Природа в зеркале науки

Два мира есть у человека:

Один, который нас творил,

Другой, который мы от века

Творим по мере наших сил.

Н. Заболоцкий

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 …

Тютчев.

ЧТО ИЗУЧАЕТ ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ?

Т ермин естествознание обозначает широкую познавательную область, ориентированную на исследование мира Природы во всем его многообразии. Если искусство может не только отражать природный мир, например, в пейзажной живописи, но и создавать свои «миры» средствами музыки, архитектуры, скульптуры и т. д., то естествознание открывает все, что есть и/или было в Природе, в объективно существующем вокруг нас мире.

Современное естествознание – система сложная, неоднородная и многоплановая. Традиционно выделяют некоторую совокупность наук, составляющих основу естествознания. К числу таких наук относят физику, астрономию, химию, биологию, геологию. Каждая из этих наук объединяет множество дисциплин. Так, физика включает механику, оптику, электродинамику, квантовую механику. Кроме этого, существует множество наук, возникших на стыке разных дисциплин, например, астрофизика, физическая химия, биохимия.

Итак, естествознание изучает природу, т. е. тот мир, который окружает человека и который не зависит от его сознания. Этот мир может быть предметом внимания не только ученого-естественника, но и писателя, художника, фотографа, да, и вообще любого человека. Каждый из них может любоваться небом и закатом. Но профессиональный интерес ученого-естественника отличается от взгляда простого созерцателя. Его, ученого, интересует, почему небо голубое, а закат красный, а главное – какие законы природы определяют небесную голубизну и красоту заката.

Иными словами, для естествоиспытателя природа – это первозданный мир, на который он смотрит под определенным углом зрения, считая этот мир естественно упорядоченным и закономерным, т. е. полагая, что события в этом мире происходят естественно-причинно без участия в них каких-либо произвольных сил или существ. Как сказал И. Кант, «природа есть существование вещей, насколько оно определено общими законами».

Таким образом, естествознание предполагает изучение чего-то, изначально обладающего естественным порядком, подчиняющегося естественным законам. Восприятие мира научно предполагает выработку специального взгляда на окружающий мир.

СУЩЕСТВУЮТ ЛИ В ПОЗНАНИИ НАУКИ-ЛИДЕРЫ? В течение долгого времени лидером естествознания считалась физика. Именно в ходе развития физики вырабатывались и вырабатываются основные модели мира и его познания. Свое приоритетное положение в естествознании физика обрела в наиболее ясной форме в XIX в., когда обосновывала законы природы. В ХХв. на лидирующие позиции, кроме физики, выходят биология, кибернетика.

Так, например, спор о возрасте Земли, возникший во второй половине XIX в. между физиками и представителями «описательных» наук того времени – геологами и биологами – наглядно показал доминирующее положение физики в иерархии наук о природе. Доказательность физических доводов физиков была ничуть не выше, чем у геологов и натуралистов, которые располагали множеством данных, свидетельствовавших о том, что возраст Земли исчисляется сотнями миллионов лет. Но, тем не менее, предпочтение отдавалось позиции физиков, считавших, что Земля много моложе, так как за ними стоял авторитет физической теории. И только когда в рамках самой физики были найдены аргументы, подтверждавшие правоту геологов и биологов, новая оценка возраста Земли (по современным данным – около 4,5 млрд лет) была принята научным сообществом.

Вместе с тем универсальность методов физики и правомерность сведения (редукции) теоретического и эмпирического материала всех естественных наук к физическим законам неоднократно ставилась под сомнение. Особенно остро стоял вопрос о сводимости биологии к физике.

Сама по себе идея редукционизма (от лат. reductio – возвращение, отодвигание назад) имеет древние корни. Например, Пифагор полагал, что в основе мироздания лежит гармония чисел. Аристотель считал, что мир подобен животному организму. В XVII в. Р. Декарт вдохновлялся идеей представления организма в виде механической машины. Идея сведения всех естественных наук к механике, начиная с XVII в. получает широкое распространение. В XIX в. роль механики стала играть физика, именно ее начали воспринимать как идеал естественной науки, к которому должны стре-
миться, и в итоге сводиться, все остальные естественно-научные дисциплины.

История науки знает примеры попыток иных редукций, скажем, описания химических явлений в биологических терминах. Так, в конце XVII – начале XVIII вв. кислоты рассматривались некоторыми химиками как объекты мужского пола, а щелочи – женского. Еще раньше, в эпоху средневековой алхимии (XIV–XV вв.), было распространено убеждение о том, что минералы растут подобно растениям из семян и при благоприятных условиях проходят полный цикл роста и созревания.

Однако уже в XIX в. некоторые исследователи природы усомнились в принципиальной возможности редуцировать химию к физике, а биологию сделать разделом физики и химии. Их позицию в поэтической форме выразил И. Гете:

Спешат явленья обездушить,

Забыв, что если в них нарушить

Одушевляющую связь,

То больше нечего и слушать.

Проблема редукционизма очень сложна. С одной стороны успехи редукционизма известны. Например, на базе механистической картины мира уже к середине XIX в. удалось с единой точки зрения описать многие процессы на Земле и на небе. Термодинамика и квантовая механика позволяют описать и объяснить свойства и строение химических веществ.

С другой стороны главная слабость редукционизма – это утверждение о том, что свойства любого сложного образования (молекулы, клетки, организма) и закономерности его функционирования полностью определяются свойствами и закономерностями составляющих его частей.

Весьма популярной идеей сегодня является идея эмерджентности ( от агл. emergent – внезапно возникающий) т.е. возникновения новых свойств у совокупности объектов, в результате чего целое приобретает свойства, отсутствующие у его частей. Эта идея является ведущей идеей холистского (целостного) подхода.

Однако часто бывает сложно ответить на вопрос: что есть часть целого? Действительно, что считать частью организма – орган, клетку, отдельные органические молекулы? Все зависит оттого, какой уровень организации биологической системы мы рассматриваем. При осмыслении целостного подхода важно подчеркнуть, что целое не функционирует на основе законов, которым подчиняются составляющие его элементов.

В научных исследованиях реализуются и целостная установка (когда четко обозначена проблема или дается описание исследуемой области), и редукционистская (когда ученый переходит к развернутому решению проблемы и теоретическому описанию).

МАТЕМАТИЗАЦИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК. Специфическая особенность научных исследований в области естествознания состоит в широком использовании математики. Математика служит и средством познания и языком естественных наук (и не только естественных). Сила математики состоит в том, что она анализирует определенные соотношения в какой-либо системе объектов, абстрагируясь от природы системы и объектов.

В конце 30-х годов XX в. было открыто деление ядра урана под воздействием налетающего на него нейтрона. При таком делении выделяется энергия в виде кинетической энергии новых образовавшихся ядер.

Как видно на рисунке, в результате процесса образуются три (иногда два) новых нейтрона, которые, сталкиваясь с другими ядрами урана, в свою очередь, могут вызвать деление их ядер. Допустим, что такое деление происходит через время Dt после образования этих нейтронов, и попробуем вычислить, как со временем будет возрастать число разделившихся ядер. Ваших математических знаний хватит для решения этой задачи. Если в момент времени t = 0 число разделившихся ядер N₀, то через время Dt их число утроится, через время 2 Dt произойдет еще одно «утроение» и т. д. Образуется известная вам геометрическая прогрессия: через время nDt число разделившихся ядер будет 3 ⁿN₀. То есть спустя время t = nDt с начала деления число ядер будет определяться выражением N (t)=3 ^t/DtN₀. Такой закон возрастания со временем носит взрывной характер, поэтому соответствующая ядерная реакция протекает как взрыв и реализуется в атомной бомбе.

А теперь рассмотрим систему совершенно другой природы. Представьте себе некоторую абстрактную популяцию животных. Предположим, что животное данного вида достигает половой зрелости спустя время Dt после рождения, после чего каждая пара животных дает потомство из 6 детенышей. Допустим, что время жизни животного после рождения детеныша много меньше величины Dt, и что у животных достаточно корма и нет врагов. Попробуйте вычислить, с какой скоростью возрастает число животных со временем. Вы получите абсолютно те же самые результаты, что и при делении ядер урана. (Естественно, что время Dt в данном случае во много раз больше, чем в предыдущей задаче). Конечно, рост реальной популяции со временем, определяется более сложными законами, однако в ряде случаев этот рост носит взрывной характер, подобный ядерному взрыву.

Таким образом, совершенно различные по природе объекты (к рассмотренным выше примерам можно добавить химическую систему, в которой реализуется химическая взрывная реакция) описываются одинаковыми математическими уравнениями. Отсюда создается впечатление, что математические уравнения, по выражению Г. Герца, «мудрее, чем мы».

Математика дает естествознанию огромное разнообразие абстрактных структур и методов, которые сами по себе не связаны с реальностью. Естествознание же выбирает и использует только те из них, которые осмыслены с его позиций.Обращению к математическому аппарату должен предшествовать детальный анализ возможностей его использования в данной области. Для ученого-естественника важно соотнести математические структуры с величинами, только тогда математический аппарат будет работать, т. е. давать содержательную информацию об объективной деятельности.

Итак, естествознание – это система экспериментальных наук, имеющих общие объекты изучения и методы их исследования. Естествознание использует математические методы исследования в качестве языка описания, моделирования и прогнозирования различных явлений. Роль математических методов в естествознании зависит от специфики конкретной научной области.

§ 3. Физики и лирики

Неверно рассуждает математик, если хочет циркулем измерить божью волю, но не прав и богослов, если он думает, что на Псалтири можно научиться астрономии или химии.