Основные этапы эволюции естествознания

3.1. Какие основные периоды принято выделять в эволюции естественных наук?

В процессе познания природы человеком можно выделить три следующие основные ступени.

l Непосредственное созерцание природы как нерасчлененного целого. Такой подход был свойственен ранним стадиям развития человеческой цивилизации. Первые истолкования природы сложились как мифы о возникновении (сотворении) и развитии мира, т.е. космогония.

l Анализ природы, расчленение ее на части, выделение и изучение отдельных вещей и явлений, поиски отдельных причин и следствий. Переход к этому этапу стал возможен благодаря развитию культуры, письменности.

l Воссоздание целостной картины на основе уже познанных частностей путем приведения в движение остановленного, оживления омертвленного, связывания изолированного раньше, т.е. на основе фактического соединения анализа и синтеза.

К наиболее важным историческим этапам эволюции естествознания можно отнести следующие:

1. Натурфилософский период – античная наука, зарождение элементов будущего естествознания (п. 3.2). Представления и подходы, заложенные античной научной и философской школой, доминировали в европейской науке вплоть до позднего средневековья.

2. Средневековый период «застоя» в естествознании. Для данного этапа характерно господство схоластики и теологии в Западной Европе, расцвет инквизиции. Развитие естественных наук как системы знаний о материальном мире тормозилось господствующей идеологией, имевшей глубокую религиозную основу.

3. Период механистического и метафизического естествознания (XVI–XIX в.в.). Формирование КЛАССИЧЕСКОЙ (ньютоновской) МЕХАНИКИ – исторически первой законченной научной картины мира (см. п. 3.5).

4. «Новейшая революция» в естествознании приходится на конец XIX – ХХ в.в. (п. 3.6). В результате фундаментальных открытий в области микромира стало возможным формирование современных представлений о фундаментальных категориях естествознания – МАТЕРИИ, ЭНЕРГИИ, ДВИЖЕНИИ, ВРЕМЕНИ, ИНФОРМАЦИИ (п.п. 1.3-1.7). Эти представления базируются на принципах относительности и дополнительности (п. 6.2).

Для современной науки характерно понимание природы как целостного живого организма. Почти до середины ХХ в. такое понимание природы воспринималось как своеобразный пережиток прошлого, возврат к мифологическому сознанию. Однако по мере признания и распространения учения В.И.Вернадского о биосфере (п. 9.2), в процессе развития современной экологии новое понимание природы как единого организма, а не механической системы, стало общепринятым научным принципом.

3.2. Каковы основные заслуги учёных-натурфилософов античного периода – Аристотеля, Демокрита, Эпикура в становлении естествознания?

Натурфилософский (античный) период эволюции естествознания связан, в частности, с именамиАристотеля, Демокрита и Эпикура.

Натурфилософия (философия природы), несмотря на сходство космогонических образов, принципиально отличалась от мифологии. Натурфилософия пыталась выработать единый, внутренне непротиворечивый взгляд на природу, понять её устройство изнутри, выявить такие законы существования природы, которые не зависят от человеческого разума. Т.е., античные учёные осознали проблему познания того, какова природа сама по себе, без человека.

К наиболее важным достижениям этой эпохи относятся континуальная концепция Аристотеля и корпускулярная концепция Демокрита (V–IV в.в. до н.э.).

КОНТИНУАЛЬНАЯ КОНЦЕПЦИЯ (от лат. continuum – «протяжённость») утверждала, что в природе нет пустоты, бесформенная бесконечно делимая материя занимает все пространство, стремясь равномерно в нём распределиться. Аристотелю принадлежит знаменитое изречение: «Природа не терпит пустоты». Аристотель отождествлял натурфилософию с физикой, изучал вопросы состава физических тел, природы движения, причинности и т.д. Движение Аристотель не сводил только к перемещению в пространстве, а рассматривал и такие формы, как возникновение и уничтожение, качественные изменения (п. 3.3.).

Заслуга Аристотеля состоит и в том, что он впервые предпринял попытку классификации основных начал природы. В качестве таковых были выбраны – четыре качественные характеристики материи: холод, тепло, сухость и влажность. Комбинируя их попарно, Аристотель вывел четыре основных элемента материи (стихии): землю, огонь, воздух и воду [13]:

ЗЕМЛЯ ß	Холод	à ВОДА
á		á
Сухость		Влажность
â		â
ОГОНЬ ß	Тепло	à ВОЗДУХ

КОРПУСКУЛЯРНАЯ КОНЦЕПЦИЯ (от лат. corpuscula – «частица») – напротив, устанавливала два начала мироздания, независимых друг от друга – неделимые атомы и пустоту. Атомы соединяются в различных сочетаниях, образуя многообразие окружающего материального мира. Гипотеза Демокрита о существовании мельчайших частиц материи нашла экспериментальное подтверждение лишь с развитием технологий исследования микромира. Согласно современным представлениям, атомы делимы и имеют сложное строение (п. 5.1).

Античный философ Эпикур не разделял концепцию детерминированного (предопределённого) движения атомов. ДЕТЕРМИНИЗМ – учение об изначальной определённости всех происходящих в окружающем мире процессов (см. также п.п. 3.4–3.6 – концепция механистического детерминизма И. Ньютона). Эпикуру принадлежит высказывание: «Смерть не имеет к нам никакого отношения, так как, когда мы существуем, смерть ещё не существует, а когда смерть присутствует, тогда мы не существуем».

3.3. Как отразилось развитие естественных наук на эволюции представлений о пространстве и времени?

Пространство и время, наряду с материей и движением, относятся к фундаментальным категориям естествознания (п.п. 1.3–1.7). Переход от механистической картины мира к современной означал пересмотр представлений об этих категориях.

1. МЕХАНИСТИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА. Пространство и время представляют собой некоторые субстанции, существующие сами по себе, вне какой-либо связи с материальными телами.

2. СОВРЕМЕННАЯ НАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА. Пространство и время представляют собой систему отношений между материальными объектами. Эта системы зависит от выбора системы отсчёта. Материальный мир существует в едином пространстве – времени. Пустого пространства не существует; физический вакуум – материальный, активный элемент устройства Вселенной, наличие у которого энергии заставляет её расширяться с ускорением.

3.4. Как отразилось развитие естественных наук на эволюции представлений о материи и движении?

Ниже систематизированы примеры основных представлений о фундаментальных категориях естествознания – материи и движении, свойственных различным эпохам становления естественных наук. Рассматриваются ключевые тезисы, которые считаются типичными и господствующими в рамках трёх этапов развития естественных наук:

l Античной натурфилософии.

l Эпохи «классической» науки XVI–XIX в.в.

l Современных нелинейных (системных) представлений.

1. Античная натурфилософия
Представления о материи	Представления о движении
l Все вещества – разные варианты одного первоначала (воздух, вода, земля, огонь). l Каждое вещество состоит из четырех стихий (воздух, вода, земля, огонь), смешанных в некоторой пропорции.	l Материи чуждо движение, сама по себе она может пребывать лишь в покое. l В мире есть лишь «естественное» движение небесных тел, равномерное и круговое, где все вечно, совершенно и неизменно. l Движение – возникновение или уничтожение тел, их рост или уменьшение, изменение качества, перемена места.
2. «Классическая» наука
Представления о материи	Представления о движении
l Существует две принципиально различные формы материи – вещество и поле. l Каждый химический элемент – это группировка одинаковых атомов. l Существует невидимая материя, заполняющая пространство – «мировой эфир». l Химическая природа сложной частицы определяется природой элементарных составных частей, их количеством и химическим составом.	l Существует лишь один вид движения – механическое перемещение тел в пространстве и времени. l Время – параметр движения, уравнения механики безразличны к знаку времени.
3. Современная наука
Представления о материи	Представления о движении
l Существуют две взаимосвязанные формы материи, обладающие различными свойствами – вещество и поле. l Вещество – материальное образование, состоящее из взаимодействующих частиц, имеющих массу покоя (m0>0), а поле массы покоя не имеет (m0=0). l Атомы делимы и имеют сложное строение. l Атом – электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.	l Существует множество форм движения материи. l Движение – не только перемещение частиц, но и изменение электромагнитного поля. l Движение микрочастиц подчиняется законам квантовой механики

3.5. В чём состоит заслуга И. Ньютона в эволюции естественных наук?

И. Ньютон (1643–1727 гг.) в своём труде «Математические начала натуральной философии» (1687 г.) заложил основы классической физики:

1. Существует абсолютное пространство, которое однородно, изотропно и имеет бесконечную протяженность.

2. Существует абсолютное (истинное и математическое) время. Время бесконечно и имеет одно измерение.

Основу методологии И. Ньютона составляют индуктивный метод и установка на экспериментальное определение количественных отношений между явлениями действительности. В основе механики Ньютона лежат три закона:

1. ЗАКОН ИНЕРЦИИ: всякое тело, на которое не действует внешняя сила, сохраняет по инерции состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

2. ЗАКОН ДВИЖЕНИЯ:

F= m_и a,

где: F – внешняя сила, a – ускорение, m_и – инерциальная масса.

3. ЗАКОН ДЕЙСТВИЯ И ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ: всякому действию соответствует равное по величине и противоположно направленное противодействие.

Логическим продолжением стала формулировка закона всемирного тяготения: сила гравитационного притяжения между двумя телами массы m ₁ и m ₂, разделёнными расстоянием R составляет:

,

где G – гравитационная постоянная (см. Приложение 3).

Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда противоположна по направлению радиус-вектору, направленному на тело. То есть, гравитационное взаимодействие приводит к притяжению любых тел. Оно является одним из четырёх фундаментальных взаимодействий, с помощью которых материальный мир описывается современной физикой (см. п. 4.4).

Гравитационное взаимодействие играет ведущую роль на уровне объектов мегамира (галактик, звёздных систем, планет) и крайне малую – на уровне объектов микромира (элементарных частиц).

3.6. Что такое «новейшая революция» в естествознании?

Большинство открытий, на которых базируется современная научная картина мира, было сделано в XIX–ХХ в.в. В значительной степени механистическую картину мира дополнила электромагнитная теория Дж. Максвелла. Классическая наука принимала, что существуют качественно разные формы движения материи. Впервые появилось понятие о физическом поле.

При этом электромагнитная концепция Дж. Максвелла, как и классическая механика И. Ньютона, придерживалась детерминистских позиций: зная причину явления, можно точно и однозначно рассчитать его последствия.

На пороге XIX–ХХ в.в. было совершено много важных открытий, в том числе:

· формулировка периодического закона в химии (Д.И. Менделеев – п. 5.6);

· открытие рентгеновского излучения (К. Рентген);

· открытие радиоактивности (А. Беккерель, П. и М. Кюри);

· установление строения атома – п. 5.1;

· становление квантовой механики;

· формулировка принципов относительности (А. Эйнштейн) и дополнительности (Н. Бор) – п. 6.2.

В новейшей революции естествознания условно выделяются три этапа:

1. В конце XIX века происходит ряд важных открытий – главным образом в физике, химии и биологии. В 1913-1921 гг. на основе представлений об атомном ядре, электронах и квантах Н. Бор создает модель атома в соответствии с Периодической системой Д.И. Менделеева. Это сопровождается нарушением прежних представлений о строении материи, её свойствах, формах движения, о пространстве и времени.

2. Середина 20-х г.г. XX века связана с появлением квантовой механики и её сочетанием со специальной теорией относительности (СТО) А. Эйнштейна в общую квантово-релятивистскую концепцию. Продолжается коренная ломка старых понятий, связанных с классической (ньютоновской) картиной мира.

3. Начало овладения атомной энергией в результате открытия деления ядра (1930 г.). Последующие исследования позволили подойти к изобретению электронно-вычислительных машин и зарождению кибернетики. Теперь в естествознании наряду с физикой лидируют биология, химия, а также смежные науки – космонавтика, кибернетика, информатика. В частности, развитие технологий изучения объектов микромира привело к появлению таких направлений, как молекулярная биология и молекулярная генетика.