Естествознание как наука

Естествознание как наука

Лекция 1. Особенности естественнонаучного познания

Естественнонаучная и гуманитарная культуры.

Человек существует в природе. Способ существования – деятельность.

Многие естественнонаучные законы и принципы справедливы и в общественных науках. Например, принцип обратной связи, самоорганизация и т.д.

Три способа познания: аналитический – наука, художественный, чувственный, порой иррациональный – искусство, реконструктивно-пророческий, по большей части иррациональный – религия.

Научный метод.

Метод (от гр. Methodos – путь к чему-либо, способ)- совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности.

Область знания, которая специально занимается изучением методов – методология. гр. Logos – учение ).

Наблюдение – метод получения первичных знаний; научное наблюдение характеризуют целенаправленность, планомерность, активность.

Эксперимент – контролируемое воздействие на исследуемый объект. Характеризуется воспроизводимостью.

Измерение – получение количественных закономерностей.

Абстрагирование – переход от чувственно-конкретного к абстрактному, отвлечение от каких-либо менее существенных сторон объекта – идеализация (материальная точка, идеальный газ и т.д. )

Мысленный эксперимент – оперирование идеальными образами (Галилей).

Формализация – особый подход, использующий специальную символику – формализованные искусственные языки; характерна моносемичность – однозначность терминов – но разная для разных наук.

Лекция 2. История естествознания

Естествознание эпохи античности

1) Теокосмогонические мифы – высшая форма мифотворчества, которая содержит зародыши научного знания. Гесиод «Теогония»: первичное состояние мира – Хаос усложнение и организация мира от Хаоса к Космосу представление о периодической гибели Космоса и переход к Хаосу и вновь возрождение Космоса.

2) Естествознание начинается с вопроса: из чего состоит все? Субстанция мира – единое основание многообразия вещей.

3) Европейская наука началась с Милетской школы (VI в до н.э.) – Фалес (субстанция - вода), Анаксимандр (апейрон – некое вечное беспредельное, безграничное, бесконечное начало), Анаксимен (воздух ).

4) Гераклит из Эфеса (огонь – самое изменчивое и подвижное вещество).

5) Пифагорейский союз VI – IV вв до н.э. («Все есть число»). Математика как средство познания мира.

6) Элейская школа - основал Ксенофан. Известны Парменид (два пути познания: путь истины и путь мнения), Зенон (субстанция – бытие как таковое). Апории Зенона.

7) Софисты (платные учителя риторики, логики, философии) – могли доказать что угодно. Не верили в познаваемость мира. Например, Георгий: «Ничего не существует, если бы и существовало, то было бы непознаваемо; если бы и было познаваемо, то не было бы передаваемо другим».

8) Аристотель – первый исследователь природы (лучший ученик Платона - «Платон мне друг, но истина дороже», учитель Александра Македонского).

Основал Ликей – философскую школу.

Идеи не могут существовать отдельно от вещи (противоположно Платону).

Мир состоит из вещей. Каждая вещь – соединение материи и формы. Чтобы стать вещью, материя должна принять форму.

1)      мир делится на надлунный (идеальный, где возможно движение только по окружности) и подлунный. Основной закон механики Аристотеля: в подлунном мире v ~ F (скорость пропорциональная силе). Объяснение – теория импетуса (Филопон) – «движущая сила» у каждого движущегося тела.

2)      движение – естественное (легкое – вверх, тяжелое – вниз) и насильственное.

3)      каждый организм = реализация определенной формы. Животные – кровяные, бескровные (беспозвоночные), между животными и растениями - губки, медузы.

4)      Геоцентризм (Земля в центре мира) – Птолемей создал теоретическую базу. Теория эпициклов для объяснения некругового вращения планет.

Основоположники атомизма– Демокрит и Эпикур в Греции, Тит Лукреций Кар – в Древнем Риме.

Развитие математики – Пифагор (ввел понятие иррациональности), Евклид метод аксиом, основатель геометрии Евклида. Архимед (определил значение числа ? ,положил начало гидростатике, создал множество механических приспособлений, один из последних представителей античного естествознания)

В античной науке познавательный элемент был больше, чем ценностный ( П › ц ).

4.Естествознание средних веков.

В Европе - усиление влияния Церкви. Философия – «служанка» богословия. (Ц > п), Бог – высшая ценность.

Упадок европейской науки до XIII вв. На Востоке – прогресс науки. На арабский язык были переведены основные труды древнегреческих ученых – в VIII-IX вв. Мухаммад аль–Баттани (астрономические таблицы), Ибн - Юнас (тригонометрия, лунные и солнечные затмения),Ибн аль-Хайсам (оптика), Ибн-Рушд (виднейший философ и естествоиспытатель, считавший своим учителем Аристотеля).

В XIII в начался подъем европейской науки. Оксфордский университет.

Лекция 3. Научные революции

Естествознание эпохи Возрождения. Первая научная революция

Конец XV-XVI веков – переход от Средневековья к Новому времени – эпоха Возрождения (возрождение культурных ценностей античности).

1)      Первая научная революция связана с появлением гелиоцентрического учения польского астронома Николая Коперника (1473 – 1543). Труд «Об обращениях небесных сфер». Объяснение движения планет без эпициклов. Земля – одна из планет Солнечной системы. Учение было запрещено церковью.

Однако на основе гелиоцентрической системы в 1582 г. была проведена церковная реформа календаря: на смену юлианскому пришел григорианский.

2)      Итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548-1600) пошел дальше Коперника – бесконечность Вселенной, множественность миров. Сожжен на Площади Цветов в Риме в 1600 г. как нераскаявшийся еретик.

3)      Появление методологии – Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт (Картезий). Главная ценность – объективное познание мира.

4)      Галилео Галилей (1564 – 1642). Новое механистическое естествознание. Блестящий экспериментатор. Естественнонаучное обоснование гелиоцентрической системы в труде «Диалог о двух системах мира – Птолемеевской и Коперниковой». Суд инквизиции, отречение от взглядов.

5)      Первые теоретические концепции, объясняющие фундаментальные характеристики живого.

6)      Научная революция XVII в. завершилась творчеством Исаака Ньютона (1643-1727)

6.      Естествознание Нового времени (XVII – XIX вв.)

Исаак Ньютон – дифференциальное и интегральное исчисления, важные астрономические наблюдения, завершение дела Галилея по созданию классической механики. Три закона механики, закон всемирного тяготения. Основной труд – «Математические начала натуральной философии» – 1687 г. Предложил научно-исследовательскую программу, которую он назвал «экспериментальной философией» – механистическую.

Проблема философского метода.

Истоки противоположности двух методов – в древности. Гераклит: «Все течет, все изменяется», Ксенофан, Парменид,Зенон – мир неподвижен, неизменен, так как всякое изменение – это противоречие, что невозможно.

На определенном этапе научного познания природы метафизический метод был неизбежен, так как облегчал процесс познания. В рамках метафизического подхода проводилась классификация явлений природы. Карл Линней «Система природы»- предложен принцип такой классификации для живой природы. Градация: класс, отряд, род, вид, вариация. 6 классов животного мира (млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, черви, насекомые) и 24 класса растительного. Однако Линней не усмотрел в этой классификации развития.

Дальнейшее развитие естествознания требовало его диалектизации.

7.Научная революция 18-19 веков. Крушение механистической картины мира

Сутью научной революции 18-19 вв. является диалектизация естествознания.

1)      Немецкий философ Иммануил Кант (1724-1804) «Всеобщая естественная история и теория неба»- попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы.

2)      Пьер Симон Лаплас «Изложение системы мира» – независимо от Канта пришел к тем же выводам. Космогоническая гипотеза Канта-Лапласа.

3)      в XIX в идеи развития распространились на все естествознание. Английский естествоиспытатель Чарльз Лайель (1797-1875) «Основы геологии» - идеи геологического эволюционизма.

4)      Чарльз Роберт Дарвин (1809-1882) «Происхождение видов в результате естественного отбора». Развитие- это условие существования вида, условие его приспособления к окружающей среде.

5)      Ботаник Маттиас Якоб Шлейден (1804-1881), биолог Теодор Шванн (1810-1882)- создатели клеточной теории (все растения и животные состоят из клеток).

6)      Широкомасштабное единство, взаимосвязь в материальном мире продемонстрирована с открытием закона сохранения и превращения энергии. Первооткрывателями его считаются немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814-1878) и английский исследователь Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889). Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821-1894) увязал этот закон с принципом невозможности вечного двигателя.

7)      Немецкий химик Фридрих Вёлер (1800-1882) – синтезировал первое искусственное органическое вещество – мочевину.

8)      Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) - периодическая таблица элементов.

9)      Французский биолог Жан Батист Пьер Ламарк (1744-1829)- гипотеза эволюции живой природы.

Принципы:

а) градации (стремление к совершенству),

б) прямого приспособления к условиям внешней среды.

Законы:

а) изменения органов под действием упражнений,

б) наследования признаков новыми поколениями.

Механистические взгляды на материальный мир господствовали до XIX века. Все закономерности материального мира сводились к законам механики. С открытием электрического заряда пришлось пересматривать взгляды.

1)      Француз Шарль Огюст Кулон (1736-1806) – закон взаимодействия электрических зарядов.

2)      Англичанин Майкл Фарадей (1791-1867) ввел в науку понятие электромагнитного поля. Кроме вещества, в природе существует еще и поле.

3)      Англичанин Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) «Трактат об электричестве и магнетизме»- математическая теория электромагнитного поля.

4)      Немец Генрих Рудольф Герц (1857-1894) экспериментально подтвердил теоретические выводы Максвелла.

Естественнонаучная революция 20 века.

В конце XIX - начале XX века был сделан каскад научных открытий, которые привели к коренному пересмотру физической картины мира.

1)      Французский физик Антуан Анри Беккерель (1852-1908) открыл явление спонтанного излучения солей урана.

2)      Французские физики Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) открыли новые радиоактивные элементы.

3)      Английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл первую элементарную частицу – электрон и предложил первую модель атома.

4)      Английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) предложил новую, планетарную модель атома. Она основывалась на экспериментах Ганса Гейгера (1882-1945) и Эрнста Марсдена (1889-1970).

5)      Датский физик Нильс Бор (1885-1962) разработал квантовую теорию строения атома. Постулаты: в атоме существуют дискретные (стационарные) состояния, в которых атом не излучает. При переходе из одного состояния в другое атом излучает или поглощает квант энергии.

6)      Немецкий физик Макс Планк (1858-1947) положил начало квантовой теории, выдвинув гипотезу о дискретном испускании электромагнитного излучения.

7)      Альберт Эйнштейн (1879-1955) дополнил гипотезу Планка положениями, что электромагнитное излучение распространяется и поглощается порциями (квантами). Создал теорию относительности, основанную на том, что пространство и время не абсолютны.

8)      Французский ученый Луи де Бройль (1892-1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи. Корпускулярно-волновой дуализм.

9)      Появилась электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов, используемых для передачи, обработки и хранения информации. В 1940 г американский математик Норберт Виннер предложил использовать в вычислительных машинах не десятичную, а двоичную систему счисления, разработанную Джоржем Булем в 19 в. На основе идей Виннера была создана общая теория информации и связи.

10)    Этапы развития электронно-вычислительной техники. 1-е поколение – ламповые вычислительные машины. Второе поколение – полупроводниковые ЭВМ. В середине 60х годов появились интегральные схемы. На них основано третье поколение ЭВМ. В начале 80х годов стали выпускать микросхемы, содержащие до 100 тыс. элементов в кубическом сантиметре. Сейчас выпускают большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (более млн. элементов). Один из путей развития электроники – создание микросхем на основе белковых структур.

Лекция 4. Современное естествознание

Панорама современного естествознания. Тенденции развития.

Новые явления и процессы, имевшие место в развитии естествознания и техники в первой половине XX века (открытие цепной ядерной реакции - О. Ган, Ф. Штрассман, Л. Мейтнер и О. Фриш), подготовили уникальное событие, получившее наименование научно-технической революции (НТР), которая началась во второй половине XX века, когда совпали по времени и научная и техническая революции.

Первый этап НТР начался в 50х годах ХХ в.

1)      В 1953 году была раскрыта структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), что послужило началом интенсивных исследований в химии и биологии.

2)      В 1954 году была построена первая в мире атомная электростанция в Обнинске.

3)      Появилась кибернетика. Электронно-вычислительная техника.

4)      Космические исследования. Ракетно-космическая техника.

Второй этап НТР начался со второй половины 70х годов и продолжается до сих пор.

1)      В последние десятилетия биология достигла грандиозных успехов, когда сумела заглянуть внутрь живой клетки и понять биологические механизмы на уровне молекулярных взаимодействий. Генная инженерия. Расшифровка генома человека.

2)      Новые технологии: гибкие автоматизированные производства, лазерная технология, биотехнология и др.

3)      Информатизация общества на основе персональных компьютеров. Интернет.

4)      Нанотехнологии, оптоэлектроника, электроника высоких скоростей.

Корпускулярная и континуальная концепции описания природы. Корпускулярно-волновой дуализм.

Поле – сплошная среда, имеющая различные параметры (поле скоростей, температур и т.д.)

Дискретность – «зернистость» – означает делимость пространства- времени, строения и форм движения (скачки). (Например, множество целых чисел).

Континуальность – непрерывность, целостность объекта. (Например, множество действительных чисел).

Луи де-Бройль: все микрообъекты обладают корпускулярными и волновыми свойствами. E = h?, E=mc2, ?=h/mv.

Порядок и беспорядок в природе. Хаос.

Существует различие между обратимыми и необратимыми процессами. Законы классической механики являются обратимыми.

Характер протекания процессов в природе определяется II началом термодинамики, согласно которому в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи тепла только от более горячих тел к менее горячим.

В обратимых процессах сохраняется некоторая физическая величина, названная Клаузиусом энтропией. В необратимых процессах энтропия возрастает. Людвиг Больцман связал энтропию S с натуральным логарифмом статистического веса W (или термодинамической вероятности макросостояния, то есть числом микросостояний, которыми может быть осуществлено каждое макросостояние). S = k lnW (k – постоянная Больцмана).

Энтропия – мера неупорядоченности системы (хаоса). Энтропия возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку.

По Эддингтону возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени».

Лекция 5. Структурные уровни организации материи

Концепции описания природы.

Сложился культурно-исторический подход к анализу развития естествознания.

парадигма (гр.пример, образец) – признанные всеми научные достижения, система теоретических представлений и философских обобщений.

В основе «жесткого ядра» физической исследовательской программы лежит базисная теория. Например, квантовая теория поля, как базисная, формирует целый ряд фундаментальных теорий: атомная физика, ядерная физика, физика элементарных частиц и т.д.

Типы физических исследовательских программ: механистическая (Ньютон), релятивистская (Эйнштейн), квантово-полевая (Планк), в настоящее время строится теория Суперобъединения (единая теория поля).

Структурные уровни организации материи. Микро-, макро- и мегамиры. Пространство и время.

Взаимодействие Частицы     Максимальн. радиус действ.          Относит. интенсивн.         Кванты сильное  адроны      10-15 м     1      глюоны

электромагнитное        все заряж. ч-цы  ?       10-3 фотоны слабое    все ч-цы, кроме фотона       10-18 м     10-14         бозоны (W+,W-,Z) гравитац.        все ч-цы     ?       10-36     гравитоны

Элементарные частицы: 36 кварков и антикварков, 8 глюонов, 12 лептонов, фотон – всего 57 элементарных частиц.

Микромир – объекты, меньшие 10-6м, наблюдаемые с помощью приборов.

Макромир - доступный наблюдению человека – от 10-6м до порядка 1 астрономической единицы (150 млн.км -большая полуось земной орбиты).

Мегамир – все за пределами солнечной системы (границы наблюдаемой Вселенной –10 26м).

Ньютон ввел понятия абсолютного пространства и абсолютного времени, которые не связаны с материей, однородны и изотропны. (Это субстанциональная концепция) Р.Декарт – ввел систему координат евклидовой геометрии. (В реляционной концепции пространство и время рассматриваются как системы отношений между взаимодействующими объектами).

Н.И. Лобачевский и Георг Риман – предложили неевклидовы геометрии. Пространство и время составляют континуум, свойства которого зависят от материи.

В настоящее время пространство и время трактуются как формы существования материи. Они неразрывно связаны между собой, их единство проявляется в движении и развитии материи.

Наше пространство трехмерно. (Но в принципе возможны Вселенные с другим числом пространственных измерений). Свойства пространства зависят от скорости движения системы отсчета, от наличия гравитационных полей.

l = lo v (1-v2/c2)

Время течет в одном направлении – от прошлого к будущему. Ход времени зависит от скорости протекания процессов (химическое, биологическое, геологическое время – 1 секунда геологического времени = 100 тыс. лет исторического), зависит от скорости движения инерциальной системы отсчета

( СТО):

t =to/v 1-v2/c2

Современная физика связывает необратимость времени с необратимыми тепловыми процессами.

Некоторые принципы современной физики.

Современная физика, как и классическая, признает объективное существование физического мира, однако отказывается от наглядности.

1.      1.Близкодействия – взаимодействие распространяется с конечной скоростью, через поле (ранее Р.Декарт ввел принцип дальнодействия - мгновенно на любом расстоянии). Максимальная скорость – скорость света в вакууме.

Страницы: 1, 2, 3, 4