до н. э.). Греческая наука была рациональна (не прибегала для объяснения фактов к помощи религии и мистики) и системна (стала классифицировать явления и объекты изучения).

Развитию науки способствовало особое устройство греческих городов-государств – с демократическими нормами жизни и изобилием общественных законов. Аналогичный способ организации был применен и в области знаний: если человеческое общество подчиняется законам, то и природа должна подчиняться своим законам. Особенности рабовладельческого способа производства дали в греческом обществе четыре приоритетных занятия – политика, война, искусство, философия; под философией и понималась зарождающаяся наука. Созерцательность и абстрактно-умозрительный взгляд на мир сформировали два основных принципа греческой науки: мышление понятиями и создание всеобъемлющих философских теорий.

Научные изыскания греков не имели практического значения, это было движение чистой философской мысли: планиметрия Гиппарха, геометрия Евклида, апории элеатов, диогеновский поиск сущности человека. Целью научного познания было изучение процесса превращения первоначального Хаоса в Космос. Так появились труды Фалеса, Анаксимандра, Гераклита, Диогена. Единственным инструментом познания они признавали человеческий разум. Греки достигли больших успехов в математике (Пифагор, Евклид, Платон), в учении об атоме (Демокрит, Левкипп), в учении о неуничтожимости материи (Эмпедокл), но естествознание как научную программу создал Аристотель.

18. Представления Аристотеля о движении

Аристотель был автором многочисленных трудов о природе – «Физика», «О небе», «Метеорологика», «О происхождении животных» и др. Впервые в мире он обратил внимание на закономерности движения физических тел и тем самым дал начало разделу физики – механике. Движение Аристотель определял как изменение положения тела в пространстве, аристотелево пространство было заполнено прозрачной материей, аналогичной воздуху. Ему принадлежит высказывание «природа боится пустоты», то есть пространство заполнено подобием эфира. Движение создается без причины движения, самодвижущееся тело имеет в себе источник движения. Он различал движение естественное и насильственное, местное (для тяжелых тел) и огненное (для легких).

В рассуждения Аристотель ввел понятие силы, к которому относится три основных вида силы – тяга, давление и удар. Рассматривая сложное вращательное движение, он вывел определение момента силы, а для естественного падения тела вывел закон V = F/w, где V – скорость, F – сила стремления тела к своему естественному месту, w – сопротивление воздуха.

Согласно закону Аристотеля скорость падения тела зависела от его массы. Эта точка зрения продержалась до времен Галилея. То есть тяжелые тела в силу своей массы устремляются к земле (естественному месту), а легкие тела из-за своей легкости устремляются к огненному эфиру, расположенному за слоем воздуха, высоко к небу, к огню. Небесные тела из «земных» принципов движения он исключал: они движутся по совершенной окружности и для движения силы им не требуется. Небесные тела подчиняются небесным законам (их движения вечны и неизменны, не имеют начала и конца), неприменимым к земным телам, несовершенным по своей природе. Несовершенные земные тела могут двигаться только с приложением внешней силы, источниками движения для них служат другие тела. Аристотель считал, что движение существует вечно и что первое движение в мире породил перводвигатель, под которым он понимал бога. Физическое взаимодействие он понимал как применение силы движущего к движимому (то есть действие сугубо одностороннее).

19. Представления Галилея о механике

Представления Аристотеля о механике продержались до времени Галилея. Галилей создал новую механику, отвергающую принципы Аристотеля. Он установил физические законы для движения тел, ввел определения для силы, скорости, ускорения, равномерного движения, инерции, понятия средней скорости и среднего ускорения, впервые сопоставил понятие силы с математическим понятием вектора (при определении характера движения в зависимости от приложенной силы, он исходил из направления этой силы или взаимодействия сил), сформулировал четыре аксиомы механики (две о свободном падении, одна – по поводу инерции и одна по поводу относительности движения):

1. Закон инерции. Свободное движение по горизонтальной плоскости происходит с постоянной по величине и направлению скоростью.

2. Свободно падающее тело движется с постоянным ускорением и конечная скорость тела, падающего из состояния покоя, связана с высотой, которая пройдена к этому моменту.

3. Свободное падение тел можно рассматривать как движение по наклонной плоскости, а горизонтальной плоскости соответствует закон инерции.

4. Внутри равномерно движущейся (так называемой инерциальной) системы все механические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся.

Принцип относительности он вывел в 1632 г. при помощи мысленных экспериментов, путем абстракции. Принцип предполагает, что траектория падающего тела отклоняется от вертикали из-за сопротивления воздуха и в безвоздушном пространстве тело упадет точно над точкой, из которой началось падение.

Рассуждая о падении тела с мачты движущегося с абсолютно постоянной скоростью корабля, Галилей замечал, что наблюдателю, стоящему на берегу, траектория падения тела представится в виде параболы, поскольку определяющим траекторию тела фактором будет сам корабль, сообщивший телу начальную скорость V₀, и траектория падения тела с мачты равносильна траектории снаряда, вылетающего из пушки, то есть тело для наблюдателя падает по параболе.

Рассматривая принцип относительности, Галилей исходил из относительности восприятия движения корабля (для наблюдателя на берегу корабль движется, для наблюдателя внутри корабля – стоит на месте). Потребовалось почти 300 лет, чтобы появилась теория относительности Альберта Эйнштейна.

20. Законы механики Ньютона

I закон, или закон инерции, открытый еще Галилеем: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил.

II закон: изменение импульса тела в единицу времени равно действующей на него силе и происходит в направлении ее действия. F = m_и· a, где F – вынуждающая сила, a – ускорение, m_и – инерциальная масса.

Второй закон Ньютона связывает изменение импульса тела (количества движения) с действующей на него силой и является ядром механики. Он был революционным для своего времени, но неприменим в современной физике, так как Ньютон считал, что масса не зависит от скорости. Ньютон рассматривал массу как меру инертности, а ускорение и инерцию как равные по величине противодействия, направленные в противоположные стороны, то есть чем массивнее тело, тем меньшее ускорение можно ему придать.

III закон: силы действия и противодействия равны по величине и противоположны по направлению.

IV закон, сформулированный Ньютоном, – это закон всемирного тяготения: сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния: F_гр= γ · m_гр· M_гр/r², где γ – гравитационная постоянная.

Закон он вывел из допущения, что на Луну, движущуюся по земной орбите, и на камень, падающий на Землю, действует одна и та же сила: Луна тяготеет к Земле и силой тяготения постоянно отклоняется от прямолинейного движения и удерживается на своей орбите. Из этого допущения он рассчитал постоянную величину силы тяготения: если расстояние от центра Земли до центра Луны в 60 раз больше радиуса Земли, то сила тяготения убывает пропорционально квадрату расстояния; а поскольку силы, которыми главные планеты отклоняются от прямолинейного движения и удерживаются на своих орбитах, направлены к Солнцу и обратно пропорциональны квадратам расстояний до центра его, то вес тела на всякой планете пропорционален массе этой планеты, и следовательно, сила тяготения между телами пропорциональна массе этих тел; согласно современным расчетам гравитационная постоянная: G = (6,673 ± 0,003) · 10^-11 нм²кг^-2.